Comparisons of Korean Red Pine Tracheid Lengths Collected from Anmyeondo and Sokwang-ri

안면도와 소광리 소나무 가도관 길이 비교

서정욱

^†

·엄창득

¹

접수일(2017년 1월 23일), 수정일(2017년 2월 3일), 채택일(2017년 2월 8일)

Comparisons of Korean Red Pine Tracheid Lengths Collected from Anmyeondo and Sokwang-ri

Jeong-Wook Seo

^†

and Chang-Deuk Eom

¹

Received January 23, 2017; Received in revised form February 3, 2017; Accepted February 8, 2017

ABSTRACT

The lengths of tracheids in Korean red pines from Anmyeondo (AMD) and Sokwang-ri (SKR) were compared to verify a difference according to the growing provinces. For the study two plots (Age classes V and IX) at each province were selected and increment cores (∅12 mm) were extracted from three dominant red pines at each plot. The incre- ment cores were cut year by year considering ealy- and latewood and then macerated in Schurz solution to obtain tracheids. The measurement of tracheid length were fulfilled using 30 tracheids per early- and latewood in each year. For the statistical analysis we only used the measurement data from the mature wood. The correlations between inter- annual tracheid-length variations of early- and latewood within the same experimental trees were statistically significant. However the correlations between inter-annual tra- cheid-length variations of early- and/or latewood in experimental trees were not sta- tistically significant. AMD9EW had the longest tracheid length (3.92±0.25 mm), and then AMD9LW (3.86±0.16 mm), AMD5EW (3.78±0.25 mm), AMD5LW (3.71±0.21 mm), SKR9LW (3.48±0.12 mm), SKR9EW (3.34±0.13 mm), SKR5LW (3.30±0.17 mm), SKR5EW (3.16±0.18 mm) were followed. Therefore it was concluded that red pines in AMD have longer tracheids than in SKR. The results could be used to select the most appropriate raw material for the specific pulp and paper products.

Keywords: Tracheid length, Korean red pine, pulp property, mature wood

• 충북대학교 목재·종이과학과(Dept. of Wood and Paper Science, Chungbuk National University, Cheongju, Chungbuk, 28644, Republic of Korea)

1 국립산림과학원 임산공학부(Dept. of Forest Products, National Institute of Forest Science, Seoul, 02455, Republic of Korea)

† 교신저자(Corresponding Author): E-mail: [email protected]

Printed in Korea http://dx.doi.org/10.7584/JKTAPPI.2017.02.49.1.18

1. 서 론

국내 지류 생산량은 2014년 현제 세계 5위이다. 하지 만 제지 생산에 사용되는 펄프의 자급률은 20% 정도이 기 때문에 국산 목재에 대한 잠재적 요구량은 매우 높 다. 2015년 현재 우리나라 산림의 ha당 임목축적은 146 m

³

로 치산녹화 원년인 1973년의 11.3 m

³

보다 약 12.9배 증가하였지만, 임업선진국인 뉴질랜드(392 m

³

), 스위스 (353 m

³

), 슬로베니아(346 m

³

) 보다는 매우 낮다.

¹⁾

결 국, 국내의 ha당 임목축적을 임업선진국까지 향상시킬 수 있다면 잠재적 국산목재 요구량은 상당히 충족될 것 이다.

소나무는 국내 전체 산림에 35.8%를 차지하는 주요 침 엽수이며,

²⁾

국내 열기계펄프(thermomechanical pulp, TMP)의 주요 원료로 이용되고 있다. 국내 소나무 목재 의 91.8%는 가도관으로 구성

³⁾

되어 있다. 따라서 가도관 길이에 대한 정보는 종이의 질을 예측하는데 중요한 기 초자료가 된다. 섬유장(fiber length) 증가가 종이의 지 합, 인장 및 인열강도, 내절도 등에 기여하는 바가 크며, 특히 인열강도와 내절도 증가에 미치는 영향이 매우 크 기 때문이다. 국내에서 재질이 우수한 소나무 생산지는 주로 동부 산간지역에 위치하고 있다. 서부지역에서는 충청남도 태안군 안면도가 대표 지역이다. 금강형이라 불리는 동부 산간지역 소나무는 곧은 수간에 좁은 수관 을 갖고 있으며, 높은 지하고를 갖고 있다.

