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동백나무의 개화특성 조사는 해당 수종이 30본 이상 생육하고 있는 강진 백련사, 여수 오동도, 장흥 천관산 (C1~C3)에서 수행되었으며, 꿀벌방화 특성, 화밀분비 및 생장특성 조사는 국립산림과학원 산림바이오소재연구소 (진주 소재) 소관 시험림 중 특수임산자원 생육 모니터링을 위해 1998년 2-1묘를 식재한 22년생 동백나무 집단에서 실시하였다 (S1, Fig. 1). 모든 조사는 주변 나무에 의해 피압되지 않고, 병·충해 피해를 받지 않은 건전목을 대상으로 실시하였다.

Fig. 1. 
Study sites of Camellia japonica for flowering periods in 2018~2020 (C1~C3) and nectar characteristics in 2021 (S1).

개화시기는 각 지역별로 5본의 조사목을 선정하고, 방위별로 3개의 가지를 선정한 후 전체 꽃 수 대비 개화한 꽃 수를 조사하여 일자별 평균 개화율을 계산하였다. 이후 개화율을 바탕으로 개화시기와 기간을 구하였는데, 누적 개화율 5% 이상을 개화시작기, 누적 개화율 40~80%를 개화최성기, 누적 개화율 95% 이상인 시기를 개화종료기로 구분하였다. 한편, 기상청의 월평균 기온자료를 이용하여 연도 간 개화시기 변이와 기온과의 상관성을 분석하였다.

꿀벌방화 빈도 조사는 개화가 40% 이상 이루어진 2021년 3월 9일~11일에 실시하였다. 집단 내에서 조사목 5본을 선정하고, 조사목별 꽃 한송이를 무작위로 선정하여 타임랩스 카메라 (MAC200C, Brino, Korea)를 설치해 꿀벌의 방화 특성을 촬영하였다. 타임랩스 카메라의 촬영 설정은 09:00~18:00까지 1초 간격으로 하였으며, 촬영된 사진을 분석하여 하나의 꽃 송이당 꿀벌 방화수, 방화 시간을 측정하였다.

화밀분비 특성 조사는 3월 22일~27일에 동백나무 4본을 대상으로 실시하였으며, 화분매개자에 의한 화밀의 손실을 방지하기 위해 미개화된 꽃봉오리에 미리 차단망 (25×35 cm)을 설치하였다. 화밀수집은 차단망 설치 익일 개화된 22개 꽃을 대상으로 개화 시작일부터 종료일까지 실시하였으며, 오전 (09:30~11:00), 오후 (15:30~17:00)로 1일 2회에 걸쳐 10~100 μL pipette을 이용하여 수행하였다. 수집된 화밀은 100 μL syringe를 이용해 정량하였으며, 휴대용 당도계 (GMK-703T, Giwonhitech, Korea)를 이용해 화밀당도를 측정하고 개화시점별 화밀당도의 변화를 조사하였다. 이후 유리당 및 아미노산 함량 분석을 위해 80% 에탄올 (v/v) 10배액을 첨가한 후, 0.45 μm centrifugal filter에 정제하여 냉동 (-20℃) 보관하였다.

유리당 함량은 HPLC (Dionex ultimate 3000, Dionex, USA)를 이용하여 분석하였다. 이동상은 3차 증류수로 유속 0.5 mL/min, 온도 80℃로 유지했으며, Aminex 87P column (Bio-rad, USA)을 사용하였다. Ri-101 detector (Shodex, Japan)로 검출한 후, 함량은 적분계에 의한 외부표준법으로 계산하였으며 (linear regression equation, R²>0.999), 표준품으로는 Sucrose, Glucose, Fructose, Galactose (Sigma Aldrich, USA)를 사용하였다.

