농생태학 -20장 농업생태계의 에너지학

농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

20장 농업생태계의 에너지학

에너지는 생태계와 생물권 전체의 혈액이다. 가장 근본적은 수준에서, 생태계가 하는 일은 에너지를 포획하고 변형하는 것이다. 

에너지는 생태계를 통하여 한 방향으로 끊임없이 흘러가고 있다. 그것은 태양 에너지로 들어가 광합성을 하는 유기체(식물과 조류)에 의해 유기분자의 화학 결합이나 바이오매스에 저장되어 잠재적 에너지로 전환된다. 이러한 잠재적 에너지가 일할 수 있는 유기체에 의해 수확될 때마다, 그 가운데 많은 부분이 더는 일하거나 변형되는 데 이용할 수 없는 열 에너지로 변환된다. 그것은 생태계에서 상실된다. 

본질적으로 농업은 생태계에서의 에너지 포획과 흐름에 대한 인간의 조작이다. 인간은 농업생태계를 이용해 태양에너지를 먹을거리, 사료, 섬유, 연료로 이용할 수 있는 특정 바이오매스의 형태로 전환시킨다. 

모든 농업생태계 -초기 농업의 단순하고 국지적인 파종과 수확부터 오늘날의 집약적으로 변경된 농업생태계까지- 는 태양에 의해 제공되는 것 이외에 그들의 인간 지킴이가 주는 에너지의 투입을 필요로 한다. 이러한 투입은 수확되는 물질의 형태로 농업생태계로부터 에너지가 많이 제거되기에 부분적으로 필요하다. 하지만 농업생태계가 자연 과정을 어느 정도 벗어나 반대되어야 하기에 필요하기도 하다. 인간은 다양한 방식으로 개입 -비작물 식물과 초식동물의 관리하고, 관개하고, 토양을 경운하는 등- 하고 일해야 한다.

지난 수십 년 동안의 농업의 "근대화"는 주로 수확량을 증가시키기 위하여 주로 농업에 더 많은 양의 에너지를 투입하는 과정이었다. 하지만 이러한 추가된 에너지 투입의 대부분은 재생할 수 없는 화석연료에서 직간접적으로 온 것이다. 또한 산업형 농업에 에너지를 투자한 것에 대한 수익은 그다지 좋지 않다. 많은 작물의 경우, 우리는 먹을거리 에너지로 돌아오는 것보다 더 많은 에너지를 투자한다. 이 과정에서 생기는 배출도 기후변화에 기여했다. 그러므로 우리의 에너지 집약적 형태의 농업은 근본적인 변화 없이 미래에도 지속될 수 없다. 

에너지와 열역학 법칙

농업에서 에너지 흐름과 투입에 대한 조사는 에너지와 그것을 지배하는 물리 법칙에 대한 기본적인 이해가 필요하다. 먼저, 에너지란 무엇인가? 에너지는 일을 하는 능력이라고 가장 일반적으로 정의된다. 일은 힘이 일정 거리이상 작용할 때 발생한다. 에너지가 실제로 일을 할 때 그것을 운동에너지라고 부른다. 예를 들어 휘두르는 괭이와 움직이는 쟁기에, 태양에서 오고 있는 광파에도 운동에너지가 있다. 에너지의 또 다른 형태는 움직이지 않지만 일을 할 수 있는 에너지인 위치에너지이다. 운동에너지가 일을 하고 있을 때, 그 가운데 일부는 위치에너지로 저장될 수 있다. 바이오매스의 화학 결합에 있는 에너지는 위치에너지의 한 형태이다. 

물리 세계와 생태계에서, 에너지는 한 곳에서 다른 곳으로 끊임없이 이동하고 변화하는 형태를 띤다. 열역학의 두 법칙이 이것이 어떻게 발생하는지 설명한다. 열역학 제1법칙에 의하면, 에너지는 어떤 이동이나 변형이 일어나더라도 생성되지도, 파괴되지도 않는다. 에너지는 한 곳에서 다른 곳으로 이동하거나 일을 하는 데 사용되는 한 형태에서 다른 형태로 바뀌며, 그 모두는 설명될 수 있다. 예를 들어, 나무의 연소(나머지 산물의 위치에너지를 더한)에 의해 생성되는 열 에너지와 빛 에너지는 연소되지 않은 나무와 연소하는 동안 소모되는 산소의 위치에너지와 동일하다. 

열역학 제2법칙은 에너지가 전달되거나 변형될 때 에너지의 일부가 더 이상 통과할 수 없는 형태로 전환되어 일을 할 수 없다고 서술한다. 이러한 열화된 형태의 에너지는 단순히 무질서한 분자의 운동인 열이다. 열역학 제2법칙은 항상 더 큰 무질서, 또는 엔트로피 쪽으로 향하는 경향이 있음을 의미한다. 엔트로피를 상쇄하려면 -즉, 질서를 만들려면- 에너지를 소비해야 한다. 

제2법칙의 작동은 자연 생태계에서 명확하게 볼 수 있다. 에너지는 먹을거리의 형태로 한 유기체에서 다른 유기체로 전송되고, 그 에너지의 상당 부분이 엔트로피가 순 증가하는 것과 함께 대사 활동을 통해 열로 분해된다. 또다른 의미에서, 생물학적 체계는 무질서에서 질서를 창출할 수 있기 때문에, 제2법칙에 부합하지 않는 것처럼 보인다. 그러나 태양 에너지의 형태로 체계의 외부에서 지속적으로 에너지가 투입되기 때문에, 생물학적 체계는 이를 할 수 있을 뿐이다.

모든 체계에서 에너지 흐름을 분석하려면 에너지 사용을 측정해야 한다. 이 목적을 위해 여러 단위를 이용할 수 있다. 이번 장에서 우리는 먹을거리 생산에서 에너지의 투입과 함께 인간의 영양을 연결시키기 가장 좋기 때문에선호되는 단위로 킬로칼로리(kcal)를 사용할 것이다. 다른 단위와 그 등가는 표20.1에 나열되어 있다.

