서 론
인간활동으로 인하여 연안 해역의 환경오염 및 수산 자원의 남획 등이 발생하였고, 1980년 이후 연근해 수산 자원이 고갈되어지고 있다. 우리나라에서는 수산자원을 보호하고 관리하기 위하여 생태 기반 조성을 위한 인공 어초 시설과 직접적인 자원 조성을 위해 종묘 방류를 기본으로 하는 바다목장 사업을 적극적으로 수행하여 왔다. 우리나라는 1998년 통영을 시작으로 바다목장화 사업을 시범적으로 실시하였고, 최근에는 연안 소규모 바다목장화 사업으로 확대하여 활발하게 진행되고 있다 (Lee et al., 2012; Yoon et al., 2015).
바다목장은 수산자원의 보존 및 육성하는 것을 목적 으로 인공어초 주변에 수산자원을 집중시켜 생산효과를 높이고, 수산자원의 산란 및 서식장을 제공한다. 인공어 초 주변에는 조피볼락, 쥐노래미, 돔류, 쏨벵이 등과 같 이 암반 주변에 정착하여 서식하는 어류와 강도다리, 넙치 등과 같이 연안의 저층에 서식하는 어류가 주로 서식하고 있으며 (Yoon et al., 2015), 인공어초 주변에 서식하는 대표적인 어종은 조피볼락이 있다. 조피볼락 은 쏨뱅이목 (Scorpaeniformes) 양볼락과 (Famaily Scorpaenidae) 에 속하는 어류로 우리나라의 전 해역과 일본 북해도 이남, 중국 북부의 수심이 낮은 연안의 암초지대에 서식 한다 (Park et al., 2007). 최근에는 과학어군탐지기를 이 용한 음향기법으로 바다목장에 서식하는 어류의 밀도 및 현존량을 평가하는데 많이 사용하고 있다 (Fabi and Sala, 2002; Kang et al., 2008; Oh et al., 2010; Kang et al., 2011a; 2011b). 이 방법은 기초적으로 대상 생물에 대한 초음파산란강도 (Target strength, TS)가 명확하게 규명되어야 한다.
조피볼락의 음향산란특성에 대한 연구는 Kang and Hwang (2003)과 Mun et al. (2006)에 의해서 수행되었 다. Kang and Hwang (2003)은 주파수 38과 120 kHz를 이용하여 가두리 내에서 자유유영하는 개체의 체장-TS 의 관계를 파악하였고, Mun et al. (2006)은 주파수 70과 120 kHz를 이용하여 현수법으로 체장-TS를 계측하였 다. 어류의 TS는 유영자세각, 주파수, 체장, 수심 순으로 큰 영향을 받고 유영자세각의 영향이 가장 크기 때문에 유영자세각의 변화에 따른 TS를 관측하는 것이 가장 중요하다 (Hazen and Horne, 2003; Kang et al., 2004). 과거에 조피볼락의 음향산란특성에 관한 연구는 체장과 TS 관계에만 초점을 맞추었으나, TS는 유영자세각의 변 화에 가장 많은 영향을 받기 때문에 체장과 TS의 관계식 을 명확히 하기 위해서는 먼저, 유영자세각에 대한 TS를 측정하고, 대상생물의 유영자세각을 고려한 후 체장 변 화에 따른 TS 관계식을 구하여야 한다.
따라서 본 연구에서는 실험적인 방법 가운데 현수법 과 이론적인 방법인 음향 모델을 이용하여 조피볼락의 유영자세각과 체장 의존성에 따른 TS값의 변동량을 분 석하였다.
재료 및 방법
실험 대상어
본 실험에 사용된 조피볼락은 전라남도 여수시에 위 치한 활어 수산회사에서 살아 있는 개체를 구입하여 아 이스박스 안에 아이스 팩을 함께 넣어 수온을 서식장소 와 유사하게 맞춘 후 안전하게 실험장소로 수송하였고, 샘플해 온 조피볼락은 사육수조 (∅=5 m, H=1 m)에 2~3일 순치하였다. TS 측정시에 사육수조에서 순치된 조피볼락을 기포가 유입되지 않게 유의하며 한 마리씩 해수와 함께 샘플 양동이 (∅=30 cm, H=40 cm)에 넣어 해수음향수조로 투입하였다.
