[전남인터넷신문]인류의 문명 이면에는 농업이 있었다. 농업은 인간 존재의 기본 중추로서 세계 경제 발전에 중요한 역할을 해왔다. 세계 전체 경제 생산량에서 농업이 차지하는 비중은 4%이다. 농업에 종사하는 사람들은 세계적으로 10억 명 정도이다. 다양한 산업의 주요 원자재 공급원이며, 환경 조건을 제어하는 데 농업은 중요한 역할을 해왔다.

농업은 이처럼 매우 중요한데 한편으로 지구 온난화의 원인이 되는 온실가스(GHG)의 전 세계 배출의 상당 부분을 차지한다는 이유로 탄소중립에 대한 압력을 크게 받고 있다. 농업에서 온실가스 배출은 비료 생산과 작물 적용, 기계 사용 및 다양한 토양 공정 다양한 과정에서 발생한다.

그중에서 비중이 큰 것이 질소(N) 비료이다. 산업 혁명이 시작되기 훨씬 전에 농부들은 식물 성장에 필수 영양소 섭취의 이점을 잘 알고 주로 배설물과 소변을 사용하여 다양한 방법으로 땅을 비옥하게 했다. 분료 등 비록 눈살을 찌푸리게 만들었지만 농부들은 대대로 전해 내려온 자연적 수단과 병충해 방제법을 사용하여 자신의 밭을 비옥하게 하는 일을 스스로 맡았다. 그러나 질소 비료의 가용성은 수세기 동안 농업 생산성을 제한했다.

그러다가 1909년에 독일의 화학자 프리츠 하버(Fritz Haber)가 실험실에서 대기 중 질소를 고정하는 데 성공했다. 그리고 5년 후인 1913년 칼 보쉬(Carl Bosch)가 이끄는 독일 바스프(BASF) 연구팀은 하버-보쉬 공정(Haber-Bosch process)으로 불리는 획기적인 기술 혁신을 통해 대기의 질소가 수소와 반응하여 암모니아를 형성할 수 있게 되었고, 이는 다시 비료를 합성하는 데 사용될 수 있게 되었다.

이러한 기술 발전은 농업 붐을 촉진하여 영양을 개선하고 인구 증가를 뒷받침했다. 비료의 제조에는 극도로 높은 압력과 약간 높은 온도에서 공기 중의 질소와 수소를 직접 결합한다. 이것에 필요한 수소를 공급하려면 천연가스나 석탄과 같은 화석연료가 필요하다.

하버-보쉬 공정에 의한 상업적인 질소 비료의 생산은 200~400기압 범위의 압력과 400-650℃ 범위의 온도에서 이루어진다. 비료의 생산 과정에서는 메탄과 이산화탄소라는 두 가지 주요 온실가스가 배출된다. 질소를 고정하고 변형을 가한 공정은 화학 산업의 기본 공정 중 하나로 계속 사용되고 있으며, 지난 수십 년 동안 세계 농업 생산에 크게 영향을 미쳤다. 특히 합성 질소(N)는 곡물의 전문화와 산업화 및 식량 생산에 크게 기여해 왔고, 농업 생산은 합성 질소 비료에 크게 의존하게 만들었다.

그런데 합성 질소 비료 생산은 전 세계 에너지 소비의 2%를 차지하며, 매년 약 310메가톤의 이산화탄소 오염을 배출한다. 질소 비료 생산 배출과 공급망에서 발생하는 온실가스는 약 2%로 모든 항공에서 발생하는 배출량보다 많다. 제조 공정에서는 대기 중에서 지속 시간이 더 짧은 이산화탄소보다 25배 이상 강한 가스인 메탄도 배출된다. 생산 후 비료는 파이프라인, 바지선, 선박, 기차 및 트럭을 통해 배송되며, 운송은 비료 총배출량의 2.6%를 차지한다.

게다가 일부 농민들은 최적의 식물 성장에 필요한 것보다 더 많은 비료를 시비하고 있다. 과도한 비율의 사용, 작물 수요가 적은 기간에 적용한 비료를 잘못 관리하면 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 시비한 질소질 비료는 공기 중으로 손실되고, 일부는 미생물이 토양에 질소를 고정했다가 나중에 다시 대기 중으로 방출하면서 손실된다. 비료는 토양의 자연 미생물 활동을 거쳐 이산화탄소 보다 265배 더 강력한 가스인 아산화질소를 더 많이 생성 배출한다. 지하수의 질산염 오염 또한 문제시 되는 등 주요 환경 위험 요소이다.

따라서 농업의 탄소중립에서는 온실가스 배출원으로서 비중이 큰 질소 비료에 대해 생산 공정의 탈탄소화를 통해 탄소 발생을 최소화해야 하는 것이 중요시 되고 있다. 동시에 농가 차원에서도 적정량의 질소 시비와 관리가 매우 중요한 만큼 농민들 스스로의 노력과 함께 관련 교육이 적극적으로 이루어져야 할 것이다.

[인용자료]

Stefano Menegat, Alicia Ledo & Reyes Tirado. 2022. Greenhouse gas emissions from global production and use of nitrogen synthetic fertilisers in agriculture. Scientific Reports volume 12, Article number: 14490.

Josie Heimsoth. 2023. Nitrogen Fertilizer Releases Greenhouse Gases Throughout Its Life Cycle. MAY 30, 2023(https://pulitzercenter.org/stories/nitrogen-fertilizer-releases-greenhouse-gases-throughout-its-life-cycle)