단위	정의	등가
칼로리(cal)	15℃의 물 1g(1ml)을 1℃ 올리는 데 필요한 열량	0.001kcal 4.187J
킬로칼로리(kcal)	15℃의 물 1kg(1L)을 1℃ 올리는 데 필요한 열량	1000cal 4187J 3.968Btu
영국 열량 단위(Btu)	물 1파운드를 1℉ 올리는 데 필요한 열량	252cal 0.252kcal
줄(J)	물체에 1N의 힘을 가해 물체가 그 방향으로 1m 이동했을 때 일의 양	0.252cal 0.000252kcal

표20.1 에너지 측정의 단위 

태양 에너지의 포획

 

생태계와 농업생태게를 통한 에너지 흐름의 출발점은 태양이다. 태양이 방출한 에너지는 식물에 의해 포획되고, 3장과 4장에서 논의된 광합성 과정을 통하여 저장된 화학 에너지로 전환된다. 광합성을 통해 식물에 의해 축적된에너지는 생태계에서 에너지 저장의 첫 번째이자 가장 기본적인 형태이기에 1차 생산이라 부른다. 식물을 유지하는 데 필요한 호흡 이후에 남은 에너지는 순1차생산(NPP)이고, 바이오매스로 저장되어 남는다. 농업을 통하여 우리는 이러한 저장된 에너지를 직접 소비하거나, 우리가 소비하거나 일을 시킬 수 있는 동물에게 먹여서 수확하고 이용할 수 있는 바이오매스에 집중시킨다.  

식물은 태양 에너지를 얼마나 효율적으로 포획하여 저장된 바이오매스로 그것을 전환시킬 수 있는지가 달라진다.이러한 차이는 식물의 형태(예, 잎 면적), 광합성 효율, 생리의 차이로 인한 결과이다. 또한 식물이 성장하는 조건에 달려 있다. 농업의 식물은 가장 효율적인 식물 가운데 일부이지만, 그들조차 햇빛을 바이오매스로 전환시키는 효율은 거의 1%를 넘지 않는다(1%의 효율은 식물에 도달하는 태양 에너지의 1%가 바이오매스로 전환되는 걸의미).

토지의 면적당 가장 생산적인 먹을거리 및 사료 작물의 하나로 간주되는 옥수수는 곡물과 옥수수대 사이에 균등하게 나뉜 15,000kg/ha/계절 정도의 건조 바이오매스를 생산할 수 있다. 이 바이오매스는 연중 옥수수밭에 도달하는 태양 에너지의 약 0.5%(또는 재배철 동안 옥수수밭에 도달하는 햇빛의 약 1%)에 해당한다. 40,000kg/ha의 신선한 덩이줄기(건조 물질 7,000kg/ha에 해당)를 수확하는 감자는 전환 효율이 약 0.4%이다. 곡물 수확량2700kg/ha이자 건조 물질 수확량 6750kg/ha인 밀은 전환 효율이 약 0.2%이다. 열대 지역에서 사탕수수의 전환 효율은 가장 높다고 알려진 것(약 4.0%) 가운데 하나이다.

이러한 효율은 상대적으로 낮지만, 약 0.1%로 추산되는 성숙한 자연 식생의 평균 전환 효율보다 여전히 몇 배나 더 높다(Pimentel 2012).  또한 우리는 자연 식생의 바이오매스 가운데 인간이 소비할 수 있는 건 거의 없는 반면, 농업 종에 저장된 에너지 가운데 상당 부분을 소비할 수 있다는 사실을 고려해야 한다(그림20.1). 

그림20.1 태양 에너지의 바이오매스 전환 효율. (Pimentel, D. et al., Bioscience, 28, 376, 1978; Ludlow, M.M., Aust. J. Plant Physiol., 12, 557, 1985; Pimentel, D., W. Dahzhongh, and M. Giampietro. Technological change in energy use in U.S. agricultural production. In S.R. Gliessman [ed.], Agroecology: Researching the Ecological Basis for Sustainable Agriculture. Springer-Verlag: New York, pp. 302–321, 1990.의 자료)

 

산업국에서 소비되는 먹을거리의 대부분은 식물 바이오매스가 아니라 동물 바이오매스이기 때문에, 우리는 식물성 에너지에서 육류, 우유, 달걀로 전환하는 효율도 조사해야 한다. 동물은 유지와 호흡에 너무 많은 대사 에너지를 상실하기 때문에 식물 바이오매스로부터 동물 바이오매스를 생산하는 건 비효율적이다. 

이러한 전환을 분석하는 건 육류와 우유, 달걀은 주로 단백질을 위해 생산되기 때문에, 일반적으로 동물 바이오매스에 있는 단백질의 에너지 함량에 관하여 이루어진다. 사육장이나 감금된 가축은 동물의 종류와 생산 체계에 따라 단백질 에너지의 각 단위를 생산하기 위하여 20-120단위의 식물성 사료 에너지가 필요하다. 이는 저품질에서 0.8%의 효율, 고품질에서 5%의 효율과 등가이다. 만약 이러한 전환 효율이 동물의 사료 생산을 위한 효율과 결합된다면, 동물 생산 체계의 비효율성은 분명해진다. 예를 들어, 소 사육장에서 먹이는 식물성 산물은 식물에 도달한 태양 에너지의 약 0.5%를 함유하고, 소비되는 소의 고기에 있는 단백질은 사료에 있는 에너지의 10.8%를 함유하여, 전체 효율은 0.004%에 불과하다(그림20.2).

그림20.2 젖소는 우유 생산을 늘리기 위하여 농축사료를 먹는다. 옥수수 사일리지, 자주개자리 펠렛, 기타 보충제가 유제품을 생산하는 에너지 비용을 증가시킨다. 

방목되는 가축은 다른 형태의 농업에 적합하지 않는 토지에 방목하고, 자연 생태계나 낮은 에너지를 필요로 하는 목초 체계에서 직접적으로 사료를 섭취할 수 있기 때문에, 어느 정도 다르게 고려되어야 한다. 그들은 인간이 직접 소비할 수 없는 바이오매스에 포함된 에너지를 변형시킬 수 있다. 

먹을거리 생산에서 에너지 투입

우리가 소비하는 먹을거리의 모든 에너지가 원래 태양에서 비롯되지만, 농업생태계의 맥락에서 먹을거리를 생산하려면 추가적인 에너지가 필요하다. 이 추가적인 에너지는 인간의 노동, 동물의 노동, 기계로 이루어지는 작업의 형태로 제공된다. 또한 에너지는 기계, 농기구, 종자, 비료를 생산하고, 관개를 제공하며, 먹을거리를 가공하고, 그걸 시장에 운송하는 데에도 필요하다. 우리는 농업의 에너지 비용을 이해하고, 농업에서 더 지속가능하게 에너지를 사용하는 토대를 마련하고자 이런 모든 에너지 투입을 조사해야 한다. 

무엇보다 농업에 있는 다양한 유형의 에너지 투입을 구별하는 것이 도움이 된다. 생태적 에너지 투입이라 부르는태양 복사로 인한 에너지 투입과 문화적 에너지 투입이라 부르는 인간에게서 유래된 에너지 투입 사이의 기본적 차이가 있다. 문화적 에너지 투입은 생물학적 투입과 산업적 투입으로 더 나눌 수 있다. 생물학적 투입은 유기체에서 직접적으로 비롯되고, 인간의 노동과 동물의 노동, 분뇨를 포함한다. 산업적 에너지 투입은 화석연료와 방사성 핵분열, 지열과 수자원의 근원으로부터 유래한다(그림20.3). 