음향 시스템 구성 및 자료 분석
조피볼락의 TS 실험은 2016년 9월부터 10월 동안 전 라남도 여수시 전남대학교 수산과학연구소 내에 위치한 해수음향수조 (L5 m × W5 m × H5 m)에서 수행하였다.
실험에 사용된 음향 시스템은 주파수 38, 70, 120 kHz 의 계량어군탐지기 (EK60, Simrad, Norway)이었고, TS 계측 전에 각 주파수에 알맞은 구리 보정구를 이용하여 시스템의 교정을 실시하였다. 실험에 사용된 조피볼락 은 TS 측정 전에 마취제 (MS-222)를 이용하여 움직임을 둔화시킨 후 두 가닥의 낚시 줄을 각각의 바늘에 꿰어 조피볼락의 주둥이와 꼬리에 연결하고, 추가 달린 긴 낚시줄의 양쪽으로 연결하여 조피볼락이 진동자 아래 3.5~4.0 m 사이에 위치하도록 고정하였다 (Fig. 1).
조피볼락의 유영자세각은 해수음향수조 측면에 위치 한 수중카메라 (T-water-7000DX, WIRELESS TSUKAMOTO, Japan)로 관측함과 동시에 신호발생기 (WF1944A, NF Electronic Instruments, Japan)에 비디오 캡쳐 카드 (VCE-Pro, ImperX, USA)를 연결하여 신호발생기에서 구형파 트리거 신호를 만든 후, 펄스 간격을 0.5 sec의 외부 트리거 모드로 구동시켜 약 1˚ 간격으로 변화하는 유영자세각의 영상 이미지를 컴퓨터에 저장하였다. 또 한 계량어군탐지기의 펄스 간격도 0.5 sec 간격으로 설 정하여 조피볼락의 유영자세각 이미지와 동기화하였다.
취득한 TS의 자료는 후일에 실험실에서 음향분석소 프트웨어 (Echoview Ver. 4.7, Echoview Software Pty Ltd, Australia)를 사용하여 재생하였고, single target detection 기능으로 추출하였다. 조피볼락의 유영자세각 은 ImageJ 소프트웨어 (ImageJ, US National Institutes of Health, USA)를 이용하여 측정하였다. 실험에 사용된 조피볼락은 총 14개체로, 전장은 25.8~29.5 cm, 습중량 은 232.3~424.8 g의 범위이었다.
음향산란이론 모델
조피볼락의 TS를 계산하기 위하여 Kirchhoff-ray mode (KRM) 모델식 (Clay and Horne, 1994)을 이용하였다. KRM 모델은 어류의 부레와 체형을 실린더 혹은 원뿔 모양 으로 근사하여 이들의 부피의 합으로 계산할 수 있다. KRM 모델에 사용된 조피볼락은 현수법 실험에 이용한 동 일한 개체로 실험시의 자연 상태와 유사하기 유지되도록 드라이아이스와 알코올을 이용하여 급속 냉동을 시킨 후 냉동 보관하여 실험실로 운반하였다. KRM 모델로 TS를 계산하기 위해서는 대상 어류의 체형과 부레의 체형 좌표, 몸체의 음속, 밀도, 부레의 음속, 밀도 및 해수의 음속, 밀도 의 파라미터가 필요하다. 어류의 체형과 부레는 급속 냉동 시킨 어류의 측면과 배면을 Fig. 2와 같이 X-ray 촬영을 하였다. 촬영된 X-ray 사진은 디지타이징 소프트웨어를 이 용하여 어류의 측면과 배면을 몸체와 부레를 0.2 mm 간격 의 슬라이드로 나누어 체형 좌표를 묘사하였다. 또한 본 연구에서는 Clay and Horne (1994)의 연구 결과를 인용하 여 몸체의 음속은 1,570 m/s, 밀도는 1,070 kg/m3, 부레의 음속은 345 m/s, 밀도는 1.24 kg/m3, 해수의 음속은 1,490 m/s, 밀도는 1,030 kg/m3을 음향 모델에 적용하였다.
