연륜고고학적 연구에 있어 곰솔의 연륜으로 작성된 산소동위원소 시계열 그래프의 활용 가능성 조사
Investigating the Potential of the Tree-ring δ18O Time Series of Pinus thunbergii in the Dendroarchaeological Study
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Abstract
연륜고고학의 주요 내용은 고목재에 있는 각각의 연륜에 정확한 연대를 부여하는 것이다. 각 연륜에 연도 부여가 가능한 것은 연륜폭으로 작성된 시계열 그래프(이하, 연륜폭연대기)의 패턴이 시기별로 독특하며, 동일 수종은 그 패턴을 공유하기 때문이다. 하지만 곰솔(Pinus thunbergii)은 다른 수종에 비해 연륜폭연대기 상호간 일치도가 낮아서 연대분석 활용에 어려움이 있다. 본 연구는 연륜의 폭을 대신하여 산소동위원소로 작성된 시계열 그래프(이하, 산소동위원소연륜연대기)의 패턴을 이용하여 연대분석을 할 경우 성공 가능성을 확인하기 위해 수행되었다. 연구를 위해 해안사구에서 생육하고 있는 곰솔 7본을 대상으로 연륜폭연대기와 산소동위원소연륜연대기를 작성하여 상호 비교하였다. 그 결과, 연륜폭연대기의 상호간 일치도는 통계적(t-value: 0.6~12.5 / G value: 38~70%)으로 큰 편차를 보여 연대분석 가능성에 한계를 나타냈다. 반면, 산소동위원소연륜연대기의 상호간 일치도는 통계적(t-value: 4.3~6.4 / G value: 77~84%)으로 뿐만 아니라, 시각적으로도 신뢰할 수 있는 결과를 나타내 연대분석의 가능성이 확인되었다. 이상의 결과를 기초로 연륜폭연대기로 연대분석이 어려운 곰솔로 제작된 목재유물의 경우 산소동위원소연륜연대기를 이용하여 연대분석을 수행한다면 성공 가능성이 크게 향상됨이 확인되었다.
Trans Abstract
The main content of dendroarchaeology is to assign the exact calendar year to each tree ring in archaeological wood. Each tree ring can be assigned a year because the pattern of ring-width time series (hereafter, ring-width chronology) is unique for each time period and the same tree species share the pattern. However, the lack of agreement between ring-width chronologies of Pinus thunbergii compared to other tree species makes it difficult to use the chronologies for dating. This study was conducted to verify the dating possibility of archaeological woods using tree-ring δ18O time series (hereafter, tree-ring δ18O chronology) instead of ring-width chronology. For the study, 7 P. thunbergii were selected from coastal dunes, and the ring-width and tree-ring δ18O chronologies were compared. The results showed that the agreement between ring-width chronologies were large statistical deviations (t-value: 0.6~12.5 / G value: 38~70%) as much as difficult for dating. On the other hand, the tree-ring δ18O chronologies showed reliable agreement between them as statistically (t-value: 4.3~6.4 / G value: 77~84%) and visually. Based on the results, it has been verified that the dating possibility of archaeological woods for P. thunbergii, which is a difficult tree species for dating in dendrochronology, can be greatly improved if the tree-ring δ18O chronology is applied.
1. 서 론
연륜고고학(dendroarchaeology)은 목재의 벌목, 운반, 가공 등에 이용된 정확한 시간 범위를 결정하고(Domínguez-Delmás, 2020), 각각의 연륜에 정확한 연대를 부여하는 연륜연대학의 하위 분야이다. 연륜(年輪, annual ring)은 1년에 생장기가 한 번인 지역에서 세포의 계절적인 생장 차이에 따라 형성되며, 연륜의 폭은 생육 당시의 환경 정보(예, 기후, 지형 등)를 반영하는 환경지시자(environmental indicator)로서의 역할을 한다(Schweingruber, 1996). 연륜폭이 환경 지시자로서의 역할을 할 수 있는 이유는 제한요소의 법칙(principle of limiting factor)에 따라 특정한 생육 환경 요소가 연륜의 폭을 결정하기 때문이다. 여러 생육 환경 중 기후는 매해 불규칙한 패턴으로 변하기 때문에 연륜폭 변동 패턴은 불규칙할 뿐만 아니라 시기별로 독특한 패턴을 갖게 된다. 이러한 특징을 기초로 고환경을 조사하는데 연륜폭의 시계열 패턴을 활용하고 있다(Douglass, 1919; Coulthard and Smith, 2013).
