Phytoplankton Community Dynamics and Stephanodiscus Bloom Development in the Nakdong River, S. Korea = 낙동강의 식물플랑크톤 군집동태와 규조류 Stephanodiscus의 번성기작

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Relationships between plankton communities and physicochemical environments were examined during 2004~2006 at six study sites in the Nakdong River, South Korea, using principal components analysis (PCA). During the study period, we collected and monitored data of river hydrology such as discharge, and water temperature, dissolved oxygen, pH, conductivity, turbidity, nutrient concentrations and phytoplankton abundances. Most of biological variables such as phyto- and zooplankton had relatively high values of Coefficient of Variation (CV) in the river, indicating they had large variations in time. Compared with biological parameters, the physicochemical characteristics such as discharge, turbidity, conductivity, silica and nutrients had seasonality but variations were relatively small. The phytoplankton abundances average at the lower part of the river was higher than the mid part of the river. Stephanodiscus hantzschii, dominant species of the river, increased toward the lower part of the river. However, the silica concentration was decreased toward the estuarine barrage. In the PCA, the loadings of bacillariophyceae had high participation (0.675~0.894) on Factor1 and S. hantzschii did as well as (0.586~0.899). The loadings of DO concentration and saturation had high participation on Factor1 at all study sites. Phyto- and zooplankton communities were clustered more strongly in the lower part than in the mid part of the river. Because of the water velocity of mid part of the Nakdong River is faster than in the lower part of the river due to the estuarine barrage, the lower part of the river probably have the characteristic of lentic system. The phytoplankton community at lower part of the river could be proliferated steadier than mid part of the river because the retention time of lower part of the river is longer than in mid part of the river. In addition, little centric diatom proliferation and the stability of water flow support the development of zooplankton community. The Nakdong River system is morphologically different from general other large river system without multipurpose dam and estuarine barrage.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study described the relationship between the regulated large river hydrology and phytoplankton biomass in the Republic of Korea. The limnological characteristics were influenced by climatic variations such as monsoons and summer typhoons. The mean rainfall during summer was about 1,200mm, which accounted for more than 60% of annual rainfall. In this study, the regulation of multi-purpose dams affected the dynamics of phytoplankton. A diatom bloom occurred in winter and the result showed that there was a relatively limited discharge range that allowed the proliferation of the phytoplankton community. Significant time-delayed relationships between hydrological variables and phytoplankton biomass were derived from the results of MAR (multivariate autoregression) analysis. The results support the necessity of ‘smart flow’ control in the regulated large river systems of the Republic of Korea. This offers potentially useful information for the water resource management system.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To understand the effect of water temperature on the growth pattern of Stephanodiscus, we investigated weekly or biweekly in the lower part of the Nakdong River from 1994 to 2006 and performed a laboratory experiment. Stephanodiscus was the most dominant species among phytoplankton in winter when low flow persisted and the high abundances of the species were maintained from December to February. Three strains of Stephanodiscus were isolated for the in vitro experiment from the Nakdong River in January, 2005. Over the water temperature range of 4 ℃ to 20℃, the growth patterns of Stephanodiscus were different in the short-term batch culture. The maximum cell density of Stephanodiscus was observed at approximately 5℃ in the river systems, but the optimum water temperature for the growth of Stephanodiscus was 10℃ for the growth in the laboratory experiment. Therefore, the proliferation of Stephanodiscus was related to low water temperature in the Nakdong River. The differences of optimal water temperature for the maximum growth of Stephanodiscus might be due to the resource competition with other phytoplankton and centric diatom standing crop can be suppressed by zooplankton grazing.

국문 초록 (Abstract)

강 생태계는 중요한 수자원으로서 인류는 활용 목적에 따라 다양한 형태로 강 생태계를 이용하고 이를 위해 강 시스템의 물리적 변형이 이루어지기도 한다. 이와 같은 하천의 물리적인 변형은 강 생태계에서 이화학적인 환경요소와 생물학적인 요소의 동반적인 변화를 가져오게 되었다.