KRM 모델을 이용한 조피볼락의 TS 계산은 현수법에 사용한 38, 70, 120 kHz의 3주파수를 대상으로 자세각을 -60~60˚ 까 지 1˚ 간격으로 계산하였다. 또한 TS는 최댓값과 평균값을 평가하였으며, 평균값은 다음 식 (1)와 (2)에 나타 낸 바와 같이 일반적인 어류의 평균 자세각과 표준편차를 각각 -5˚, 15˚ 로 가정하여 확률밀도함수 (Probability density function, PDF)로 구하고, 1˚ 마 다 계산된 각 자세각의 TS는 산란단면적으로 바꾸어 자세각 -5±15˚ 의 확률밀도함수와 각각을 곱한 후 그 합으로 평균 TS를 계산하였다.
여기서, σ(θ)는 각 유영자세각별 θ에서 후방산란단 면적, f(θ)는 각 유영 자세각별의 출현빈도를 나타낸다. 또한 조피볼락의 체장에 따른 TS 관계식은 다음 식 (3) 으로 표현할 수 있다. 식 (3)은 반사강도가 체장의 제곱 에 비례한다고 가정하여 나타낸다.
여기서, TL 은 체장 (cm), TScm 는 체장변환계수를 나타낸다.
결과 및 고찰
X-ray로 촬영한 조피볼락 부레의 각도는 18~30˚ 로 평균값은 26˚, 표준편차는 4˚ 로 양의 값을 가지고, 조피 볼락의 체장과 부레와는 큰 상관성 (r2=0.05)은 나타나 지 않았다 (Fig. 3). Lee et al. (2010)은 제주바다목장에 서식하는 쏨뱅이, 참돔, 호박돔, 쥐치, 황놀래기를 X-ray 촬영하여 체형 및 부레의 형태를 관측하였고, 어종마다 체형 및 부레의 형태가 다르다는 결과를 보고하였다. 또한 표· 중층어류 뿐만 아니라 정착성 어류의 부레 각도 는 양의 값을 나타내는 것을 알 수 있었다 (Kloser and Horne, 2003; Yusuma et al., 2010; Hwang et al., 2012; Hwang, 2015; Hwang et al., 2015).
조피볼락의 유영자세각 -60~60˚ 변화에 따른 주파수 38, 70, 120 kHz에 대한 현수법과 모델 TS를 Fig. 4에 나타내었다. 본 실험에서 사용한 조피볼락 14개체 가운 데 유영자세각과 TS 관계는 체장이 제일 작은 개체 (No. 2, TL= 25.8 cm)와 큰 개체 (No. 10, TL= 29.5 cm)를 대상으로 표현하였다. 여기서, 조피볼락의 유영자세각 은 수평일 때 0˚ 이고, 머리 아래 방향일 때 마이너스 (-)이며, 머리가 윗 방향일 때 플러스 (+)를 나타낸다. 현수법으로 측정한 TS값이 -60~60˚ 사이의 모든 각도에 측정되지 못하였기 때문에 현수법으로 측정한 유영자세 각을 기준으로 모델 TS값과 비교하였다.