⁴⁾

반면 안면도 소나무는 곧은 수간에 평평한 수관을 갖고 있는 외형적 특징을 갖고 있다.

침엽수의 가도관 길이는 수령증가에 따라 증가하다 약 20년 이후부터 안정화 된다.

^5,6)

처음 20년에 해당하는 미성숙재는 가도관 길이가 짧을 뿐만 아니라 세포벽 S2 층의 마이크로피브릴 경사각이 성숙재에 비해 크기 때문 에 섬유방향으로의 수축률이 증가하는 해부학적 원인이 되기도 한다. 따라서 미성숙재가 적은 목재를 사용하는 것이 펄프 생산이나, 구조재 생산에 유리하다.

가도관 길이를 근거로 미성숙재와 성숙재를 구분하는 방법은 다양하다.

⁷⁾

국내에서는 다중회귀식을 이용하여 잣나무(Pinus koraeinsis), 낙엽송(Larix leptolepis), 편백(Chamaecyparis obutsa)을 대상으로 미성숙재와 성숙재를 구분한 연구 사례

^8,9)

와 그래프를 이용한 육안 구분 사례

^10,11)

가 있다. 다중회귀식이 육안 구분 방법보다 정확한 방법이나, 성숙재 부분의 길이에 따라서 곡선의

기울기가 달라져 미성숙재와 성숙재의 경계가 달라질 수 있다. 또한 복잡한 계산식을 사용해야 함으로 쉽게 활용 하기 어렵다.

국산재 활용에 대한 관심과 지원은 매년 증가하고 있 다. 이러한 환경 속에서 제지뿐만 아니라 목재산업을 더 욱 활성화하기 위해서는 사용자가 요구하는 국산재를 생 산하고, 제공해야 할 것이다. 그러기 위해서는 목적에 맞는 목재 생산지를 밝혀야 할 것이다. 본 연구의 주요 목적은 국내에서 펄프의 주재료인 소나무가 생육지에 따 라 가도관 길이에 차이가 존재하는지 밝히는 것이다. 유 사한 위도에서 동·서간 차이를 비교하고자 안면도와 소 광리를 연구지역으로 선정하였다. 연구를 통해 구축된 지역별 가도관 길이 데이터는 특정 펄프 또는 제지 생산 에 적합한 소나무 생산지 선발에 중요한 기초자료가 될 것이다. 수목의 영급(수령)에 따른 차이도 확인하기 위 해 영급별 비교도 함께 수행하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 시료정보 및 채취방법

충청남도 태안군 안면도(AMD)와 경상북도 울진군 소 광리(SKR)를 연구지로 선정하였으며, 임상도를 참고하 여 소나무 5영급과 9영급 임분(stand) 하나씩을 각 연구 지에서 선발하였다. 가도관 길이 측정에 사용될 생장편 (increment core)은 각 임분에서 우세목 3본을 선발하여 채취하였다(Table 1). 안면도 5영급(AMD5)에서 선발된 소나무의 평고는 36.3 cm와 10.8 m이며, 9영급(AMD9) 은 44.7 cm와 16.7 m였다. 소광리 5영급(SKR5)과 9영 급(SKR9)에서 선발된 소나무의 평균 흉고직경은 31.7 cm와 42.3 cm로 안면도의 동영급 임분에 비해 모두 작 았으며, 수고의 경우는 SKR5가 14.7 m로 AMD5보다 높 은 반면, SKR9는 14.6 m로 AMD9보다 낮았다.

생장편 채취는 흉고높이(DBH: diameter at breast

height)에서 직경 12 mm 생장추(increment borer)를

이용하여 실시하였다. 생장편 채취 시 압축이상재를 피

하기 위해 경사지에 위치한 소나무는 등고선 방향에서

시료채취를 실시하였다.

¹²⁾

생장편에서 관찰되는 평균 연

륜 수는 AMD9가 97.3(±1.2)개로 가장 많았으며, 다음

으로 SKR9가 77.0(±20.4)개, SKR5가 48.0(±2.6)개,

AMD5가 47.0(±2.6)개 순이었다(Table 1).

2.2 실험 방법

2.2.1 시료준비

연륜의 생성 연도와 조재 및 만재를 고려한 가도관 길 이 측정을 위해 칼날을 이용하여 모든 생장편을 연도별 조재와 만재로 분리하였다. 정확한 분리를 위해 실체현 미경으로 연륜경계와 조재 및 만재를 확인하면서 실시하 였다. 준비된 시료의 해리를 돕기 위해 칼날을 이용하여 모든 절편들을 섬유방향으로 얇게 재단하였다.