연륜을 이용한 연구를 위해서는 크로스데이팅(cross-dating)이 필수적으로 수행되어야 한다. 크로스데이팅은 각 연륜에 정확한 생성 연도를 부여하는 것으로, 생성 연도가 잘 못 부여된 연륜을 이용하여 연륜폭연대기를 만들 경우 시기별로 나타나는 독특한 패턴이 상쇄되어 연대기 패턴을 이용한 연대분석이 어려울 뿐만 아니라, 각 개체 연륜폭연대기에 포함된 환경정보도 잃게 되는 결과를 초래할 수 있기 때문이다(Fritts and Swetnam, 1989; Park, 2003). 따라서 크로스데이팅 수행은 연륜을 이용한 연구에서 필수조건이나 수목의 생육 특성상 환경변화에 대해 민감도가 낮게 되면 크로스데이팅 성공률이 떨어지는 문제가 있다.
Grissino-Mayer(1993)의 연구 결과에 따르면, 크로스데이팅에 적합한 수종의 수는 전 세계적으로 소나무 속(Pinus), 참나무 속(Quercus), 전나무 속(Abies) 순이었다. 우리나라에 분포하고 있는 소나무 속 중에서 소나무(Pinus densiflora)와 잣나무(Pinus Koraiensis)는 동일 장소 내에서 크로스데이팅이 잘 되는 수종으로 알려져 있으나, 곰솔(Pinus thunbergii)은 크로스데이팅 성공률이 낮은 수종으로 알려져 있다.
곰솔은 내염성(耐鹽性)이 강하고 해풍의 영향을 받을수록 더 잘 자라는 특성이 있다(Kim and Kil, 1983). 이러한 이유로 방조(防潮), 방풍(防風), 방사(防砂)의 목적으로 해안사구에 많이 조림하였다. 우리나라 전체 침엽수종 중 약 10% 정도를 차지하고 있으며(Korea Forestry Promotion Institute, 2017), 분포지역이 주로 해안에 국한되어 있다. 이러한 이유로 토양 발달이 미약하고 강한 바람 등 입지 환경의 영향으로 인해 위연륜(僞年輪, false ring)이 많고, 개체 간 생장 경향성도 다양한 것으로 알려져 있다. 국내에서 수행된 곰솔 연륜에 대한 연구에는 대기오염 물질(Kim and Fukazawa, 1997; Song et al., 2009)과 병충해에 의한 고사목의 일대기(Kim et al., 2015)를 분석한 사례가 있는데 연륜분석에서 중요한 크로스데이팅이 적용되지 않아 결과 해석에 주의가 필요하다.
곰솔은 전통적으로 해안지역의 목선, 목조 건축, 목공예품 등의 재료로 이용되었을 가능성이 크다(Korea Forest Research Institute, 2005; Park and Lee, 2009; Kim et al., 2021). 하지만, 목재해부학적으로 소나무(Pinus densiflora)와 뚜렷한 차이가 없어 목재해부학적 특징을 이용한 수종 구분이 아직까지 불가능하다. 또한 개체 간 생장 경향이 다양하여 곰솔의 연륜폭을 이용한 연대분석 사례는 아직까지 체계적으로 수행되지 못하고 있다.
연륜폭을 이용한 연구의 한계를 극복하기 위한 방법으로 안정동위원소(stable isotope)를 활용한 분석이 활용되고 있다(Roden, 2008). 주로 목재의 셀룰로오스에 결합되어 있는 탄소(C)와 산소(O) 동위원소를 통해 고기후 복원 및 환경 변화 연구에 이용되었지만(Rinne-Garmston et al., 2022), 최근에는 연대분석에 활용하는 사례가 증가하고 있다. 선행 연구에 따르면 연륜폭이 아닌 각 연륜에서 측정한 산소 안정동위원소 비(δ18O=16O/18O)를 통해 연대기를 작성(이하, 산소동위원소연륜연대기)하여 상호간 비교를 하면 연륜폭으로 작성된 연대기보다 상관관계가 높으며(e.g. Robertson et al., 1997; Saurer et al., 2008; Baker et al., 2015), 30∼50년 정도의 수목도 연대 부여에 가능성이 인정되었다(Loader et al., 2019). 또한 수종에 대한 제한을 크게 받지 않고, 활용 범위가 넓기 때문에 고목재 연대분석에 크게 기여하고 있다(Baker et al., 2015; Seo et al., 2017; Choi, 2019). 지금까지 국내에서 발표된 산소동위원소연대기 활용 연구에는 여러 수종 및 지역들에서 작성된 산소동위원소연륜연대기 상호간 일치도 확인 및 기후요소와의 관계를 분석한 사례가 있으며(Seo et al., 2017; Seo et al., 2019; Choi et al., 2020), 이들 논문을 통해 산소동위원소연륜연대기가 연륜고고학 및 기후학적 연구에 활용 가능함이 제시되었다.
