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본 수목원의 전체 지역에 약 10,300 여종(변종, 품종)으로 추산되는 식물들이 식재되어 있으며(2004년 기준) 그 중 특히 중점적으로 수집된 종류는 목련속으로 약 450여종, 감탕나무속이 370여종으로 단연 으뜸이고 다음에는 침엽수 종류와 매자나무속, 진달래속, 참나무속, 단풍나무속, 분꽃나무속, 녹나무과 순이다. 그 외에도 조록나무과, 자작나무과, 서향나무속, 장미과, 차나무과 식물들이 많이 수집되어 있다. 현재 이 식물들은 모두 수목관리대장에 기록되어 있으며 이 대장에는 과명, 원산지, 도입처, 도입년월일, 식재장소, 도입일련번호, 특기사항 등 기초 자료를 기록하며 전산처리와 연계하여 관리하고 있다.

현재 천리포수목원에서는 천리포의 기후와 토양에 적응하여 자랄 수 있는 모든 목본식물들을 중점적으로 수집하여 보존ㆍ관리하고있으며 최근에는 초본성 식물들 또한 단계적으로 수집하고 있다.

1970년 천리포로부터 비교적 가까이 있는 섬에서 채집된 후박나무, 참식나무, 동백 등이 본원의 한식기와집 주변에 심어진 것을 시작으로 1971년부터 1973년까지 대략 160종류를 식재하였는데 대부분이 자생 수목이고 소수의 품종이 포함된 수목들이 그 당시 임업시험장에서 기증되거나 전북임업시험장 및 몇몇 재배상으로부터 구입한 것이다. 또한 이 기간 중에 일부 소수의 외국 종들이 국외로부터 수집되었으며 1973년부터 다양한 종류들의 묘목과 종자가 국외로부터 수집되면서 보유수종의 수가 크게 늘어나게 되었다. 또한 이 무렵에 목련속, 호랑가시속, 매자나무속, 뿔남천속, 동백나무속, 노각나무속, 피나무속, 녹나무속, 왜성침엽수를 포함한 침엽수 등 일부 식물군에 대해 특별한 관심을 가짐에 따라 매년 체계적으로 수집되어 왔으며 특히 현재 각각 그 보유 수종이 품종을 포함하여 400여 종을 상회하는 목련류와 호랑가시나무류가 집중적으로 수집되었다.

1974년과 1977년 사이에 다수의 수목들이 미국과 영국의 유명한 재배가들로부터 꾸준히 수집되었다. 1976년에는 민 이사장이 주축이 된 천리포수목원 최초의 식물탐사여행에서 내장산, 완도, 제주도 등 남해안 일대에 자생하는 다양한 식물 종류들이 치수 또는 종자로 수집되면서 여러 종류의 한국 자생종들이 확보되었다. 이 여행에서 완도 일부지역에서 감탕나무와 호랑가시나무 사이에서 자연 교잡된 완도호랑가시 군락을 발견하기도 하였다. 또한 일본, 대만 등 국외에서도 직접 다수의 수목 종류들을 수집하였다. 이러한 일련의 활동을 통하여 자생수종이 꾸준히 수집되어 왔으며, 세계 각국의 식물원 등이 자국에서 채집하여 보유하고 있는 종자들과 우리의 잉여종자들을 교환함으로써 국외수종의 확보를 꾀하였다.

Index Seminum이라 하는 다국간 종자교환사업은 그 당시 이미 세계각국의 저명한 식물원, 수목원, 자연사박물관 및 대학식물학과간에 무상으로 행하여 지고 있던 식물연구교류사업의 일환으로 천리포수목원에서는 1978년에 최초로 시작하여 1998년 현재 세계 36개국의 140여 기관들과 교류하고 있다. 이 사업을 통하여 세계 각지에서 다양한 종류의 수종들이 수집되어 관리되고 있다. 이 사업의 영향으로 1978년 이후 1982년 까지 확보된 새로운 종의 수가 매년 급격히 증가하였으나 1982년 이후에는 그 동안의 경험을 토대로 새로운 종의 수집에 보다 신중을 기하여 도입하고자 하는 종을 선택한 결과 도입종 수가 어느 정도 감소되어 적정한 선에서 유지되었다. 매년 새로운 종의 도입과 기존 보유 종의 고사 등 변동사항을 계속 전산작업 중이며 정확한 보유 종에 대한 개요가 파악되기에는 다소 시일이 걸릴 예정이다. 현재 보유 종 수는 품종을 포함하여 대략 10,300여 종으로 추산되고 있다(2004년 기준).

1972년 대전의 만수원에서 구입된 함박꽃과 목련을 시작으로 태산목, 일본목련, 백목련, 자목련, 별목련 등 그 당시 국내에서 수집이 가능한 종류들이 우선 확보되었으며 1973년 미국 매릴랜드주에 있는 팅글스(Tingle's) 식물재배소에서 큰별목련(Magnolia x loebneri)과 품종명이 "수련(Waterlily)"인 별목련(Magnolia stellata)이 구입 되었다. 그 이듬해에는 오레곤주의 고슬러스(Gossler's) 식물재배소에서 33종의 목련종과 품종이 영국 콘웰의 트레서더스(Treseder's)에서는 다수의 목련 종류가 다른 수목과 함께 구입되었다. 이렇게 수집된 목련들은 1996년 말에 품종을 포함해 450여 종류 1,780여 주에 달해 명실공히 세계적으로 목련이 가장 잘 수집된 수목원으로 자리매김하게 되었다.

수집된 목련들은 현재 4개 지역에 분산되어 있다. 본원에는 대표적인 표본수 위주로 식재되어 있으며 목련원에는 대부분의 목련이, 산정목련원에는 잉여중복분이 식재되어 있고 기타 지역에는 실생묘 위주의 시험재배가 이루어지고 있다.

동백나무에 대한 관심은 수목원의 조성 초기부터 높았으며 최초의 도입종류들은 미국 델라웨어주의 오린다(Orinda) 식물재배소에서 구입되었고 또한 일본에서 20여 종류가 수집되었다. 최근에는 뉴질랜드와 영국에서 다수의 종류가 수집되었다.

비교적 서서히 그러나 꾸준히 보유 종 수가 증가하고 있으며 1990년 봄 세계동백학회에서 회원들이 방문하여 호평을 받았다. 현재 가장 큰 동백나무는 'Tickled Pink'라 불리는 품종으로 수고가 약 3.5m 수관폭은 약 2.5m에 달한다. 천리포의 동백은 남해안에서 자라는 개체들 보다는 다소 더디 자라며 꽃도 훨씬 늦게 4월 중순에서 5월 중순 사이에 핀다. 이 무렵에는 목련들이 만개하고 수선화 등 각종 구근류들도 화려하게 만발하여 주변 경관과 함께 어우러진다. 12월경부터 겨울 내 꽃이 피는 올동백(Camellia sasanqua)에도 많은 관심을 가지고 수집해 왔으며 본원에 심어진 'Cotton Candy', 'Sparkling Burgundy', 'Bonanza', 'Chansonette' 등 다양한 종류는 한겨울에 꽃이 피어 시선을 끈다.