그림20.3 농업에서 에너지 투입의 유형. 생물학적 문화 에너지와 산업적 문화 에너지는 특정 농업생태계의 외부에서 비롯될 수도 있고(이 경우 외부에서 인간의 투입이란 형태임), 체계를 갖춘 근원에서 유래되었을 수도 있다. 

비록 우리가 이러한 모든 에너지원을 "투입"으로 이야기하고 있지만, 어떠한 형태의 문화적 에너지는 특정한 농업생태계 안의 근원에서 유래될 수 있어 우리가 그 용어를 사용한다는 의미에서는 투입이 되지 않는다는 점에 주의하는 게 중요하다. 그러한 에너지의 "내부 투입"은 농장 거주자의 노동, 농장 안 동물의 분뇨, 농장 안의 풍차나 풍력 터빈의 에너지를 포함한다.  

문화적 에너지 투입과 수확 산출

지속가능성의 관점에서, 농업생태계에 있는 에너지 흐름의 주요 측면은 생태적 에너지를 바이오매스로 전환시키는 데 문화적 에너지가 어떻게 사용되는가 하는 점이다. 인간이 먹을거리의 생산에서 환경에 가하려고 하는 자연과정의 변형이 클수록 필요한 문화적 에너지의 양도 커진다. 에너지는 작물 유기체의 최적의 성장과 발달을 유지하기 위하여 낮은 다양성의 체계를 유지하고, 간섭을 제한하며, 체계의 물리적, 화학적 조건들을 변형하기 위해 필요하다.  

문화적 에너지의 투입이 클수록 생산성을 더 높일 수 있다. 그러나 둘 사이에 일대일 관계가 있는 건 아니다. 문화적 에너지 투입이 매우 높을 때, 문화적 에너지를 추가로 "투자"하여 돌아오는 "수익"은 아주 적기도 하다. 농업생태계의 산출은 에너지의 측면에서 측정될 수 있기에, 우리는 간단한 비율로 농업생태계의 에너지 사용 효율을 평가할 수 있다. 수확된 바이오매스에 함유된 에너지의 양을 그 바이오매스를 수확하는 데 필요했던 문화적 에너지의 양과 비교하는 게 그것이다. 모든 세계의 농업생태계에 걸쳐, 이 비율은 에너지가 투입되는 것보다 훨씬 많은 것이 나오는 비율부터 에너지 투입이 에너지 산출보다 더 큰 비율에 이르기까지 다양하다.

인간의 노동이란 형태로 생물학적 문화 에너지만 사용하는 비기계화된 농업생태계(예, 목축이나 이동식 경작)는 투자된 문화 에너지의 각 칼로리에 대하여 5에서 거의 40칼로리의 먹을거리 에너지로 달라지는 수익을 실현할 수 있다. 역축을 활용한 영구적인 농사 체계는 문화 에너지의 투입이 더 높지만, 이러한 더 큰 에너지 투자가 더 높은 수확량을 가능하게 하기에 그러한 체계는 여전히 문화 에너지의 투자에 대해 유리한 수익을 안겨준다.

그러나 기계화된 농업생태계에서, 산업적 문화 에너지의 매우 많은 투입이 생물학적 문화 에너지의 대부분을 대체하여 높은 수준의 수확량을 가능하게 하지만 에너지 사용 효율을 크게 감소시킨다. 옥수수와 밀, 벼 같은 곡물의 생산에서, 이러한 농업생태계는 문화 에너지 1칼로리당 1-3칼리로의 먹을거리 에너지를 수확할 수 있다. 기계화된 과실과 채소 생산에서, 그 에너지 수익은 기껏해야 에너지 투자보다 약간 더 큰 정도이며, 대부분의 경우 에너지 수익은 더 작다(Pimentel and Pimentel 2008). 동물성 먹을거리의 생산에서 그 비율은 대부분의 경우 훨씬 불리하다. 예를 들어, 미국의 소고기 생산은 획득한 칼로리당 약 5칼로리의 문화 에너지가 필요하고, 돼지고기는 10칼로리 정도가 필요하다(Pimentel and Pimentel 2008).

동물성 먹을거리는 전체 에너지 함량보다 단백질 함량이 더 중요하기 때문에, 우리는 또한 동물이 소비하는 사료에 있는 에너지와 비교하여 이들 먹을거리의 단백질에 있는 에너지의 측면에서 그것들을 생산하는 에너지 효율을고려해야 한다. 이러한 측면에서, 우유와 돼지고기, 사육장 소고기에 있는 단백질의 칼로리당 그걸 생산하는 데에 30-80칼로리의 에너지가 필요하다. 비교하자면, 식물성 단백질(곡물 단백질의 경우)의 칼로리는 3칼로리의 문화 에너지로 생산될 수 있다. 농축된 식물성 단백질(예, 메주콩으로 만든 두부)을 생산하더라도 단백질의 칼로리당 20칼로리를 넘지 않는다. 

그림20.4 다양한 농업생태계의 에너지 투자에 대한 수익 비교. 왼쪽으로 연장된 막대는 실현된 산출이 투입보다더 큰 체계를 가리킨다. 오른쪽으로 연장된 막대는 에너지 투입이 결과로 얻은 먹을거리의 에너지 값보다 더 큰 체계를 가리킨다. (Cox, G.W. and Atkins, M.D., Agricultural Ecology, W. H. Freeman and Company, San Francisco, CA, 1979; Pimentel, D. et al., Int. Comm. Agric. Eng. Ejournal 1, 1-32, (cigr-ejournal.tamu.edu), 1998, accessed August 24, 2014. Pimentel, D. and Pimentel, M., Food, Energy, and Society, 3rd edn., CRC Press/Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL, 2008. 에서 자료)

그림20.4에 제시된 자료는 농업의 문화 에너지 요구가 자연 생태계 과정의 변형 수준과 밀접한 관련이 있다는 우리의 주장을 강화한다. 인간이 생태계의 기본 구조를 손대지 않고 놔두면 비용은 적다. 관심을 가진 특정한 작물 종의 풍요를 증가시키는 약간의 사소한 변형이 이루어지면, 더 많은 문화 에너지가 필요하지만 그 수익은 여전히 유리하다(그림20.5). 하지만 복잡한 자연 생태계가 토착 종들과 매우 다른 생활 양식을 가진 작물 대규모 단작으로 대체된다면 -캘리포니아 서부의 산조아킨 계곡에 있던 건조한 관목지가 관개가 되는 면화밭으로 변한 경우처럼- , 문화 에너지 비용은 급격히 상승한다. 그 목표가 이전 자연계가 보여준 이상의 수준으로 태양 에너지의 포획(생산성)을 높이는 것이라면, 필요한 문화 에너지의 수준은 매우 높을 수 있다(그림20.5).

