탄소중립과 질소 비료

[전남인터넷신문]탄소중립에 대한 목소리가 높다. 지구 온난화 대책의 하나로 탄소중립에 대한 목소리가 크지만 농업에서 완전한 탄소중립이 쉽지가 않다. 질소를 예로 들어보면 농업에서 탄소중립의 여정이 쉽지 않음을 알 수가 있다. 질소는 농작물의 재배에서 매우 중요하다. 질소는 식물의 생세포에도 들어가 있으며, 식물의 성장과 유지에 빠뜨릴 수 없는 단백질의 일체를 구성하는 아미노산에도 포함되어 있다.

질소는 대기의 80% 가까이 차지할 정도로 매우 풍부해 생명체는 질소에 둘러싸여 살고 있으나 농작물의 재배에서는 매우 부족하다. 질소는 비반응성 분자로서 대기 중에 존재하고 있으나 2개의 질소 원자의 결합을 해방시켜 반응성 화합물의 형성에 이용 가능하게 할 수 있는 자연적인 과정은 매우 적다.

자연환경에서 번개는 질소 산화물을 생성하여 비에 녹아 질산염을 형성하나 매우 적어 작물의 재배에 충분하지가 않아 세계의 약 80억의 사람이 먹을 식량을 생산하기 어렵다. 콩과 식물의 뿌리에 있는 박테리아는 자연계 질소 고정의 대부분을 담당하고 있으나 이것 또한 콩과 식물에만 적용되어 주곡 식물의 생산에 활용하기에는 한계가 있다. 주곡 식물에 활용하려면 알팔파나 클로버, 완두 등 질소 고정을 하는 콩과 식물을 식재하여 몇 개월간 기르고 토양에 반응성 질소를 보충한 다음 밀, 쌀 및 감자 등을 재배해야 한다.

작물 재배에서는 질소가 대량으로 필요한데 비해 공급 방법은 많지 않아 농부들은 토양 질소 저장량을 늘리려고 다양하게 노력해 왔다. 과거의 경우 유일한 옵션은 인간과 동물의 배설물을 모아 활용하는 것이었다. 그러나 이것은 질소를 공급하는 방법으로서는 비효율적이었다. 배설물은 질소의 함유율이 매우 낮고 휘발 손실(액체에서 암모니아 가스로 변환되어 손실)되면서 악취를 풍겼다.

그렇지만 달리 방법이 없었으므로 산업혁명 이전의 농작물 재배에서는 배설물을 모으고 퇴비를 만들어 발효시켜서 밭에 대량으로 넣어서 거름으로 활용했다. 당시 충분한 질소를 공급하기 위해서는 보통 1ha당 10톤, 때로는 최대 30톤이 필요했다. 이것은 전통적인 농업에서 가장 시간이 많이 소요되는 작업이며, 재배에 소비하는 모든 노동력의 최소 5분의 1, 많으면 3분의 1을 차지했다.

작물의 수율을 늘리는 데 방해가 되었던 질소의 장벽이 간신히 조금씩 제거된 것은 19세기에 최초의 무기 질소 비료가 된 칠레의 질산염이 채굴되어 수출된 것이다. 질소 장벽의 본격적인 제거는 1909년에 프리츠 하버가 암모니아의 합성법을 발명하고 그것이 급속히 상업화된 것이 계기가 되었다.

합성 암모니아는 1913년에 처음으로 출하되었으나 그 후, 제조량은 한정적이었다가 2차 대전 후에 본격적으로 대량 생산과 공급이 되었다. 1960년대에 도입된 밀과 쌀의 새로운 고수량 품종은 합성 질소 비료 없이는 잠재 수율을 실현할 수 없었다. 그리고 '녹색의 혁명'이라고 불리는 생산성의 도약도 작물의 개량과 질소의 투입량 증가의 조합이 없으면 일어날 수 없었을 것이다.

1970년대 이후 질소 비료의 합성은 농업 에너지 보조 중에서도 확실히 두드러졌고, 의존도가 높아지면서 일반적인 식품의 생산에 필요한 에너지로 활용되었다. 현재 합성 질소 비료는 우리가 먹는 식품과 떼어 놓고 생각할 수 없다. 채소, 과일, 빵, 사료작물의 재배에도 영향을 미쳐 닭고기나 쇠고기처럼 육류의 생산에도 큰 영향을 미치고 있다.

탄소중립을 위해 합성 질료 비료를 사용하지 않는다면 현재와 같은 가격으로 농산물을 생산할 수 없으며, 세계의 많은 인구를 먹여 살릴 수가 없다. 탄소중립은 매우 중요하고 시급한데도 당분간 화석연료에 의지하지 않으면 안 되는 것이 현 상황이다.