2.2.2 해리 및 가도관 길이 측정

해리를 위해 재단된 절편들을 바이얼(vial)에 넣고 Schurz 용액에 48시간 담가두었다. 48시간 이후에는 해리되지 않은 절편이 완전히 해리 될 때까지 Schurz 용 액과 절편이 담겨있는 바이얼을 100°C의 수조에 담그고, 수시로 흔들어 주었다. 해리가 완료된 후에는 가도관들 을 증류수로 세척하였으며, 화상분석 프로그램을 이용한 길이 측정을 위해 Methylene blue로 염색하였다. 측정 은 해리 과정에서 손상되지 않은 가도관 30개를 대상으 로 실시하였다. 측정된 30개의 평균값을 각 연륜의 조재 와 만재 가도관 길이의 대표치로 사용하였다.

¹¹⁾

2.2.3 미성숙재와 성숙재 구분

모든 공시목에서 성숙재 부분인 최근 30년(1984- 2013년)간의 연륜에서 측정된 가도관 길이를 성숙재의

기준으로 정하였다. 가도관 길이 측정은 조재와 만재로 나누어 실시하였다. Eq. 1과 같이 수(pith)에서 형성층 (cambium) 방향으로 각 연도의 가도관 길이(TLi)가 최 근 30년(1984-2013년)년에서 측정된 가도관 길이의 평 균치(Ave(30y))에서 표준편차(Std)를 뺀 수치보다 크거 나 같기 시작한 연륜을 성숙재의 시작으로 정하였다.

MV: when TLi ≥ Ave(30y) - Std [1]

MV: 성숙재(mature wood), TLi: i 연도 가도관 길이, Ave(30y): 최근 30년(1984-2013년)간 가도관 길이 평균, Std: 표준편차.

2.2.4 상관분석 및 t-test

연간 발생하는 가도관 길이의 변동 패턴이 동일 임분 내에서 임목에 따라 차이가 있는지를 확인하기 위하여 상관분석을 실시하였다. 상관분석 시 조재와 만재를 구 분하여 실시하였다.

지역 또는 영급에 따라 가도관 길이에 차이가 존재하 는지 확인하기 위하여 t-test를 실시하였다. 상관분석과 동일하게 조재와 만재를 구분하여 t-test를 하였다.

모든 통계분석은 가도관 길이가 안정화 되는 성숙재 를 대상으로 실시하였으며, 활용 프로그림은 SAS(9.4) 이다.

Table 1. Experimental tree species (Pinus densiflora) from Anmyeondo in Taean-gun, Chungc- heongnam-do, and Sokwang-ri in Uljin-gun, Gyeongsangbuk-do

Site ID No. of tree rings DBH* (cm) Height (m) Latitude & longitude

Anmyeondo

AMD5-1 45 37 10.0 36°30′50.87″ N

AMD5-2 46 39 10.5 126°21′27.34″ E

AMD5-3 50 33 12.0

AMD9-1 96 46 16.0 36°33′10.54″ N

AMD9-2 98 44 16.5 126°22′20.58″ E

AMD9-3 98 44 17.5

Sokwang-ri

SKR5-1 47 33 19.2 36°59′58.17″ N

SKR5-2 46 31 13.9 129°12′0.58″ E

SKR5-3 51 31 11.0

SKR9-1 93 39 15.0 37°01′21.07″ N

SKR9-2 54 46 13.5 129°10′21.86″ E

SKR9-3 84 42 15.3

*DBH: diameter at breast height.

3. 결과 및 고찰

3.1 성숙재와 미성숙재 구분

동일 지역의 동일 임분 내에서 성숙재가 개시되는 연 도는 조재와 만재에 따라서 차이가 있는 것으로 확인되 었다(Table 2). 대부분의 임분에서 조재와 만재의 성숙 재 개시는 1-2년 차이가 있는 것으로 조사되었으나, SKR9는 5년의 차이가 있는 것으로 조사되었다. 지역간 동일 영급에서 성숙재가 개시되는 연도의 비교에서는 5 영급인 AMD5는 12-13년 이후부터 성숙재가 형성되고, SKR5는 12-14년 이후부터 성숙재가 형성되고 큰 차이 가 없었다. 반면, 9영급인 AMD9는 13-15년 이후부터 성숙재가 형성되고, SKR9는 22-27년 이후부터 성숙재 가 형성되어 큰 차이를 보였다(Fig. 1).