그림20.5 멕시코 베라크루즈에서 토착 나무의 그늘 아래에서 재배하는 커피. 이 농업생태계에서, 커피는 토착 나무의 상부 캐노피를 크게 변경시키지 않으면서 하층의 종들을 대체한다. 자연 생태계가 거의 변경되지 않기 때문에, 그 체계의 생산성을 유지하기 위해 문화 에너지도 조금만 투입한다. 

  

그림20.6은 서로 다른 유형의 농업생태계의 상대적 에너지 비용과 에너지 혜택에 대한 또 다른 관점을 제공한다. 많은 양의 문화 에너지를 사용하는 건 산업형 농업생태계가 다른 농업생태계보다 더 생산적일 수 있게 하지만, 그러한 체계가 그 에너지 투자에 대한 좋은 수익을 실현하는 건 아니다. 우리가 산업적 문화 에너지의 투입을 줄이고, 생물학적 문화 에너지의 투자를 늘리며, 산업적 문화 에너지의 사용 방법을 변화시킨다면, 더욱 에너지 효율적인 먹을거리 생산이 가능하다.

그림20.6 네 가지 유형의 체계에서 에너지 투입과 산출의 대략적인 상대적 크기. 각각의 체계에 대한 생태적 에너지 투입의 실제 크기는 표시된 것보다 훨씬 크다. 현대의 기계화된 농업의 경우, 전체 에너지 산출은 문화 에너지의 투입보다 더 작다. 이 격차는 표시된 것보다 더 극단적이곤 하다. 

생물학적 문화 에너지의 이용

생물학적 문화 에너지는 인간이 통제할 수 있는 생물학적 근원을 가진 에너지 투입이다. 여기에는 인간의 노동, 인간이 지휘하는 동물과 그 부산물의 노동, 인간이 지휘하는 모든 생물학적 활동이나 부산물이 포함된다. 대략적인 에너지 값을 지닌 생물학적 문화 에너지의 서로 다른 형태가 표20.2에 나와 있다. 

투입 유형	에너지 값
인간의 중노동(마체테로 벌목)	400-500kcal/ha
인간의 경노동(트랙터 운전)	175-200kcal/ha
대형 역축의 노동	2400kcal/ha
지역에서 생산된 종자	4000kcal/kg
소의 분뇨	1611kcal/kg
돼지의 분뇨	2403kcal/kg
판매 퇴비	2000kcal/kg
생물가스 슬러리	1730kcal/kg

표20.2 농업에 대한 몇 가지 유형의 생물학적 문화 에너지의 에너지 함량

출처: Cox, G.W. and Atkins, M.D., Agricultural Ecology, W. H. Freeman and Company, San Francisco, CA, 1979; Zhengfang, L., Energetic and ecological analysis of farming systems in Jiangsu Province, China, Presented at the 10th International Conference of the International Federation of Organic Agriculture Movements (IFOAM), Lincoln University, Lincoln, New Zealand, December 9–16, 1994; Pimentel, D. and Pimentel, M., Food, Energy, and Society, 3rd edn., CRC Press/Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL, 2008. 에서 자료

생물학적 문화 에너지는 궁극적 원천이 태양 에너지인 먹을거리 에너지에서 유래된다는 점에서 재생할 수 있다. 또한 생물학적 문화 에너지는 수확할수 있는 바이오매스의 생산을 촉진하는 데에도 효율적이다. 우리가 이전에 보았듯이, 주로 생물학적 문화 에너지에 의존하는 농업생태계는 에너지 산출 대 투입의 가장 유리한 비율을 얻을수 있다. 

인간의 노동은 농업이 시작된 이래로 핵심적인 문화 에너지 투입이었고, 오늘날 세계의 여러 지역에서 동물의 노동과 함께 주요한 에너지 투입이 계속되고 있다. 예를 들어, 이동식 화전 경작 체계에서, 인간의 노동은 광합성을통해 포획되는 에너지 이외에 추가되는 사실상 유일한 형태의 에너지이다. 이러한 체계의 10:1-40:1의 범위로 나타나는 문화 에너지 투자 대 먹을거리 에너지 생산의 높은 비율은 인간의 노동이 얼마나 효율적으로 태양 에너지를 수확할 수 있는 물질로 전환시킬 수 있는지를 반영한다(Rappaport 1971; Pimentel and Pimentel 2008). 예를 들어,멕시코의 전통적인 이동식 경작 또는 화전의 옥수수에 대한 에너지 수지는 그림20.7에 나와 있다. 

그림20.7 멕시코의 전통적인 이동식 경작의 옥수수에 대한 문화 에너지 투입. 이 체계의 문화 에너지 투입 대 먹을거리 에너지 산출의 비율은 10.7:1이다. 도끼와 괭이(벌목과 종자 파종용)만 산업적 문화 에너지의 투입을 필요로 했다. (Pimentel, D. and Pimentel, M., Food, Energy, and Society, 3rd edn., CRC Press/Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL, 2008. 에서 자료)

생물학적 문화 에너지가 주요한 투입인 여러 유형의 전통적이고 기계화되지 않은 먹을거리 생산 체계는 문화 에너지에 대한 그들의 투자에서 매우 유리한 수익을 실현한다. 가축을 이동시키고 돌보는 일이 주요한 인간의 활동이며 동물은 자연 식생에서 그들의 먹을거리 에너지를 얻는 목축 농업생태계에서, 문화 에너지 투자 대 먹을거리에너지 생산의 비율은 3:1에서 10:1 정도이다. 집약적이고, 기계화되지 않은 농사 체계조차 양의 에너지 수지를 유지한다. 동남아시아 지역의 논벼 생산 체계는 문화 에너지 투자의 칼로리당 38칼로리의 먹을거리 에너지를 얻을 수 있다. 

이들 체계에서 인간 노동의 에너지 값은 일을 하는 동안 사람이 쓰는 먹을거리 칼로리가 얼마인지를 조사하여 계산된다. 비록 이 기법이 좋은 기준 자료를 제공하지만, 다양한 기타 요인들을 고려하지는 않는다. 한 예로, 일하는 동안 대사되는 먹을거리를 재배하는 데 필요한 에너지와 일하지 않을 때 인간 일꾼의 다른 모든 기본적 요구를 제공하는데 필요한 에너지를 고려할 수도 있다. 그러한 추가는 인간 노동의 에너지 값을 증가시킬 것이다. 다른 한편, 인간의 노동이 농업에서 에너지 투입으로 이용되든지 아니든지 인간의 기본적 요구는 제공되어야 하고,쉴 때도 먹을거리가 필요하다. 이를 토대로, 농작업을 수행하는 데 필요한 추가적 먹을거리 에너지만 고려하여 인간 노동의 에너지 비용을 줄일 수도 있다. 