바츠라프 슈미르: 캐나다 의 마니토바 대학 특별 영예 교수 "시바타 히로유키"

농업 생산은 에너지 엘기의 대량 소비에 힘입어 우물로부터의 관개 용수의 펌핑 등의 농지에서의 작업이나, 작물의 처리나 건조, 트럭이나 열차나 깎기에 의한 수확물의 국내 수송, 대형의 화물선에 의한 해외 수출을 위해서, 기계는 디젤유나 가솔린 라는 형태로 화석 에너지를 직접 소비한다.

그 기계를 제조하는 에너지의 간접 사용은 그것보다 훨씬 복잡합니다. 각종 기구, 콤바인, 트럭, 곡물 건조기 등을 생산하거나 사일로를 세우는데도 사용된다.

하지만 농업기계를 만들거나 움직이는데 필요한 에너지는 농업용 화학물질의 제조에 필요한 에너지 앞에서는 부풀어 버린다.

현대의 농업에는 작물의 손실을 최소화하기 위한 살균제나 살충제와 식물이 이용 가능한 양분이나 수분을 둘러싸고 잡초와 싸우지 않아도 되도록 하기 위한 제초제가 필수적 할 수 없다. 이들은 모두 고도로 에너지 집약형 제품이지만, 비교적 소량밖에 사용되지 않고, 1헥타르당 1킬로그램을 크게 밑도는 것이다.

한편, 질소, 인, 칼륨이라고 하는, 식물에 필수의 3대 다량 영양소는, 최종 제품의 단위당으로 필요한 에너지는 적지만, 고수량을 확실하게 하기 위해서는, 대량으로 사용해야 한다.

칼륨은 3가지 영양소 중 생산 비용이 가장 낮다.

　인산비료의 생산에는 우선 인산염을 파낸다. 그것을 처리하여 합성의 과인산석회를 만든다.

모든 합성 질소 비료 제조의 출발점이 되는 화합물이 암모니아다. 이 큰 필요로 인해 현대 농업에서는 질소 비료의 합성이 가장 중요한 에너지의 간접 입력이되었습니다.

질소가 이렇게 대량으로 필요한 것은 모든 생세포에도 질소가 들어가 있기 때문이다. 성장과 유지에 빠뜨릴 수 없는 단백질의 일체를 구성하는 아미노산에도 포함되어 있다.

질소는 생명에 필수적이지만 대기중의 질소 그대로는 사용할 수 없다

질소는 풍부하게 존재한다. 대기의 80% 가까이를 차지하며, 생명체는 질소에 둘러싸여 살고 있다. 는 큰 역설을 맡은 생물권의 현실 중 하나이지만 간단히 설명할 수 있다.

질소는 비반응성 분자(N2)로서 대기 중에 존재하고, 2개의 질소 원자의 결합을 해방시켜 반응성 화합물의 형성에 이용가능하게 할 수 있는 자연적인 과정은 단지 조금 밖에 없는 것이다.

그 중 하나는 번개이며 번개는 질소 산화물을 생성하여 비에 녹아 질산염을 형성합니다. 그러면 숲이나 밭과 초지는 하늘에서 비료를 얻을 수 있지만, 이 자연의 입력은 분명히 너무 적어 충분한 작물을 만들어내 세계의 약 80억의 사람을 기르지 못한다.

번개가 엄청난 온도와 압력으로 이루어지는 것을, 효소(니트로게나아제)는 통상의 상태로 해 버릴 수 있다. 속에서 자유롭게 살아있는 박테리아가 질소 산화물을 생산한다.

콩과 식물의 뿌리에있는 박테리아는 자연계의 질소 고정의 대부분을 담당하고 있습니다. 를 분해하고, 수소와 화합물시켜 암모니아(NH3), 즉 가용성이 있는 질산염으로 간단하게 변환 가능하고 식물에 질소를 공급할 수 있는, 매우 반응성이 높은 화합물을 합성하는 것이다.

따라서 대두와 콩, 완두콩, 렌즈 콩, 땅콩 등의 콩과의 식용 작물은 자신의 질소를 스스로 충당 (고정) 할 수 있고, 알팔파, 클로버, 까마귀 완두 등 콩과의 피복 작물 역시 마찬가지다.

하지만, 주식곡물도, 대두와 땅콩을 제외한 기름작물도, 괴경도, 어느 하나로서 그것이 할 수 없다. 그들이 콩과 식물의 질소 고정 능력의 혜택을 받는 유일한 방법은, 알팔파나 클로버 -나 까라스노 완두와의 윤작을 실시하는 것이다.이러한 질소 고정 식물을 몇개월 기르고 나서, 犂으로 지면 속에 메우고, 토양에 반응성 질소를 보충해, 다음에 재배하는 밀이나 쌀이나 감자 에 흡수시키는 것이다.