미성숙재와 성숙재 구분을 위하여 수령 증가에 따른 가도관 길이 변화를 근거로 다양한 모델

⁸⁾

이 개발되었다.

이러한 모델은 복잡한 계산식으로 되어 있어 효율적 활 용이 어렵고, 성숙재 부분의 길이에 따라 곡선의 기울기 가 변할 수 있는 단점이 있다. 기본 통계분석을 근거로 개발한 본 방법은 활용이 용이할 뿐만 아니라 성숙재 부 분에 30개 이상의 연륜만 확보되면 동일한 조건에서 모 든 목재에 적용이 가능하기 때문에 관련 연구 활성화에 기여할 것으로 기대된다.

3.2 가도관 길이의 연간변동 패턴

동일 임분 내 조재와 만재 가도관의 연간변동 패턴을 비교한 결과 모든 임분에서 유의성 있는 상관관계(p<

0.01)가 확인되었다(Table 3). AMD05와 AMD09 조재 가도관의 연간변동 패턴에서도 유의성 있는 상관관계 (r=0.42, p<0.01)를 보였으나, 만재 가도관의 연간변동 패턴에서는 유의성 있는 결과를 보이지 않았다. AM- D9LW와 SKR5LW에는 유의성 있는 음의 상관관계(r=

-0.35, p<0.05)를 보였다. 안면도와는 달리 소광리에서 는 영급간 조재 또는 만재 가도관의 연간변동 패턴에서 어떠한 유의성 있는 결과를 보이지 않았다.

영급이나 임분의 위치는 다르지만 임분의 생육환경에 큰 차이가 없는 경우 동일한 환경에서 자란 수목의 연륜 폭 변동 패턴은 매우 유사하다.

¹³⁾

연륜연대학에서는 이 러한 원리를 이용하여 과거 환경 변화를 복원하는데 연 륜폭 자료를 활용하고 있다.

¹⁴⁾

연륜폭과는 달리 가도관 의 연간 길이 변동은 환경요소 변화보다는 수목의 생물 학적 특성에 의해 결정되는 것으로 판단된다.

3.3 가도관 길이 비교

동일한 영급 내에서 조재의 가도관 길이와 만재의 가 도관 길이를 t-test로 비교한 결과 안면도는 차이가 없 으나, 소광리는 유의성 있는 차이가 존재였다(Table 4).

이와는 달리 동일한 연구지에서 영급간 t-test에서는 안 면도의 경우 유의성 있는 차이가 있었으나, 소광리는 SKR5LW와 SKR9EW에서 차이가 없는 것으로 나타났 다. 전체적으로 안면도 지역 가도관 길이와 소광리 지역 가도관 길이는 통계적으로 유의성 있는 차이가 있었다.

T-test 결과를 근거로 각 연구지의 성숙재 가도관 길 이를 길이 순서로 정리하였다(Table 5). AMD9EW가 3.92±0.25 mm 가장 길었으며, 다음으로 AMD9LW (3.86±0.16 mm), AMD5EW(3.78±0.25 mm), AMD5LW(3.71±0.21 mm), SKR9LW(3.48±0.12 mm), SKR9EW(3.34±0.13 mm), SKR5LW(3.30±

0.17 mm), SKR5EW(3.16±0.18 mm) 순이었다. 모든 성숙재 부분에서 안면도 소나무의 가도관 길이가 소광리 소나무의 가도관 길이보다 긴 것으로 분석되었다. 이러 한 차이는 두 지역간 지리적 특성에 따른 결과로 판단되 며, 정확한 원인 분석을 위해서는 기후와 지형 특성이 고려된 추가 연구가 수행되어야 할 것이다.

Table 2. Average (Ave) and standard deviation (Std) of tracheid lengths between 1984 and 2013 and the beginning years of mature wood (Ymw)

AMD5 AMD9 SKR5 SKR9

EW LW EW LW EW LW EW LW

Ave 3.81 3.74 3.96 3.85 3.20 3.34 3.36 3.50

Std 0.45 0.37 0.37 0.31 0.28 0.29 0.30 0.25

Ave-Std 3.35 3.37 3.59 3.54 2.93 3.05 3.06 3.25

Ymw 1976 1975 1929 1927 1976 1974 1947 1942

Fig. 1. Inter-annual variations of tracheid length (EW: earlywood, LW: latewood).