주로 생물학적 문화 에너지에 의존하는 여러 농업생태계에서, 동물은 토양을 경운하고, 물건을 운송하며, 분뇨로바이오매스를 전환시키고, 젖과 고기 같은 단백질이 풍부한 먹을거리를 생산하는 중요한 역할을 담당한다. 이동식 경작에서 영구적 농업과 가축화가 발생하기 시작한 전환기에 농업에서 동물을 활용하는 일이 상당히 증가했다(그림20.8). 

그림20.8 에콰도르 쿠엥카 근처에서 옥수수 파종을 위해 쟁기질하는 소. 이 체계에서 에너지의 대부분은 재생할수 있는 지역의 근원에서 나온다. 

동물 노동의 활용은 전체 생물학적 문화 에너지 투입을 증가시키고 에너지 투자 대비 에너지 수확의 비율을 3:1 가까이 낮추지만, 이동식 농업 대신 영구적 농업을 할 수 있도록 하고, 재배할 수 있는 면적을 늘리고, 토양을 비옥하게 하는 분뇨를 생산하며, 육류와 젖, 동물성 산물을 수확할 수 있게 한다. 또한 동물은 인간이 직접 소비할 수 없는 바이오매스를 소비하여 그 상대적 에너지 비용을 낮춘다. 동물의 견인력을 활용한 옥수수 생산의 에너지효율에 대한 사례가 그림20.9에 나와 있다.

그림20.9 동물의 노동을 활용하여 전통적인 옥수수 생산 체계로 투입되는 문화 에너지. 이 체계의 문화 에너지 투입 대 먹을거리 에너지 산출 비율은 4.34:1이다. 토양으로 포함되는 덮개작물과 휴한 식물의 에너지는 계산에 포함되지 않는다. 토양으로 돌아가는 동물의 분뇨는 소의 에너지 투입에 포함되었다. (Cox, G.W. and Atkins, M.D., Agricultural Ecology, Freeman, San Francisco, CA, 1979; Pimentel, D. and Pimentel, M., Food, Energy, and Society, 3rd edn., CRC Press/ Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL, 2008.에서 자료) 

생물학적 문화 에너지는 지속가능한 농업의 중요한 구성요소이다. 인간과 그들의 동물에서 나오는 에너지 투입은일반적으로 재생할 수 있고, 태양 에너지의 더 많은 부분을 수확할 수 있는 먹을거리 에너지로 변환하는 데 도움이 되는 에너지를 제공한다. 인간과 동물 노동의 이용은 유용한 산물에 에너지를 집중시키는 방식으로 자연 생태계 과정을 변경함으로써 열역학 제1법칙을 활용하는데, 장기적으로 농업생태계를 유지하기 위하여 항상 태양에서 오는 에너지를 생태적 투입으로 되돌림으로써 여전히 제2법칙을 따른다. 생물학적 문화 에너지의 활동적 분석을 행할 때, 이런 형태의 에너지는 농업에 대한 경제적 비용 이상의 것임을 명심해야 한다. 이는 지속가능한 생산과정의 필수적인 부분이다. 

산업적 문화 에너지의 이용

농업이 기계화되기 시작하자 산업적 문화의 근원에서 오는 에너지를 이용하는 일이 급격히 증가했다. 기계화와 산업적 문화 에너지는 생산성을 크게 증가시켰을 뿐만 아니라, 농업 생산의 본질도 변화시켰다. 인간과 동물의 노동은 대체되었고, 농사는 화석연료 생산과 소비에 결부되었다. 

오늘날의 산업형 농업생태계는 산업적 문화 에너지 투입에 크게 의존하게 되었다. 미국의 옥수수 생산은 체계를 위한 거의 모든 에너지 투입이 산업적 근원에서 나오는 농업생태계의 좋은 사례이다. 그림20.10은 옥수수 생산에서 헥타르당 전체 에너지 투입 및 이 에너지가 다양한 투입 유형들 사이에 어떻게 분배되는지 보여준다. 인간 노동의 형태로 된 생물학적 문화 에너지는 이 체계에서 최소한의 부분이다. 

그림20.10 미국의 옥수수 생산에 이용되는 10,535,650kcal/ha에 달하는 문화 에너지의 구성요소. 전체 곡물 수확량은 평균 7500kg/ha이고, 킬로칼로리 산출 대 투입 비율은 2.5:1이다. (Pimentel, D. and Wen, D., Technological changes in energy use in U.S. agricultural production, in: Carrol, C.R., Vandermeer, J.H., and Rosset, P.M. (eds.), Agroecology, McGraw Hill, New York, 1990, pp. 147–164. 에서 자료) 

2차대전 이후 문화 에너지가 옥수수를 생산하는 데 이용되는 방식에서 일어난 변화는 일반적으로 농업에서 에너지 이용이 어떻게 변화했는지 보여주는 좋은 사례이다. 1945년에서 1983년 사이, 미국의 옥수수 수확량은 3배 증가했는데, 에너지 투입은 5배 이상 증가했다. 1945년 옥수수에서 에너지 투입 대 에너지 산출의 비율은 3.5:1에서 5.5:1 사이였다. 1975년까지 이 비율은 3.2:1에서 4.1:1 사이로 감소했고, 1990년대 초에는 2.53:1로 나타났다(Pimentel and Pimentel 2008). 지난 10년 동안 이러한 수익의 비율은 작물의 요구를 측정해 투입을 맞춤으로써("정밀 농업") 균형 잡힌 농업에 대한 투입이 계속 강화되면서 거의 똑같이 유지되었다.  

에너지의 측면에서 말하자면, 산업적 문화 에너지는 태양 에너지와 생물학적 문화 에너지 둘 모두보다 더 고품질의 것이다. 그것은 칼로리에 더 집중된 칼로리이고, 태양 에너지나 생물학적 문화 에너지보다 일을 하기에 더 큰 능력을 지니고 있다. 예를 들어 화석연료의 형태로 1kcal의 에너지는 태양 방사 1kcal의 약 2000배의 일을 할 수있다. 

하지만 산업적 문화 에너지는 일반적으로 그것이 할 수 있는 일의 관점에서 볼 때 매우 고품질의 것이지만, 이러한 에너지의 각 형태는 더 고품질의 상태를 갖게 하는 데 필요한 에너지의 양이 달라진다. 예를 들어, 킬로칼로리의 전기는 킬로칼로리의 석유 연료보다 4배의 일을 할 수 있지만, 전기를 생성하기 위하여 훨씬 더 많은 에너지가 소비되었다. 열역학 법칙에 따라 인간은 에너지를 응집하기 위하여 에너지를 소비해야 하며, 새로운 에너지는그 과정에서 생성될 수 없다. 그래서 우리는 그 에너지의 형태로 변환하기 위해 소비되는 에너지의 총량과 함께, 특정 형태의 에너지 킬로칼로리당 수행할 수 있는 절대적 일의 양에 많은 관심을 가지고 있다. 이러한 관점에서 산업적 문화 에너지 투입을 비교하기 위하여, 우리는 그 에너지 비용을 계산할 수 있다. 표20.3은 일반적으로 이용되는 산업적 에너지 투입에 대한 에너지 비용의 범위를 보여준다. 

