Coastal food web structure and its function along climatic zones: Case studies in Ganghwa salt marsh, Saemangeum tidal flat, the mangrove forest in Pear River Estuary, and Marian Cove in Antarctica

Abstract

연안에 집중된 인간 활동은 생태학적 가치가 높은 다양한 연안 서식지 환경을 변화시키고 기능을 감소시켰다. 그러나, 다양한 요인에 의해 발생된 연안 서식지 환경 변화에 대한 생물들의 생태학적 반응 연구는 여전히 부족한 실정이다. 서식지 환경 변화가 연안 생물에게 미치는 생태학적 영향은 연안 먹이망 구조와 기능의 평가를 통해 확인할 수 있다. 따라서 연안 먹이망 구조와 기능 연구는 생태학적 가치가 높은 다양한 연안 서식지의 보존과 관리에 사용될 수 있다. 본 연구는 탄소 및 질소 안정동위원소비 분석을 기반으로 한국 염습지 갯벌, 남중국 맹그로브 숲, 남극 연안에서 다양한 요인(퇴적물 특성, 식생 분포, 댐 방류수 영향, 빙하 및 해빙의 분포 변화)에 따른 시·공간적 서식지 환경 변화에 대해 먹이망 구조와 기능의 변화를 평가하였다. 본 연구의 목적은 1) 생태학적 가치가 높은 연안 서식지의 먹이망 구조와 기능을 밝히고, 2) 연안 서식지 환경 변화에 대한 생물의 시·공간적 생태 반응을 평가하는 것이다. 또한, 3) 연안 서식지에서 관찰된 탄소 및 질소 안정동위원소비 자료를 비교해 기후대별 연안 먹이망의 특성(먹이원 다양성 및 인위적 활동의 영향 정도)을 규명하는 것에 있다. 온대지역의 한국 염습지 갯벌과 열대지역의 남중국 맹그로브 숲은 지난 세기 동안 진행된 간척 사업으로 심각하게 훼손되었다. 따라서, 효율적인 연안 서식지 보존 관리를 위해 먹이망 구조와 기능에 대한 연구는 필수적이다. 이를 위해 한국의 대표적인 강화도 염습지에서 연구가 먼저 진행되었다. 강화도 염습지에 서식하는 저서생물의 탄소 안정동위원소비는 퇴적물 니질함량과 우점 염생식물(갈대, 칠면초)의 분포에 영향을 받는 것으로 나타났다. 퇴적물식자는 비식생 갯벌에서 저서미세조류 섭취가 증가했고, 염생식물 서식지에서는 13C 함량이 적은 유기물 섭취가 증가했다. 결과적으로, 서식지 환경의 특성(퇴적물 또는 염생식물)별로 다양한 유기물 분포가 한국 갯벌 먹이망 내 국소적 영양 흐름 변화를 야기함을 확인하였다. 세계 최장 방조제가 위치한 한국 새만금 갯벌에서는 방조제 배수갑문을 통해 배출되는 부영양 하수가 시·공간적 먹이망 역학에 미치는 영향을 확인하였다. 부영양 방류수 배출은 외측 갯벌 수·저층 환경의 영양염과 유기입자의 질소안정동위원소비 분포에 영향을 미쳤다. 이에 따라 배수갑문 근처 증가된 총질소 농도는 저서미세조류의 생물량 증가를 야기했으며, 저서생물의 저서미세조류 활용을 증가시켰다. 본 결과를 통해 인간 활동에 의한 환경 변화가 갯벌 먹이망 구조와 기능 변화에 영향을 준다는 것을 확인했다. 열대 지역 맹그로브 생태계 보전 및 관리를 위해 주강 하구에서 맹그로브 숲의 먹이망 구조와 기능을 평가한 결과, 우기에 주강 하구에 서식하는 어류의 영양 지위가 증가하는 것을 확인했다. 저서동물은 모든 계절에 지속적으로 좁은 영양 지위를 나타냈다. 두 소비자는 모두 계절에 따른 먹이원 활용 변화를 나타냈으며, 건기에 맹그로브 및 염생식물 기원의 유기물 활용이 증가했고, 우기에 수층 입자의 활용이 증가했다. 문헌 비교 결과 주강 하구 먹이망은 중국의 다른 염습지에 비해 가벼운 탄소 및 무거운 질소 안정 동위원소비 분포 특징을 보여 맹그로브 유래 유기물과 대도시 하수의 유입이 많다는 것을 확인하였다. 남극 연안 생태계는 기후변화에 따른 다양한 변화를 겪고 있으며, 특히 장기간에 걸쳐 나타나는 빙하와 해빙의 변화가 먹이망 역학에 미치는 영향은 대부분 파악되지 않은 실정이다. 따라서, 지구온난화에 따른 빙하 후퇴가 가장 심각한 남극 반도에 위치한 마리안 소만에서 먹이망 영양역학을 평가하였다. 마리안 소만 빙벽으로부터 거리에 따른 5개 정점에서 저서 및 표영성 소비자와 먹이원을 채집하였다. 빙벽 근처에서 먹이원부터 소비자까지 무겁게 나타난 탄소 안정동위원소비는 마리안 소만 환경이 빙벽과의 거리에 따라 이질성을 가진다는 것을 보여주었다. 또한, 마리안 소만 삿갓조개의 현재 먹이원 활용을 10년 전과 비교한 결과, 주요 먹이원이 저서미세조류에서 해조류로 변화함을 확인하였다. 문헌 비교 결과 서·동남극 연안에서 10년 이상 장기간 나타난 해빙 면적 감소 및 증가가 두 지역의 대조적인 먹이망 영양역학 변화를 만드는 것을 확인하였다. 따라서, 남극 연안 먹이원의 다양성 감소는 계속되는 기후 변화 상황에서 남극 해양생태계 전체에 위협을 가할 수 있음을 시사하였다. 기후대별 주요 연안 서식지 환경 변화에 대해 먹이망 내 저서 및 표영성 생물의 생태학적 반응(먹이원 활용 및 생태적 지위)을 종합 평가하였다. 열대 및 남극 연안 먹이망에서 관찰된 먹이원의 넓은 탄소 안정동위원소비 분포는 다양한 기원의 유기물이 유입되는 것을 확인시켜 주었으며, 이는 온대지역과 대조되는 특징을 보였다. 기후대별 연안 서식지 먹이망 구조 및 기능을 비교한 결과, 각 기후대에서 생산력이 높은 먹이원(식물플랑크톤, 저서미세조류, 맹그로브 등)이 연안 소비자의 먹이 활동에 크게 영향을 주는 것을 확인하였다. 반면, 각 연안 서식지 내에서는 계절적인 강우량 변화가 다른 요인(퇴적물 특성 및 식생의 분포 등)에 비해 생물의 먹이활동에 큰 영향을 주었다. 온대 및 열대 연안 서식지 먹이망에서 무겁게 (> 10 ‰) 관찰된 질소 안정동위원소비의 분포는 인간활동에 따른 하수 영향을 확인시켜 주었다. 반면 남극 먹이망은 가벼운 질소 안정동위원소비 분포를 보여, 남극 연안환경에서 인간활동 영향은 크지 않았다는 것을 확인시켜 주었다. 본 연구는 기후대별 다양한 연안 서식지 먹이망 영양역학의 변화 예측에 대한 통찰력을 제공하며 향후 연안 생태계 기반 관리 및 보존에 활용될 수 있음에 의의를 가진다.