No. 2 조피볼락 (부레의 기울기: 18˚ )의 유영자세각 -40~48˚ 에서 주파수 38 kHz의 현수법 TS값은 -47.8 ~-35.5 dB, 모델 TS값은 -57.2~-35.1 dB (R2=0.63)이었 고, 유영자세각 -34~21˚ 에서 주파수 70 kHz의 현수법 TS값은 -58.5 ~ -34.7 dB, 모델 TS값은 -46.2 ~ -33.9 dB (R2=0.64)이었으며, 유영자세각 -11~55˚ 에서 주파수 120 kHz의 현수법 TS값은 -52.5~ -40.9 dB, 모델 TS값 은 -59.5 ~ -36.5 dB (R2=0.26)이었다 (Fig. 4(a)). No. 10 조피볼락 (부레의 기울기: 30˚ ) 의 유영자세각 -50~47˚ 에서 주파수 38 kHz의 현수법 TS값은 -47.0~-30.4 dB, 모델 TS값은 -54.5 ~ -33.0 dB (R2=0.02)이었고, 유영자 세각 -54~44˚ 에서 주파수 70 kHz의 현수법 TS값은 -55.8~-32.5 dB, 모델 TS값은 -61.2~ -33.0 dB (R2=0.28) 이었으며, 유영자세각 -52~47˚ 에서 주파수 120 kHz의 현수법 TS값은 -53.4~-32.2 dB, 모델 TS값은 -63.9~-32.5 dB (R2=0.06)이었다 (Fig. 4(b)). 현수법과 모델 TS값은 주파수가 높아지고, 대상 생물의 체장이 클수록 유영자세각에 따른 TS의 상관성이 낮아지는 경 향을 보였다. 조피볼락 14개체의 유영자세각 변화에 따 른 주파수별 TS를 Fig. 5에 표현하였다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이 유영자세각에 따라 TS 자료의 분산이 주파수 가 높아질수록 넓게 나타났고, 유영자세각별 평균 TS값 도 주파수가 높을수록 패턴이 복잡하였다. 또한 유영자 세각별 평균 TS값은 주파수 38 kHz의 경우 유영자세각 -17˚ 에서 -35.9 dB, 주파수 70 kHz의 경우 유영자세각 -25˚ 에서 -35.4 dB, 주파수 120 kHz의 경우 유영자세각 -22˚ 에서 -34.9 dB로 가장 높았다. 조피볼락의 부레 평균 각도 (±표준편차)는 18±4˚ 이었고, 유영자세각 -25~-17˚ 에서 평균 TS값이 높게 나타난 것으로 부레의 각도가 수평이 될 때 높은 TS값을 보이는 경향을 나타내었다. 부레를 가진 어류의 TS값은 부레에서 90% 이상 영향을 받고, 부레는 몸의 체축에 양의 기울기를 가지고 있어 어류에 입사파와 부레 사이의 각도의 직각이 될 때 즉 어류의 유영자세각이 음의 기울기를 가질 때 최대 TS값 을 나타낸다. 따라서 본 연구에서도 부레의 각도가 수평 이 될 때 높은 TS값이 나타나게 된다.
본 연구에서 TS 측정에 사용한 조피볼락의 체장은 25.8~29.5 cm이고, 체장 범위가 3.7 cm로 협소하여 측정 개체의 평균 체장에 대한 최대 TScm와 평균 TScm를 식 (3)을 이용하여 계산하였다. 조피볼락의 주파수 38 kHz 에 대한 최대 TS는 현수법에서 -36.5~ -30.4 dB, 모델에 서 -36.0 ~ -31.8 dB이었고, TScm는 현수법과 모델 각각 -63.0, -62.9 dB이었다. No. 1 조피볼락은 유영자세각별 TS자료가 부족하여 No. 1 조피볼락을 제외하고 평균 TScm를 계산하였고, 평균 TS는 현수법에서 -40.2 ~ -3 5.7 dB, 모델에서 -38.9 ~ -3 6.2 dB으로 TScm는 현수법 과 모델 각각 -67.1, -66.4 dB이었다.