기계(트럭과 트랙터 평균)	18,000kcal/kg
가솔린(정제 및 운송 포함)	16,500kcal/L
디젤(정제 및 운송 포함)	11,450kcal//L
LP 가스(정제 및 운송 포함)	7,700kcal/L
전기(발전 및 전송 포함)	3,100kcal/kWh
질소(질산암모늄으로)	14,700kcal/kg
인(중과린산석회로)	3,000kcal/kg
칼륨(탄산칼륨으로)	1,860kcal/kg
석회(채굴과 가공 포함)	295kcal/kg
살충제	85,680kcal/kg
제초제	111,070kcal/kg

표20.3 일반적으로 이용되는 산업적 문화 투입의 대략적인 에너지 비용

출처: Fluck, R.C. (ed.), Energy in Farm Production, Energy in World Agriculture, Vol. 6, Elsevier, Amsterdam, the Netherlands, 1992.에서 자료

산업적 문화 에너지는 농업에서 직간접적으로 이용된다. 직접적 이용은 산업적 문화 에너지가 트랙터와 운송 차량에 동력을 공급하고, 가공 기계와 관개 펌프를 가동하며, 온실을 덥히고 식히는 데 이용될 때 발생한다. 간접적에너지 이용은 산업적 문화 에너지가 농작업에서 사용되는 기계, 차량, 화학적 투입재 및 기타 재화와 서비스를 생산하기 위해 농장 외부에서 이용될 때 발생한다. 이러한 에너지는 우리가 때로는 농사 체계에서 소비되는 직접적 에너지를 계산할 때 간과하곤 하는 에너지 비용을 강조하기 위하여, 내재에너지 또는 에머지라고 부르기도 한다(Odum 1996). 전형적인 산업형 농사 체계에서, 에너지 이용의 약 1/3이 직접적이고, 2/3는 간접적이다. 

비료, 특히 질소 비료의 생산은 농업에서 간접적 에너지 이용의 대부분을 차지한다. 현대 농업에서 이용되는 모든 에너지의 거의 1/3이 질소 비료의 생산에 소비된다. 이 에너지 비용은 질소 비료가 너무 집약적으로 사용되고, 그것을 생산하는 데 너무 많은 에너지가 필요하기 때문에 높다. 예를 들어, 옥수수 생산에서는 헥타르당 전체 에너지 투입의 30%를 차지하는 약 152kg/ha의 질소 비료가 농지에 적용된다(Pimentel and Pimentel 2008). 이러한 에너지 투입은 분뇨, 생물학적 질소 고정, 순환을 통해 크게 줄일 수 있다.

간접적 에너지 이용의 또 다른 15%는 살충제의 생산에서 발생한다. 배합, 포장, 농장으로의 운송이 포함되면 에너지 비용은 어느 정도 더 높아진다. 새로운 살충제가 보통 수십 년 전에 흔히 사용되던 것보다 소량을 살포하게 되었지만, 살충제는 일반적으로 에너지 함량이 더 높다. 

농업에서 산업적 문화 에너지 투입의 대부분이 직간접적으로 화석연료에서 유래하거나, 그것의 제조를 위해 화석연료에 의존한다. 산업적 에너지의 다른 근원은 그것들이 비록 지역적 기준에선 중요할지 몰라도, 농업에서는 전반적으로 매우 작은 역할을 담당한다. 미국 중서부의 옥수수 생산을 위한 에너지 수지의 분석에 의하면, 산업적 에너지 투입의 90% 이상이 화석연료에서 유래하고, 생산에 필요한 전체 에너지의 1% 미만이 노동의 형태로 재생할 수 있는 생물학적 문화 에너지에서 유래된다고 밝혀졌다(Pimentel and Wen 1990). 작물 생산이 완전히 화석연료에 의존하면, 그러한 에너지의 비용이나 가용성에 영향을 미치는 무엇이든 농업에 극적인 충격을 줄 수 있다. 

현재의 추세는 증가하고 있는 생산 요구를 충족시키기 위하여 농업에서 화석연료의 사용이 계속하여 증가할 것으로 나타나(Pimentel and Pimentel 2008), 세계의 석유 매장량의 더 급격한 고갈, 탄소 배출과 기후변화에 대한 더 많은 기여, 화석연료에 대한 다른 용도와의 경쟁으로 이어질 것이다. 

농업생태계에서 지속가능한 에너지 이용을 위하여

에너지의 렌즈를 통하여 관행농업을 조사하는 일은 지속불가능성의 중요한 근원을 드러낸다. 산업형 농업이 오늘날 먹을거리 그 자체가 함유하는 것보다 더 많은 에너지를 생산과 가공, 운송 및 판매를 위해 사용하고 있으며, 이러한 투자된 에너지의 대부분은 한정된 공급원을 가진 근원에서 비롯된다. 우리는 우리 먹을거리를 생산하기 위해 화석연료에 의존하게 되었지만 화석연료가 늘 풍부한 공급원에서 이용할 수 있는 건 아니고, 항상 달러로 환산하여 상대적으로 저렴하지도 않다. 또한 농업에서 화석연료의 이용에 대한 의존은 우리의 먹을거리 생산 체계에서 거의 모든 지속불가능성의 다른 근원과 연결되어 있다. 

집약적 화석연료 이용의 문제

농업에 대한 에너지 투입 수준의 증가는 지난 수십 년 동안 세계의 많은 농업생태계에서 수확량 수준을 높이는 데 중요한 역할을 담당했다. 그러나 앞서 설명했듯이, 이들 에너지 투입의 대부분은 산업적 근원에서 비롯되고, 대부분은 화석연료의 이용에 기반을 두고 있다. 만약 세계 인구의 증가에 따라 먹을거리 수요를 충족시키려는 전략이 이러한 근원에 계속하여 의존한다면, 그 결과는 농업의 생태적 토대를 계속하여 훼손하고 경제적 위험을 높이며 사회문제를 야기할 것이다. 