수집된 화밀을 O-phthalaldehyd (OPA)-Fluorenylmethyl chloroformate (FMOC) 유도체화하여 아미노산을 분석하였 다. Borate buffer, OPA/Mercaptopropionic acid (MPA), FMOC 시약에 시료를 단계적으로 혼합한 다음, HPLC (1200 series, Agilent Technologies, USA)를 이용하여 분석하였다. 이동상은 10 mM Na₂HPO₄, 10 mM Na₂B₄O₇·10H₂O가 포함된 A용액 (pH 8.2)과 Water : Acetonitrile : Methanol를 10 : 45 : 45 비율로 혼합된 B용액에 대하여 A용액 : B용액으로 초기 100 : 0 (v/v,%)에서 26~28분에 55 : 45, 28~30.5분에 0 : 100, 30.5분부터는 100 : 0으로 구배 조건을 설정하였다. 유속 1.5 mL/min에서 1 mL를 주입하였으며 column 온도는 40℃로 유지하였고, 사용된 컬럼은 Inno column C18 (Innopiatech, Korea)이다. 자외선 검출기는 338 nm로 설정하였고, 형광 검출기를 이용하여 OPA 유도체는 방출 파장 450 nm, 여기 파장 340 nm, FMOC 유도체는 방출 파장 305 nm, 여기 파장 266 nm에서 분석했다.

조사지역 내 동백나무 30본을 대상으로 수고 (m), 근원경 (cm), 수관 폭 (m) 등 생장특성을 조사하였으며, 주지 수, 주지당 꽃 수를 이용하여 본당 꽃 수를 추정하였다.

꿀 생산량 추정은 평균 화밀분비량 (μL/flower), 단위용량당 유리당 함량 (μg/μL), 본당 꽃 수, Petanidou (2003)가 제시한 honey potential을 이용하여 다음과 같이 계산하였다.

Honey production (g/tree)= secreted nectar volume (μL)×Free sugar content (μg/μL)×number of flowering×honey potential* (1.15)*honey potential=sugar content : honey=85 : 100

또한, 조사목의 평균 수관 폭을 고려하여 ha당 생육가능 본수를 산출해 ha당 꿀 생산량 (kg/tree)을 추정하였다.

조사된 자료는 SPSS program (Statistical Package for Social Science, ver. 18)을 이용하여 분석하였다. 시간대별 꿀벌 방화 수와 온도 간 상관관계는 Spearman 상관분석을 이용했으며, 시점별 화밀분비량, 조사목 간 화밀분비량 및 유리당 함량을 비교하기 위해 분산분석 (One-way ANOVA test)를 실시하고, 유의성이 인정되는 경우 Tukey의 다중검정을 실시하였다. 또한, 오전과 오후에 분비되는 화밀량은 t-test를 이용해 비교하였다.

동백나무 자생지 3집단 (C1~C3)에서 2018년부터 2020년까지 3년간 개화시기 및 온도 데이터를 조사한 결과를 각각 Table 1과 Table 2에 나타내었다. 2018년 동백나무의 개화기간은 평균 3월 6일부터 4월 17일까지로 약 42일이었고, 개화최성기는 3월 16일부터 4월 6일로 조사되었다. 한편, 2020년도에는 평균 2월 21일부터 4월 16일까지 약 54일간 개화하였으며, 개화최성기는 3월 6일부터 4월 3일로 조사되어 차이를 나타냈다. 2018년 대비 2020년의 개화기간 차이를 살펴보면, 개화시작일은 14일, 개화최성기는 약 10일 앞당겨졌으며, 개화일수는 14일이 늘어났다. 이러한 결과는 2018년 대비 2020년의 1, 2월의 평균기온이 3.4~4.5℃ 높아짐으로 인해 나무의 생육이 빨리 시작되어 개화시작이 빨라진 것으로 생각된다 (Table 2). 식물의 개화는 온도, 일장, 습도 등 다양한 환경요인에 영향을 받으나, 그중에서도 온도의 영향이 가장 크다는 연구가 지속적으로 밝혀지고 있다 (Menzel and Fabian, 1999; Schwartz and Reiter, 2000). Lee (2011)는 1960년~2007년의 기상자료를 이용하여 개화시기 변동을 분석한 결과, 겨울철 평균기온이 1℃ 상승할 때마다 개화시기가 약 3.3~5.4일이 빨라진다고 하였다. 이를 바탕으로 본 연구에서 나타난 동백나무 개화시기의 변동은 겨울철 높은 기온에 기인한 것으로 판단된다.

꿀벌의 먹이활동에 적합한 온도는 일반적으로 10~40℃이며 (Abou-Shaara, 2014), 평균 6.57℃에서 꿀벌의 방화가 시작되어 20℃에서 가장 왕성한 활동을 보인다고 보고된 바 있다 (Tan et al., 2012). 또한, Woyke et al. (2003)은 10℃에서 꿀벌 먹이활동이 시작되는데, 12℃에 달하면 10℃보다 약 10배 왕성한 활동을 한다고 보고하였다. 본 연구에서 동백나무 꽃이 만개하는 시기인 3월~4월의 일 최고온도가 18.1℃에 달하며, 일 평균온도 10℃ 이상인 날이 20일 이상 되는 점을 고려할 때 동백나무는 우리나라 남부 지방에서 이른 봄철 꿀벌의 먹이자원으로 충분히 이용 가능한 것으로 보인다.