Table 3. Correlation matrix between individual inter-annual tracheid-length variations

AMD5 (n=37) AMD9 (n=83) SKR5 (n=37) SKR9 (n=66)

EW LW EW LW EW LW EW LW

AMD5 EW 1.00 0.68** 0.42** 0.24 0.07 -0.06 0.23 -0.09

LW 1.00 0.29 0.20 0.24 0.05 -0.06 -0.04

AMD9 EW 1.00 0.31** 0.16 -0.05 0.01 -0.10

LW 1.00 -0.12 -0.35* 0.16 0.16

SKR5 EW 1.00 0.56** -0.15 -0.04

LW 1.00 -0.12 -0.22

SKR9 EW 1.00 0.36**

LW 1.00

n: the number of tree rings in the mature wood, *p<0.05, **p<0.01, p: probability.

Table 4. T-test matrix between individual inter-annual tracheid-length variations

AMD5 AMD9 SKR5 SKR9

EW LW EW LW EW LW EW LW

AMD5 EW - 1.03

(df=72)

-2.28**

(df=118)

-2.06*

(df=119)

12.12**

(df=72)

9.71**

(df=72)

11.45**

(df=101)

8.13**

(df=101)

LW - -4.47**

(df=118)

-4.24**

(df=119)

12.17**

(df=72)

9.48**

(df=72)

10.88**

(df=101)

7.12**

(df=101)

AMD9 EW - 1.83

(df=165)

16.64**

(df=118)

13.87**

(df=118)

16.90**

(df=147)

13.14**

(df=147)

LW - 20.81**

(df=119)

17.22**

(df=119)

20.57**

(df=148)

15.59**

(df=148)

SKR5 EW - -3.34**

(df=72)

-5.84**

(df=101)

-10.46*

(df=101)

LW - -1.25

(df=101)

-6.24**

(df=101)

SKR9 EW - -5.91**

(df=130)

LW -

df: degree of freedom, *p<0.05, **p<0.01, p: probability.

Table 5. Order of tracheid lengths based on experimental plots and their averages (Ave) and standard deviations (Std) in the mature wood

AMD9 (n= 37) AMD5 (n= 83) SKR9 (n=37) SKR5 (n=66)

EW LW EW LW LW EW LW EW

Ave 3.92

= 3.86

> 3.78

= 3.71 3.48

> 3.34

= 3.30

> 3.16

Std 0.25 0.16 0.25 0.21 0.12 0.13 0.17 0.18

n: the number of tree rings in the mature wood.

4. 결 론

성숙재와 미성숙재 구분을 위하여 평균값과 표준편차 를 활용한 구분 방법을 개발하였다. 기본 통계분석 방법

을 근거로 개발한 본 방법으로 성숙재와 미성숙재를 쉽 게 구분할 수 있었다.

가도관 길이의 연간변동은 동일 지역의 동일 영급간

조재와 만재 가도관 길이 변동에서는 통계적으로 유의성

있는 상관관계를 보였으나, 영급간, 지역간 비교에서는 대체적으로 유의성 없는 것으로 확인되었다.

T-test를 이용하여 지역별 가도관 길이 비교한 결과, 안면도 소나무가 소광리 소나무보다 긴 가도관을 갖는 것으로 조사되었다. 길이별 비교에서는 AMD9EW가 가 장 긴 가도관(3.92±0.25 mm)으로 구성되어 있었으며, 다음으로 AMD9LW(3.86±0.16 mm), AMD5EW(3.78

±0.25 mm), AMD5LW(3.71±0.21 mm), SKR9LW (3.48±0.12 mm), SKR9EW(3.34±0.13 mm), SKR5LW(3.30±0.17 mm), SKR5EW(3.16±0.18 mm) 순이었다.

본 연구 결과는 목적에 맞는 제지 생산을 위한 소나무 원산지 결정에 기초자료로 활용될 것이다.

사 사

이 논문은 2014학년도 충북대학교 학술연구지원사업 의 연구비 지원에 의하여 연구되었음.

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