본 연구에서는 연륜고고학에서 잘 다루지 않은 곰솔의 연대분석에 연륜폭연대기와 산소동위원소연륜연대기의 활용 가능성을 확인하고자 한다.
2. 재료 및 방법
2.1. 시료선정 및 채취
연구 지역은 충남 서천군 다사리에 발달한 해안사구의 곰솔림이며, 강한 침식으로 인해 급경사면이 발달해 있다(Figure 1). 시료채취를 위해 선정된 곰솔 7본은 급경사면에 위치한 사구의 남쪽 지역에서 바다 쪽에 접한 곳에 위치하였다. 시료채취 시 경사에 의한 압축이상재를 피하기 위해 경사와 직교하는 양방향에서 생장추를 이용하여 생장편 채취를 실시하였다. 채취 후 수목이 자연치유를 할 수 있도록 추가적인 약제처리를 하지 않았다. 곰솔과 같이 송진을 만들어 내는 수종은 수년이 지나면 상처를 완전히 피복하는 것으로 확인되었기 때문이다(Schweingruber, 1988).
Location of Seocheon in South Korea (A) and overview of the sampling site (B). (C) and (D) are the stands of Pinus thunbergii.
2.2. 연륜폭 측정
연륜폭 측정을 위해 모든 생장편을 U자형 홈이 있는 고정막대에 고정하였다(Figure 2). 고정 시 축방향가도관이 종축 방향으로 주행하도록 하였으며, 연륜 경계가 선명하게 보이도록 벨트사포로 연마하였다. 연륜폭은 실체현미경으로 경계를 확인하면서 0.01 mm 단위(LINTAB, RINNTECH, Germany)로 측정하였다.
Increment cores on wood sticks sanded using a belt sander (A) and ring-width measurement using a measurement system (B) (LINTAB, RINNTECH, Germany).
2.3. 산소동위원소 측정
산소동위원소연륜연대기는 연륜폭연대기 작성에 선발된 7본 중 3본을 대상으로 작성되었다. 연대기 작성은 각 연륜에 있는 셀룰로오스에서 측정되는 18O와 16O의 비율과 표준물질(VSMOW: Vienna Standard Mean Ocean Water)에서 측정되는 18O와 16O의 비율을 (eq. 1)과 같이 천분율로 계산한 시계열 그래프이다(Seo et al., 2017).
Rsample : 연륜의 셀룰로오스에서 측정한 18O/16O
Rstandard : VSMOW에서 측정한 18O/16O
셀룰로오스 추출을 위해 다이아몬드 휠이 달린 절삭기(Mecatome T180, PRESI, France)를 이용하여 두께 1 ㎜의 박편을 준비하였다. 준비된 박편은 Jayme-Wise 방법에 따라 화학처리를 실시하였다. 먼저, 아염소산나트륨(NaClO2) 용액에 박편을 침지하여 리그닌을 제거하고, 헤미셀룰로오스와 잔류 리그닌을 완전히 제거하기 위해 수산화나트륨(NaOH 17%) 용액에 침지시켰다. 마지막으로 증류수를 이용하여 진공세척을 실시하였다. 동위원소 측정을 위한 소시험편은 실체현미경으로 연륜의 경계를 확인하면서 무게 120-250 μg 정도를 준비하였다(Kagawa et al., 2015; Choi, 2019). 측정은 일본 인류자연과학연구원(Research Institute for Humanity and Nature)의 고온원소분석기(Thermal Conversion/Elemental Analyzer, Thermo Fisher Scientific, Germany)가 달려있는 질량분석기(Delta V Advantage, Thermo Fisher Scientific, Germany)로 실시하였다.
2.4. 크로스데이팅(Cross-dating)
각 연륜에 정확한 생성 연도 부여 및 개체 연륜연대기 상호간 일치도를 확인하기 위해 크로스데이팅을 활용하였다. 크로스데이팅 정도를 확인하기 위해 t-value와 G-value가 사용되었다. t-value(eq. 2)는 상관관계와 상호비교되는 연륜연대기 중첩 기간을 기초로 계산된 통계 값이며, G-value(Gleichläufigkeit)(eq. 3)는 연륜폭 시계열 변동 패턴 일치도를 백분율로 계산한 수치이다(Eckstein and Bauch, 1969; Buras and Wilmking, 2015). t-value와 G-value는 TSAP-WIN 프로그램(RINNTECH, Germany)을 이용하여 아래의 계산식으로 확인하였다(RINN, 2011).