타임랩스 카메라를 이용하여 5개 꽃에서 일자별 평균 꿀벌 방화 수를 조사한 값은 Fig. 2와 같다. 꿀벌 방화는 3일 모두 09:00~10:00 사이에는 방화하지 않았고, 13:00~14:00에 가장 활발했으며, 14:00 이후로는 점차 감소하는 경향을 보였다. 한편, 꿀벌은 외부온도에 민감하게 반응하여 먹이활동 등 방화수에 영향을 받는다고 보고되었으나 (Abou-Shaara, 2014), 본 연구에서는 하루 동안의 꿀벌방화 패턴과 기온 간의 유의미한 상관관계는 나타나지 않았다 (p>0.05). 꿀벌의 방화는 온도 이외에도 풍속, 습도, 광도 등 기후환경에 영향을 받으며, 꽃의 개화단계, 개화량 및 개화시점 등 생물적 요소에 따라서도 차이를 나타낸다 (Szabo, 1980; Kirk et al., 1995; Mattu et al., 2012). 뿐만 아니라, 화밀 특성과 관련하여 화밀분비량과 유리당 함량은 꿀벌 방화와 정의 상관을 나타낸다고 보고되었다 (Pedersen, 1953; Kropacova and Haslbachova, 1970; Widrlechner and Senechal, 2015). 결론적으로, 3월 이후 일일 평균기온이 상승함에 따라 동백나무에서 꿀벌 방화가 관찰되는데, 시간대별 꿀벌 방화수와 온도와의 상관관계는 성립하지 않았으며, 이는 온도 이외의 환경요인이나 개화 및 화밀특성이 관여한 것으로 판단된다.

Fig. 2. 
Characteristics of honeybee visits and temperature by measurement time. Bar graph represent the mean±SE (n=5 flower). ^zNumber of honeybees/flower/hr. ^yVisiting time/flower (sec), Measurement time: 9 (09:00~10:00)~17 (17:00~18:00).

동백나무의 꽃 하나당 하루 동안의 꿀벌 방화수는 일자별로 평균 21.2~29.0마리로 조사되었고, 꿀벌 방화시간은 최소 30.5~59.6초의 범위를 나타냈다. 1일 평균 꿀벌 방화 수는 아까시나무 화서당 372마리, 피나무류 화서당 290~488마리, 광나무 개화지당 220마리, 때죽나무 개화지당 160마리와 비교할 때 다소 적었다 (Han et al., 2009; Han et al., 2010; Kim et al., 2014a; Kim et al., 2015). 그러나, 각 수종별로 개화지당 꽃 수, 화서당 꽃 수, 꽃의 구조 등 형태적 특성이 다르고, 조사지역 간 지리적 여건 (봉군의 유무 및 꿀벌밀도), 개화시기, 기후요인 등이 따라 달라지기 때문에 수종 간 직접적인 비교는 어렵다. 본 연구는 주로 동박새, 직박구리에 의한 조매화 수종으로 알려진 동백나무에서 이른 봄철 꿀벌의 방화가 관찰되어 먹이자원으로 이용 가능하다는 점을 확인했다는 데 의의가 있다.

동백나무의 개화는 꽃잎이 일부 열려 수술의 관찰이 가능한 단계 (stage 1), 꽃잎이 완전히 열려 화분이 분출되는 단계 (stage 2), 꽃잎이 변색되며 탈락하는 단계 (stage 3)로 구분할 수 있다 (Fig. 3). 화밀의 분비는 개화 1단계부터 이루어졌으며, 개화 3단계까지 약 5일이 소요됐으나 화밀은 개화 직후 3.5일 동안만 분비되었다 (Fig. 4). 동백나무의 꽃 하나당 화밀분비량은 평균 357.1±99.7 μL를 나타냈는데, 시점별 화밀분비량은 3.6~118.5 μL 범위를 나타내어 명확한 차이를 나타났다 (F_{(6, 147)}=25.145, p=0.000). 특히, 오전에 전체 화밀량의 93.4±6.2% (331.7±88.2 μL)가 분비됐으며, 오후는 전체 화밀량의 6.6±6.4% (25.5±24.6 μL)만 분비되어 동백나무의 화밀분비는 주로 오전에 이루어짐을 확인할 수 있었다 (t=41.752, p=0.000). 한편, 화밀당도는 19.2~21.4 Brix로 화밀분비량과 상관없이 비교적 일정하게 유지되었다 (r=-0.500 p=0.253).