본 연구는 이와 같은 낙동강의 물리적 변형에 따른 낙동강 본류에서의 식물플랑크톤과 이·화학적 요인의 공간적 분포의 변화와 낙동강에서 우점하는 규조류 Stephanodiscus의 군집동태를 밝히고자 수행하였다. 낙동강 본류에서 6개 조사지점 (왜관; RK 194, 고령; RK 157, 적포; RK 112, 남지; RK 75, 하남; RK 63, 물금; RK27, RK; 낙동강 하구둑으로부터 조사지점까지의 거리)을 선택하여 2주 또는 4주간격으로 현장조사를 수행하였으며, 각 조사지점의 식물플랑크톤 동정 및 개체수를 계수하였다. 낙동강에서 식물플랑크톤의 공간적 분포에 영향을 미치는 요인을 조사하기 위해 각 지점에서의 유량 및 유속의 변화에 따라 식물플랑크톤 군집의 변화에 관한 연구를 수행하였다. 그리고 매년 겨울철 우점하는 S. hantzschii의 수온에 따른 성장률 변화를 밝히기 위해 현장에서 채수한 원수로부터 분리한 S. hantzschii를 이용하여 배양 실험을 실시하였다.
본 논문은 총 4장으로 구성되어 있으며, 제 1장에서는 낙동강의 중류에서부터 하류에 이르기 까지 식물플랑크톤 중 규조류 군집의 변화 패턴을 분석하였으며 이러한 변화의 원인을 밝히기 위한 분석을 수행하였다. 제 2장과 3장에서는 낙동강의 플랑크톤 군집의 장기 현장조사의 결과를 토대로 중류에서 하류에 이르기까지 플랑크톤 군집의 동태와 이?화학적 요인과의 상관성을 다양한 통계적 기법을 활용하여 분석하였으며 그 결과를 바탕으로 하여 수문학적인 요인의 계절적 변화의 폭이 큰 낙동강에서 효율적인 수자원 관리를 위한 방안을 모색하였다. 제 4장에서는 낙동강에서 매년 겨울 대량번성으로 수처리 시설의 여과지 막힘현상을 초래하여 수처리 비용을 증가시키는 등의 문제를 야기하는 규조류인 S. hantzschii 가 서로 다른 수온에서의 성장률을 알아보기위한 실험실 실험을 수행하였다.
조사결과 모든 조사지점에서 규조류가 전체 식물플랑크톤 군집의 60% 이상의 점유율로 분포하는 것으로 조사되었으며, S. hantzschii/식물플랑크톤 비가 왜관 0.31, 고령 0.39, 적포 0.50, 남지 0.56으로 낙동강의 하류에 근접 할수록 규조류 S. hantzschii의 상대풍부도가 증가하는 것으로 나타났으며 유속은 하류로 갈수록 느려지는 것으로 조사되었다. 이러한 결과로 미루어 규조류 S. hantzschii는 수체의 유속에 의해 성장에 영향을 받는 것으로 사료된다. 통계적 기법을 이용한 분석 결과에서, 동물플랑크톤의 식물플랑크톤에 대한 포식압은 낙동강 중류에서 하류로 이동할수록 점진적으로 증가하였다. 그리고 각각의 동물플랑크톤과 식물플랑크톤 군집은 중류에서 하류에 근접할수록 강하게 그룹화 되는 것으로 판단되며, 특히 식물플랑크톤 군집은 규조류에 의해 크게 그 천이가 지배되는 것으로 사료된다. 식물플랑크톤 생체량과 수문학적 요인간의 시계열적인 분석의 결과, 특정 시점의 식물플랑크톤 그 시점에서의 수문학적 변화에 지배적으로 영향을 받음과 동시에 약 6~7개월 이전의 수문학적인 변화에 의해서도 큰 영향을 받을 수 있는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는, 하계에 집중되는 강우량을 다목적 댐과 낙동강 하구둑을 이용하여 효율적으로 관리하여, 매년 저수온기의 규조류의 심각한 대량 번성 현상을 임의적으로 조절할 수 있는 방안을 모색하기 위한 기초 자료로서의 충분한 가능성을 내포하고 있는 것으로 사료된다. 물금 조사현장에서 분리한 S. hantzschii의 균주를 이용한 배양실험은 각각 다른 수온 (4, 10, 15, 20℃)에서 단기 배양실험을 실시하였다. 배양실험의 결과 수온이 10℃일때의 S. hantzschii의 성장률이 가장 높은 것으로 밝혀졌다.