r: 상관계수
N: 두 연륜폭연대기 간 중첩되는 연륜 개수
(xi+1 - xi) ≻ 0 : Gix = +1/2
(xi+1 - xi) = 0 : Gix = 0
(xi+1 - xi) ≺ 0 : Gix = -1
χi : i 연도의 연륜폭
χi+1 : i+1 연도의 연륜폭
Gix, Giy : 각 연대기의 연륜폭 패턴을 계산한 값
n : 두 연륜폭연대기 간 중첩되는 연륜 개수
비교 대상 간 중첩되는 연륜 수가 100개 이상일 경우, t-value≥3.5, G-value≥65%일 때 통계적으로 유의한 수준에서 크로스데이팅이 되었다고 판단한다(Baillie and Pilcher, 1973; Wigley et al., 1987; Pollens, 2010; Bernabei and Čufar, 2018). 하지만, 최종 판단은 육안으로 관찰되는 연륜연대기들의 패턴 일치도를 근거로 이루어졌다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 연륜폭연대기
곰솔 7본으로 작성된 각각의 연륜폭연대기 상호간 일치도가 확인되어 각 연륜에 생육 연도 부여에 성공하였다. 크로스데이팅의 성공 여부를 통계적으로 확인하기 위해 크로스데이팅에 성공한 연륜폭연대기들의 평균값으로 작성된 임분 연륜폭연대기와 개체 연륜폭연대기와의 t-value와 G-value를 확인하였다. 확인 결과, t-value는 3.9 이상이었으며, G-value는 45% 이상이었다. DSPT03과 07의 G-value는 각각 45%와 61%로 유의수준을 만족하지 못하였으나, t-value가 각각 10.4와 7.4로 다른 연륜폭연대기 보다 상대적으로 높게 확인되어 통계적으로도 크로스데이팅이 성공적이었음이 확인되었다. 하지만 개체 연륜폭연대기 상호간 비교에서는 지역 연륜폭연대기와의 비교에서 가장 낮은 t-value로 확인된 3.9보다 낮은 경우가 38%(8/21), 유의성(p<0.05) 기준을 만족하지 못하는 G-value가 86%(18/21)를 차지하여 개체 연륜폭연대기만을 이용한 크로스데이팅은 쉽지 않음이 확인되었다(Table 1).
t- and G-values between individual ring-width time series and between the individual ones and the local master chronology (L.M.C.)
본 연구에 활용된 곰솔은 해안사구에서 선발되어 토양 발달이 미약하고, 생육환경이 척박하다. 이러한 이유로 개체 간 생육의 차이가 크게 발생하여 연륜폭을 이용한 크로스데이팅 성공률이 다른 침엽수에 비해 낮은 것으로 판단된다. 결과적으로 열악한 생육환경에서 자라는 곰솔도 크로스데이팅이 가능하지만 개체 수가 적은 고목재를 대상으로 크로스데이팅을 수행 할 경우에는 성공할 확률이 크게 높지 않을 것으로 확인되었다.
각 시료에서 최종 확인된 연륜 수는 32∼44개였다. 곰솔 중심이 확인된 연륜 시료와 가장 내부에 위치한 연륜과 수까지의 거리를 고려해 볼 때, 본 연구에서 획득된 연륜 수와 해당 지역의 조림 시기는 일치하는 것으로 확인되었다(Table 2).
Description of cross-dated ring-width time series and the time series used to establish tree-ring δ18O time series
3.2. 산소동위원소연륜연대기
연륜폭연대기로 크로스데이팅에 성공한 곰솔 7본 중 3본을 선발하여 산소동위원소연륜연대기를 작성하였다(Table 2). 연륜폭연대기와는 다르게 개체 산소동위원소 연륜연대기와 임분 산소동위원소연륜연대기 상호간 t-value는 9.1, G-value는 80% 이상으로 높았으며, 개체 간 t-value도 4.3 이상, G-value는 77% 이상으로 뚜렷하게 높았다(Table 3). G-value의 경우 모든 수치가 통계적으로 유의한 수준(p≺0.001)을 만족하였다. 이상의 결과를 근거로 산소동위원소연륜연대기는 적은 수의 개체 간 크로스데이팅에서도 통계적으로 매우 유의한 결과 획득이 가능한 것으로 확인되었다.
t- and G-values between tree-ring δ18O time series of Pinus thunbergii
속리산 지역 소나무(Pinus densiflora) 4본으로 작성한 산소동위원소연륜연대기 상호간 크로스데이팅 결과에 따르면, t-value는 평균 5.2(4.2∼6.4), G-value는 평균 74%(66∼83%)로(Choi et al., 2020) 확인되었다. 동일 장소에서 채취한 시료는 아니지만 본 연구 대상인 곰솔의 산소동위원소연대기의 크로스데이팅 결과가 상대적으로 높게 산출되었다. 이러한 결과는 소나무와 마찬가지로 산소동위원소연륜연대기를 활용할 경우 연륜폭연대기와는 다르게 각 개체 연대기가 표현하는 시계열 패턴이 우수하여 크로스데이팅 성공 가능성이 크게 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 연륜폭연대기에서 요구하는 개체 또는 연륜 수보다 적어도 크로스데이팅이 가능함을 확인할 수 있었다.