Fig. 3. 
Developmental stages of flower. Stage 1: some petals are opened to allow the observation of stamen, Stage 2: petals are fully opened and the blow away the pollen, Stage 3: petals are discolored and faded.

Fig. 4. 
The nectar secretion pattern and concentration of by measurement time (n=22). Bars indicate standard deviation. *One-way ANOVA test with Tukey’s multiple comparison test (p<0.05). M: Morning (9:30~11:00), AF: Afternoon (15:30~17:00).

동백나무 꽃 22송이로부터 조사된 총 화밀분비량은 174~611 μL로 변이가 매우 크게 나타났으나, 빈도분석을 실시한 결과 300~400 μL 범위에 가장 많이 분포하고 있었으며, 정규분포를 따르는 것으로 조사되었다 (p=0.405, Fig. 5). 한편, 조사목 간 일자별 화밀분비량 비교를 위해 One-way ANOVA 분석을 실시한 결과 개화 2일차에서는 다소 차이가 있는 것으로 조사되었으나, 전체 화밀분비량은 차이가 없었다 (Table 3). 이러한 결과는 시점별 또는 일자별 화밀분비량은 변이가 크게 나타났음에도 불구하고, 꽃 하나에서 분비되는 총 화밀량은 차이가 없다는 것을 의미한다.

우리나라 주요 밀원수종의 화밀분비량이 아까시나무 2.2 μL/flower, 밤나무 평균 26.8 μL/catkin, 헛개나무 4.2 μL/flower 임을 고려하면 동백꽃의 화밀분비량은 매우 높음을 알 수 있다 (Han et al., 2008; Han et al., 2010; Kim et al., 2017).

Fig. 5. 
Analysis of the frequency of total nectar volume of Camellia japonica.

화밀분비량, 화밀당도를 비롯하여 화밀 내 유리당 구성은 화분 매개곤충의 유인에 영향을 미치는 요소로 알려져 있다 (Baker and Baker, 1983; Cnaani et al., 2006). 동백꽃의 화밀을 수집하고, HPLC를 이용하여 화밀 내 유리당 함량을 분석한 결과는 Table 4와 같다.

동백나무 화밀의 단위용량당 유리당 함량은 평균 166.6±19.5 μg/μL로 공시목 간 유의미한 차이는 없었고, 다만 전체 화밀 중 유리당이 약 15~18% 정도 함유되어 있음을 알 수 있었다.

꽃 하나당 화밀분비량 (μL/flower)과 단위용량당 유리당 함량 (μg/μL)을 이용하여 꽃 하나당 유리당 함량 (mg/flower)을 산출한 결과 평균 62.7±20.6 mg으로 나타났으며, 조사목 간 유의한 차이는 나타나지 않았다 (p=0.528). 우리나라 주요 밀원수종의 꽃 하나당 유리당 함량은 아까시나무 0.86 mg/flower, 이나무 (♂) 1.7 mg/flower, 쉬나무 (♂) 0.48 mg/flower, 밤나무 0.49~1.40 mg/flower임을 고려할 때 동백나무 꽃 하나당 유리당 함량은 매우 높은 것으로 나타났다 (Kim et al., 2014b; Kim et al., 2017; Kim et al., 2020; Kim et al., 2021).

유리당 구성 중 sucrose/hexose 비율은 화분매개자 유인에 영향을 미치는 요소이다. 동백나무 화밀은 sucrose 함량이 94.3±5.7%로 매우 높게 나타난 반면, hexose (glucose+fructose)의 함량은 5.8±5.7%에 불과했다. Baker and Baker (1982)는 S/H ratio에 따라 sucrose-dominant (ratio>1.0), sucros-rich (0.5~1.0), hexose-rich (0.1~0.5), hexose-dominant (ratio<0.1) 등 4개 등급으로 구분한 바 있는데, 동백나무의 S/H ratio 값은 1 이상이므로 sucrose-dominant 등급에 속했다. 일반적으로, sucrose 함량이 높은 화밀은 꿀벌을 포함한 긴 혀를 가지는 화분매개자 (long-tongue pollinator)들이 선호하는 반면, hexose 함량이 높은 화밀은 파리 등 짧은 혀를 가지는 화분매개자 (short-tongue pollinator)들이 선호하는 것을 볼 때 (Baker and Baker, 1983), 동백나무는 양봉산업의 생산자에 해당하는 꿀벌이 선호하는 유리당 구성을 가지는 것으로 판단된다.