Ecologically important coastal habitats have been severely degraded and destroyed by the cumulative pressures of anthropogenic activities combined with the effects of climate change. The effects of habitat degradation can be assessed through the ecological responses of organisms in the coastal food web. Food web studies can therefore be used for the conservation and management of coastal habitats. The present study used stable isotope analysis to investigate the food web responses to natural, anthropogenic, and climate change-driven environmental changes in four coastal habitats (salt marsh; tidal flat; mangrove forest; Antarctic coast) along the three climate zones. The objectives of the present study were 1) to reveal the overall structure of the food web, 2) to determine the spatiotemporal ecological responses of coastal organisms to environmental changes, and finally, 3) to characterise the coastal food web in terms of food diversity and anthropogenic impacts by comparing the stable isotope distributions along the climate zones. Salt marshes, tidal flats and mangrove forests have been severely degraded by reclamation projects in Korea and China over the past century. In order to better understand the food web structures and functions of such habitats, seasonal sampling was first conducted in Korean Ganghwa tidal flats with different habitat conditions (sediment bottom types and vegetation). Stable isotope analysis revealed that deposit feeders consumed more microphytobenthos (MPB) on bare sites, whereas they actively utilised 13C-depleted organic matter on vegetated sites. Altogether, the results suggest that the distribution of organic matter through habitat diversity can alter the trophic function of the tidal flat at mesoscale spatial scales. Second, the food web dynamics under eutrophic water discharge from a dike were elucidated in the Korean Saemangeum tidal flat. High total nitrogen concentrations near the water gates increased the biomass and production of MPB and its subsequent utilisation by benthos, revealing the indirect effect of water discharge on the food web function. The results showed that environmental changes caused by human activities have altered the structure and function of the food web in the Saemangeum tidal flat. In the torrid zone, the seasonal food web dynamics in the Pearl River Estuary (PRE) were elucidated by analysing the stable isotope signatures of diet and consumers. Fish had a large niche space during the monsoon summer, reflecting their increased trophic role. In contrast, benthos had consistent trophic positions across seasons. They used mainly plant organic matter in the dry season and particulate organic matter in the wet season. Literature reviews characterised the food web with a high contribution of mangrove-derived organic carbon and sewage input in the PRE. Compared to other coastal habitats, the Antarctic coast is experiencing intense impacts of climate change. However, the long-term responses of the food web to the ice dynamics remain unresolved. Stable isotope signatures of diet and organisms in the Antarctic coast revealed the influence of glacier and sea ice dynamics on the coastal food web. The δ13C enrichment near the glacier revealed environmental heterogeneity along the Marian Cove (MC) with meltwater intrusion. The primary diet of limpets shifted from microalgae to macroalgae with a decadal increase in macroalgal production due to increased light penetration and glacial nutrient input. Literature reviews revealed contrasting functional changes between the western and eastern Antarctic coasts with sea ice polarisation over a decade. These results warn of a future climate crisis in the simplified Antarctic coastal ecosystem. Overall, this series of studies has provided the first evidence of the ecological responses of organisms to environmental change in coastal habitats along the climate zones. The large δ13C distributions in the coastal food web in the torrid and frigid zones revealed the diverse origin of organic matter inputs in contrast to the temperate zone. Comparisons of the coastal food webs along the climate zones showed that spatial differences in primary production influenced the dietary priorities of consumers. In contrast, within coastal habitats, seasonal flooding strongly influenced the distribution of organic matter compared to other factors (i.e., sediment type and vegetation). Furthermore, the δ15N distribution in the food webs revealed the strong influence of anthropogenic discharges in the temperate and torrid habitats, but the influence was minor on the Antarctic coast. The present study provides comprehensive insights for predicting food web dynamics under increasing human impact and climate change, which can be used for future management and conservation of coastal habitats.