본 연구의 결과를 종합하여 볼 때, 낙동강의 플랑크톤 생태는 강의 유속, 유량과 같은 물리적인 변화에 의해 크게 지배 받는 것으로 해석이 가능할 것으로 판단된며, 나아가 조절강의 특성을 나타내는 낙동강에서 유량이 적은 계절의 특정 플랑크톤의 번성현상과 부영향화 현상은 상류에 위치한 대형 다목적 댐과 하류의 하구둑의 효율적인 유량 관리방법의 적용으로 저감할 수 있을 것으로 사료된다.
앞으로 본 연구의 결과를 바탕으로 낙동강의 수자원 관리를 위한 효율적인 유량 조절을 위해 플랑크톤 군집과 수문학적 요인간의 관계를 이용한 생태적 모델에 관한 연구가 이루어져야 할 것으로 보이며 이와 함께 저수온기의 식물플랑크톤 대량 번성현상의 원인 규명을 위한 심도있는 연구도 동반되어 수행되어야 할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Phytoplankton community dynamics were studied from 2004 to 2006 with two and four weeks interval at mid to lower part of the Nakdong River (Waegwan; RK 194, Goryeong; RK 157, Jukpo; RK 112, Namji; RK 75 and Hanam; RK 63: RK; distance from the Estuarine Barrage), South Korea. Annual averages of water temperature was about 16℃, and dissolved oxygen was ranged between 10.0 and 11.5 ㎎ ℓ-1 (percent saturation, 106.5 to 112.8%). Diatoms were dominant group with over 60% of phytoplankton abundance in all study sites (Waegwan; 64%, Goryeong; 69%, Jukpo; 73%, Namji; 79%, and Hanam; 83%). However, the occasional dominances of other groups such as green algae and blue-green algae were observed from March to October. Stephanodiscus hantzschii was dominant species and the relative abundances were high at all study sites (48-72%). The ratio of S. hantzschii/total phytoplankton abundance were showed a clear increasing tendency toward the estuarine barrage: i.e. 0.31 at Waegwan, 0.39; Goryeong, 0.50; Jukpo, 0.56; Namji, 0.60; Hanam. The results of this study provide the information that the phytoplankton community structure in a regulated river system is basically affected by the physical properties such as water velocity and retention time, resulting in single species dominance by the stagnancy of river flow.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER I Spatial Dynamics of Diatom Community in the Mid to Lower Part of the Nakdong River, S. Korea = 1
• Abstract = 2
• Introduction = 4
• Materials and Methods = 6
• Results = 8
• Discussion = 14
• References = 16
• CHAPTER II Principal Components Analysis (PCA) of Plankton Community in the Nakdong River, S. Korea = 19
• Abstract = 20
• Introduction = 22
• Materials and Methods = 25
• Results = 31
• Discussion = 45
• References = 49
• CHAPTER III Time-Series Relationship between Hydrology and Phytoplankton Biomass in a Regulated River (Nakdong River) using Multivariate Autoregression (MAR) = 54
• Abstract = 55
• Introduction = 56
• Materials and Methods = 58
• Results = 63
• Discussion = 70
• References = 72
• CHAPETR IV The Effect of Water Temperature on Proliferation of Winter Diatom, Stephanodiscus hantzschii in the Nakdong River, S. Korea = 77
• Abstract = 78
• Introduction = 79
• Materials and Methods = 81
• Results = 85
• Discussion = 92
• References = 96
• Appendix = 101
• 국문요약 = 108