주파수 70 kHz에 대한 최대 TS는 현수법에서 -40.5~-28.4 dB, 모델에서 -37.0~-31.1 dB이었고, TScm 는 현수법과 모델 각각 -62.5, -62.6 dB이었다. 평균 TS 는 현수법에서 -47.0~-37.6 dB, 모델에서 -40.2 ~ -3 6.3 dB으로 TScm는 현수법과 모델 각각 -68.6, -67.0 dB이었 다. 주파수 120 kHz에 대한 최대 TS는 현수법에서 -41.6~-29.9 dB, 모델에서 -36.0~-30.5 dB이었고, TScm 는 현수법과 모델 각각 -63.3, -62.2 dB으로 나타났다. 평균 TS는 현수법에서 -47.6~-36.5 dB, 모델에서 -40.1~-36.3 dB으로 TScm는 현수법과 모델 각각 -69.9, -67.0 dB이었다 (Fig. 6과 Fig. 7). 현수법과 모델로 평가 한 최대 TScm와 평균 TScm의 상관계수 (r2)는 0.95로 상 당히 높은 값을 보였다 (Fig. 7).
Kang and Hwang (2003)은 주파수 38 kHz와 120 kHz 를 이용하여 정사각형 가두리 (L0.5 m ×W0.5 m ×H0.5 m)에서 자유유영하는 조피볼락 (TL=10.61~19.95 cm)의 TS 를 측정하였고, 주파수 38 kHz는 TS38kHz= 20log(TL)-67.7, 주파수 120 kHz는 TS120kHz=20log(TL)-74.3으로 나타났다. Mun et al. (2006)은 주파수 70과 120 kHz를 이용하여 현수법으로 조피볼락 (TL=17.5~32.0 cm)의 TS를 측정 한 결과, 주파수 70 kHz는 TS70kHz= 20log(L)-71.29, 주파수 120 kHz는 TS120kHz=20log(TL)-66.88으로 나타났다. TScm는 주파수 38 kHz와 70 kHz의 경우, 본 연구와 Kang and Hwang (2003), Mun et al. (2006)의 결과와 유사하게 나타났으며, 주파수 120 kHz의 경우 본 연구와 Mun et al. (2006)의 결과는 유사하였으나, Kang and Hwang (2003)의 결과보다는 약 4 dB 높았다.
또한 주파수 120 kHz에 대한 Mun et al. (2006)과 Kang and Hwang (2003)의 TScm는 약 7 dB의 차이를 보였다. 이것은 Kang and Hwang (2003)은 조피볼락을 가두리에 넣고 자유롭게 움직이는 개체에 대한 TS를 측정하였고, Mun et al. (2006)은 조피볼락을 낚시 줄로 고정하여 Kang and Hwang (2003)의 연구보다는 유영자 세각의 변화가 작았을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 현수법과 음향모델을 이용하여 유영자 세각을 고려한 주파수 38, 70, 120 kHz에 대한 조피볼락 (TL=25.8~29.5 cm)의 TS를 파악하였고, 추후에는 체장 의 범위를 다양하여 TS의 자료를 수집해야 할 것으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 음향을 이용하여 조피볼락의 밀도 및 현존량을 파악하기 위한 기초 자료로 다중 주파수 38, 70, 120 kHz를 이용하여 조피볼락의 유영자세각 및 체 장 변화에 따른 TS를 측정하였다. 조피볼락의 TS는 현 수법과 음향모델을 함께 사용하여 자료의 신뢰성을 향 상시켰다.
조피볼락의 부레 각도는 18~30˚ 로 평균값과 표준편차 는 각각 26±4˚ 이었다. 유영자세각별 평균 TS값은 주파 수 38 kHz의 경우 유영자세각 -17˚ 에서 -35.9 dB, 주파수 70 kHz의 경우 유영자세각 -25˚ 에서 -35.4 dB, 주파수 120 kHz의 경우 -22°에서 -34.9 dB로 가장 높은 값을 나타내었다.
조피볼락의 평균 체장에 대한 평균 TScm는 현수법과 모델에서 주파수 38 kHz의 경우 각각 -67.1, -66.4 dB, 주파수 70 kHz의 경우 각각 -68.6, -67.0 dB, 주파수 120 kHz의 경우 -69.9, -67.0 dB이었다. 또한 평균 TScm 뿐만 아니라 최대 TScm를 현수법과 모델로 평가한 결과 상관 계수 (r2)가 0.95로 상당히 높은 값을 나타내었다.