3.3. 연륜폭연대기와 산소동위원소연륜연대기 비교
연륜폭연대기와 산소동위원소연륜연대기의 상호간 패턴 일치도 정도를 육안으로 확인하기 위하여 비교한 결과, 산소동위원소연륜연대기 상호간 패턴 일치가 연륜폭연대기보다 뚜렷하게 높음이 확인되었다(Figure 3). 연륜폭연대기와 산소동위원소연륜연대기 비교에서는 패턴 일치도가 매우 낮았다(Figure 4).
Time series of tree-ring widths (A) and δ18O (B).
Comparison between ring-width and tree-ring δ18O chronologies.
연륜폭연대기 상호간 t-value와 G-value(Table 1)와 산소동위원소연륜연대기 상호간 t-value와 G-value(Table 3)에서 확인된 바와 같이 각 그룹에서 확인된 일치도에 큰 차이를 보였으며(Figure 3), 두 그룹에서 작성된 임분 연륜폭연대기와 임분 산소동위원소연륜연대기 상호간에는 낮은 일치도를 나타냈다(Figure 4). 두 임분 연대기의 t-value는 1.0, G-value는 35%로 통계적으로도 일치도가 매우 낮았다. 연륜폭연대기와 산소동위원소연륜연대기 상호간 일치도가 낮게 나타난 것은 곰솔의 연륜폭을 결정하는 제한요소와 산소동위원소 비율(16O:18O)을 결정하는 제한요소가 다르기 때문이다. 앞서 설명한 바와 같이 곰솔의 개체 간 연륜폭연대기 패턴 차이는 토양 발달이 미약하고, 환경이 척박한 해안사구의 생육환경으로 발생한 개체 간 생육 차이거나 아직 밝혀지지 않은 수종의 특징일 수 있지만, 산소동위원소연륜연대기 패턴은 수분 조건이 주요 요인으로 작용하여 결정되기 때문이다. 제한요소가 동일해야 제한요소 변동 패턴을 따라서 연륜연대기 패턴이 결정되는데 연륜폭연대기와 산소동위원소연륜연대기는 제한요소가 달라 패턴 일치도가 낮은 것이다.
4. 결 론
곰솔은 전통적으로 해안지역의 목선, 목조 건축, 목공예품 등의 재료로 이용되었을 가능성이 크지만, 생육환경의 영향으로 인해 개체 간 생장 경향성이 다양하여 크로스데이팅에 적합하지 않은 수종으로 알려져 있다. 본 연구에서는 곰솔의 연륜고고학적 활용가능성에 대해 알아보기 위해 우리나라 서해안에 서식하는 곰솔을 대상으로 연륜폭연대기와 산소동위원소연륜연대기 시계열 그래프를 작성하고, 크로스데이팅 결과를 통계적으로 확인하였다.
연륜폭연대기의 경우 Grissino-Mayer(1993)가 정리한 수종별 크로스데이팅 결과와 마찬가지로 개체 상호간 일치도가 낮음을 확인하였다. 곰솔이 갖는 수종 특징일 수도 있지만, 생육환경에 따른 개체 간 변이가 큰 것으로 판단된다. 반면, 산소동위원소연륜연대기를 작성한 결과, t-value, G-value 모두 통계적으로 유의한 수준을 만족하였으며, 개체 간 일치도가 높아 연륜폭연대기를 이용한 연대분석 가능성이 낮다고 알려져 있던 곰솔의 연륜고고학적 활용이 가능함을 제시해 주었다.
연륜폭연대기와 산소동위원소연륜연대기 상호간 비교에서는 낮은 일치도를 보였다. 일치도가 낮게 나타난것 은 곰솔의 연륜폭을 결정하는 제한요소와 산소동위원소 비율을 결정하는 제한요소가 다르기 때문일 것이다.
Acknowledgements
본 논문은 환경부의 재원으로 국립생태원의 지원(NIE-법정연구-2023-01)과 2022년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다(2021RIS-001).