가장 직접적으로, 농업에서 화석연료의 이용은 세계의 전체 탄소 배출의 많은 부분을 계속 차지하여 대기의 온실가스 증가에 크게 기여하고 기후변화를 추동하는 데에 도움을 줄 것이다. 농업의 화석연료에 대한 의존성이 지닌또 다른 문제는 더 간접적인데, 화석연료의 에너지 집약도가 어떻게 먹을거리 체계를 기능할 수 있게 하는지에 대한 결과이다. 이 책의 도처에서 지적했듯이, 생태적 과정이 무시될 때 환경 악화가 농업생태계에서 나타나기 시작한다. 집약적 문화 에너지 투입의 이용은 우리가 생태적 과정을 무시하도록 허락한 것이다. 무기질 비료의 적용으로 토양비옥도의 하락이 가려진다. 살충제는 농업의 생물다양성 감소에 기여하고 이를 숨긴다.  

그러나 생태적 과정을 무시한 결과는 이제 더욱 명백해지고 있다. 농장의 수준에서, 육중한 기계화로 전환하고 화석연료에서 유래된 화학적 투입재를 많이 사용하여 유기물 상실, 양분 침출, 토양 악화 및 토양침식의 증가라는 문제들을 야기했다. 물 공급원이 오염되고, 지하수를 과도하게 퍼올려 대수층이 고갈되며 물 부족이 발생하고있다. 해충과 질병은 살충제의 남용으로 저항성을 발달시켰고, 살충제는 농장의 환경과 자연 생태계를 모두 오염시켜 농민과 농업노동자의 건강 문제를 야기하고 익충과 미생물의 개체군을 파괴하고 있다. 

농장 외부에서, 기계화된 농업과 관련된 비바람에 의한 토양침식은 다른 체계, 특히 하천에 부정적 영향을 미쳤다. 질소비료(N2O와 NO)에서 나오는 가스 배출에 대한 최근의 연구는 대기에 이들 물질이 추가되는 것이 세계의 질소 순환에 충격을 주기 시작하고, 오존층을 더욱 손상시키며, 기후변화를 악화시킨다고 밝혔다(Fields 2004).항상 농업에 대한 높은 산업적 에너지 투입을 수반하는 농사 체계의 단순화는 지역의 생물다양성을 크게 상실시키고 있다.

경제적, 사회적 관점에서, 농업에서 화석연료 에너지에 대한 과도한 의존으로 생기는 문제는 이용되는 에너지에 대한 투자 수익의 효율성 문제를 훨씬 뛰어넘는다. 화석연료 이용에 대한 의존은 석유의 가격과 공급 변화에 더욱 취약해진다는 걸 뜻한다. 1973년 석유 파동과 그 이후의 주기적인 파동에서 보았듯이, 석유 가격은 갑자기 상승하여 농산물 생산 비용이 증가할 수 있다. 화석연료 소비가 전 세계적으로 계속 높아짐에 따라, 화석연료에 기반한 농업은 더욱 위험해졌다. 개발도상국들이 증가하는 먹을거리 수요를 충족시키고자 스스로 농업 산출을 강화해야 하는 시기에 문제는 더 심각해질 것이다. 

화석연료에 기반한 농업이 지닌 마지막 문제는 그것이 특정 종류의 농업 개발과 연결되어 있다는 점이다. 그것은세계 곳곳에서 전통농업을 대체해서 도시로 이주하게 만들고 문화적 유대를 붕괴시키며 자립을 훼손하는 대규모 기계화된 농업을 가능하게 한다.

미래 에너지의 방향

분명히, 지속가능한 먹을거리 생산은 에너지의 더 효율적 이용에 크게 의존할 뿐만 아니라, 특히 산업적 문화 에너지 투입과 화석연료에 대한 의존도가 덜하다. 이 장에서 제시된 것처럼, 농업에서 에너지를 더 지속가능하게 이용하는 핵심은 생물학적 문화 에너지의 이용을 확대하는 일이다. 생물학적 투입은 재생할 수 있을 뿐만 아니라, 지역에서 이용할 수 있으며 지역에서 통제할 수 있고, 친환경적이고, 농업생태계의 생태적 건강에 기여할 수 있는 이점이 있다. 또한 화석연료에 대한 의존을 줄이는 대안 에너지원과 적정기술로 전환하는 일도 중요하다. 

현재 이용되고 있는 여러 농업생태계는 미래를 향한 길을 제시한다. 동물과 콩과식물이 화석연료에서 유래된 투입재를 일부 대체하고 있는 전형적인 유기농업 체계는 동등한 산업형/관행 체계보다 28-32%의 에너지를 덜 소비한다(Pimentel et al. 2005). 덴마크의 한 연구는 목초-토끼풀이 통합된 유기 낙농장은 그 관행농 상대보다 전체 에너지 이용을 37.5% 줄일 수 있고, 유기농 곡물 및 두둑별 작물에 콩과식물을 돌려짓기로 활용하는 체계는 관행농 체계와 비교하여 전체 에너지 이용을 각각 81.5%와 75% 감소시켰다고 밝혔다(Dalgaard et al. 2001; Dalgaard 2013). 

이 책 전반에 걸쳐 제시된 생태학에 기반한 선택과 접근법 가운데 많은 부분이 에너지 효율을 개선하는 일과 직접적으로 관련되어 있다. 그것들은 에너지를 더 지속가능한 방식으로 이용하는 먹을거리 생산 체계를 구축하기 위한 여러 전략을 제안한다. 

 

1. 산업적 문화 에너지, 특히 화석연료처럼 재생할 수 없거나 오염을 시키는 근원의 이용을 줄인다. 

  a. 기계화된 경운이 덜 필요한 최소 또는 감소 경운 체계를 이용한다.

  b. 관개를 위해 소비되는 에너지의 양을 줄이기 위하여 물 사용과 물 손실을 줄이는 방법을 채택한다.

  c. 인공적 투입재를 필요로 하지 않고 각 작부 주기에 의해 야기되는 교란에서 회복되도록 자극하는 적절한 작물 돌려짓기와 연계를 이용한다.

  d. 화석연료와 그 쓰임을 대체하기 위한 재생할 수 있고 에너지 효율적인 산업적 문화의 근원과 에너지의 이용을 개발한다. 

  e. 가능하면 농장 내의 산업적 문화 에너지의 근원(예, 태양광 전기, 풍력 에너지, 소수력발전, 생물연료)을 개발한다.

  f. 폐기물을 줄이고, 에너지의 품질과 그 쓰임을 더욱 적절히 일치시켜서 산업적 문화 에너지를 더 효율적으로 이용한다.

  g. 동물성 산물의 전반적인 소비를 줄이고, 소비되는 동물성 산물의 경우 방목되거나 목초를 먹이거나 버려지게 될 농작물 바이오매스로 사육하는 가축에 더 의존한다. 

  h. 생산을 지역화하고, 계절적 및 지리적으로 소비자와 생산자를 더 직접적으로 접촉하게 하여 농업 부문의 에너지 사용을 줄인다.