아미노산은 화밀의 맛을 결정하는 요소로서 화분매개자의 방문을 결정하는 중요한 역할을 한다 (Pacini and Nepi, 2007). 동백나무 화밀에는 총 22종의 아미노산이 21.8±9.3 mg/L 함유되어 있었으며, 함량비는 glutamine (29.0%), glutamic acid (19.8%), arginine (7.1%) 순으로 나타났다 (Fig. 6). de Groot (1953)은 꿀벌 체내에서 합성하거나 다른 아미노산으로부터 전환될 수 없어 반드시 화밀과 화분으로부터 섭취해야 하는 꿀벌의 10가지 필수 아미노산에 대해 보고하였는데, 전체 아미노산 함량 중 필수 아미노산이 각각 1~4% 정도 필요하다고 하였다. Hendriksma et al. (2014)은 꿀벌은 일반적으로 비필수 아미노산보다 필수 아미노산을 선호하는 경향이 있으며, 1 unit의 아미노산을 수집하기 위해 84 unit의 유리당을 포기하는 경우도 있다고 보고하였다. 이와 관련하여 동백나무 화밀에는 필수 아미노산 10종이 모두 함유되어 있으며, 전체 아미노산 구성 중 31.9%를 차지하였다. 이를 종합적으로 고려할 때, 2~3월 월동에서 깨어난 꿀벌이 활력을 되찾는 과정에서 필요한 필수 아미노산과 당분을 제공한다는 점에서 동백나무는 매우 유용한 밀원수종으로 판단된다.

Fig. 6. 
The composition of amino acid in floral nectar of Camellia japonica. GABA: Gamma-aminobutyric acid.

조사집단 내 동백나무 30본을 대상으로 생장특성을 조사한 결과는 Table 5와 같다. 동백나무의 평균 수고는 4.6±0.7 m, 흉고직경은 11.1±1.8 cm, 수관폭은 3.0±0.4 m였으며, 2 cm 이상 주지 수는 16.4±4.0개, 주지당 꽃 수는 29.6±9.0개로 본당 꽃 수는 475±274개였다.

본 연구에서 조사된 꽃 하나당 유리당 함량 (62.7 mg)과 본당 꽃 수 (475개)를 이용하여 동백나무의 본당 꿀 생산량(g/tree)을 산출한 결과, 약 34.3 g으로 나타났다. 또한, 동백나무 수관 폭을 고려하여 ha당 1,100본 (3×3 m)을 식재한다고 가정할 경우 약 37.7 kg/ha의 꿀 생산이 가능할 것으로 추정된다.

대표적 밀원수인 아까시나무의 꽃 하나당 유리당 함량은 0.86 mg, 본당 꿀 생산량은 525 g으로 보고된 선행연구 (Kim et al., 2021)와 본 연구를 비교하면 동백나무가 꽃 하나당 유리당 함량 (62.7 mg)은 더 높았으나 본당 꿀 생산량 (34.3 g)은 낮았는데, 이는 동백나무 본당 꽃 수 (약 475개)가 아까시나무 (약 53만 개) 대비하여 현저히 적기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 수종별 꿀 생산량은 화밀분비량 및 유리당 함량뿐만 아니라 개화량을 종합적으로 고려해야 할 것으로 보인다. 다만, 수종별 개화량은 나무의 연령과 식재밀도, 생육환경, 기후 등 여러 요인에 의해 달라지기 때문에 보다 많은 지역에서 연도 간 반복을 둔 장기적인 조사가 필요하다. 또한, 아까시나무의 꿀 생산량을 추정한 선행연구는 조사구 내 개체의 수령이나 생육특성에 대한 정보 부족으로 ha당 꿀 생산량을 정밀하게 산출하기 어려워 본 연구결과와 직접적인 꿀 생산성 비교는 어려울 것으로 판단된다.