2. 생물학적 문화 에너지의 이용을 증가시킨다.

  a. 인간 에너지를 감소시키거나 제거해야 할 경제적 비용이라고 보기보다는 농업의 에너지 흐름에서 필수적 부분으로 본다. 

  b. 수확된 양분을 그것이 비롯된 농지로 돌려준다. 

  c. 토양비옥도와 품질을 유지하기 위하여 분뇨와 식물의 부산물을 더 광범위하게 이용한다. 

  d. 일을 제공하는 가축의 능력을 이용하고, 농장에서 양분을 순환시키며, 기타 생태계 서비스(19장 참조)를 제공하는 통합된 가축과 작물 체계를 설계하고 구현한다. 

  e. 장거리 운송의 에너지 비용을 줄이기 위하여 지역과 농장 내에서 이용하는 농산물을 증가시킨다.

  f. 생물학적 방제와 통합 해충 관리의 이용을 확대한다.

  g. 외부 투입재의 필요성을 줄이기 위하여 작물의 뿌리에 있는 균근 관계의 존재를 장려한다.

3. 생물학적, 생태적 관계가 양분과 바이오매스 투입 및 개체군 조절 과정을 더 많이 제공하여서 더 낮은 수준의 문화 에너지 투입이 필요한 농업생태계를 설계한다.

  a. 질소 고정 작물, 풋거름, 휴한을 더 잘 이용한다.

  b. 덮개작물, 사이짓기, 익충의 장려, 잘 설계된 가축 통합 등을 통하여 생물학적 해충 관리를 더 잘 이용한다.

  c. 작물의 요구를 충족시키기 위하여 환경을 변경하려 시도하기보다는 지역의 환경에 적절하거나 적응된 작물을 도입한다.

  d. 서식지와 미기후 관리를 위하여 방풍림, 생울타리, 비작물 지역을 작부체계에 통합시킨다.

  e. 지역의 자연 생태계를 모델로 이용하여 농업생태계를 설계한다. 

  f. 더 나은 농업생태계의 재생력을 유지하기 위하여 작부체계에서 천이 발달의 이용(예, 혼농임업을 통해)을 최대화한다. 

  g. 농사 체계를 단순화하기보다는 다양화한다.

4. 농업을 순수한 탄소의 흡수원으로 만들어서 기후변화를 중화시키는 힘을 갖도록 하기 위하여 바이오매스 또는 토양 유기물에 탄소를 저장하는 농업생태계의 설계와 관리 접근법을 강조한다. 

5. 효율성, 생산성, 재생가능성(23장 참조)이란 병렬의 목표를 포함하는 에너지와 관련된 지속가능성의 지표를 개발한다.

우리는 화석연료를 계속하여 집약적으로 사용하지 않으면 농업이 전 세계적으로 증가하는 먹을거리 수요를 충족시킬 수 없을 것이란 주장을 너무 자주 듣는다. 이러한 관점은 앞으로 수십 년 동안 우리가 직면할 주요한 과제를강조하지만, 그 관점은 현재의 먹을거리 생산 방식으로 야기된 문제들의 심각성과 만약 연구가 농업생태계의 전체 체계 분석을 목표로 하면 존재하고 개발될 수 있는 매우 현실적이고 실용적인 대안들을 모두 무시한다.

또한 우리는 화석연료를 대신해 생물연료에 의존할 수도 없다. 현재 생물연료를 개발하려는 분투는 생물연료의 생산이 직접적인 인간의 소비와 농업에서 쓰이는 것에서 바이오매스와 먹을거리 산물을 다른 곳으로 돌리기 때문에 상당한 위험이 있다(Hunt et al. 2006). 게다가 생물연료는 좀처럼 양의 에너지 균형을 갖지 않는다. 예를 들어,1000L의 에탄올을 생산하려면 830만kcal의 에너지(그 대부분이 화석연료로부터)가 필요한데 똑같은 1000L의 에탄올은 에너지 값이 500만kcal에 불과하다(Pimentel et al. 1998). 비록 생물연료가 더욱 지속가능한 농업생태계를 개발하는 데에 그 지위를 갖고 있지만, 그것은 일부가 주장하는 쉬운 해결책은 아니다. 

20세기 농업에서 에너지 이용의 급격한 증가는 농사의 본질을 근본적으로 변화시켰다. 농업에서 생태적 요인이 되는 에너지와 전체 농업생태계의 신생 특징이 되는 그것의 이용과 흐름을 이해함으로써 현행 농법을 평가하는 더 나은 수단을 개발하는 동시에 21세기 세계의 먹을거리 생산 체계를 위한 더 지속가능한 기반을 확립하는 농법과 정책의 개발에 기여할 수 있다. 대안적이고 생태적으로 건전한 에너지 이용과 전환 체계를 개발하는 데 오래 걸릴수록 우리의 현행 에너지 의존적인 체계는 더욱 취약해질 것이다. 

사례 연구: 햇빛 농장(Sunshine Farm) 프로젝트

1900년대 중반 이전에 많은 농장이 주로 햇빛을 받아 운영되었다. 그들은 토양비옥도를 유지하기 위하여 작물 돌려짓기와 농장에서 생산된 분뇨를 사용하고, 일은 역마와 농장에서 태어난 사람들이 수행했다. 100년 전의 이러한 농장을 염두에 두고 토지 연구소(Land Institute)의 마티 벤더Marty Bender 씨는 1990년대 초 자체의연료와 비옥도를 제공할 수 있는 현대적 농장을 창설하기 시작했다. 그 결과 캔자스 살리나 근처에 약 20헥타르의 관행적 작물과 소들이 방목되는 약 40헥타르의 대초원 목초지로 구성된 10년짜리 시범사업인 햇빛 농장이었다. 

농장이 형성되면서, 그곳은 1900년대 초와 그 이전의 농장과 많은 유사점을 보였다. 가축과 작물이 통합되고, 역마가 일을 수행하며, 다양한 작물이 재배되고, 어느 시기에는 농경지의 약 40%에 콩과식물을 심었다. 그러나 1920년대의 농민과 달리 벤더 씨는 원하는 대로 쓸 수 있는 새로운 재생할 수 있는 에너지 기술을 보유하고 있었다.  

 

그는 작업장의 도구를 가동하고, 전기 울타리를 충전하고, 양수기를 돌리며, 부화기를 가열하고, 농가에 전기를 제공하는 등 농장의 모든 전력 요구를 제공하고자 설치된 4.5kW 광전지 배열이 있었다. 페르슈롱Percheron 역마 한 쌍과 바이오디젤 트랙터는 농지 운영을 위한 동력원을 제공했다. 벤더 씨는 트랙터의 바이오디젤 연료를 위한 원료를 제공하고자 대두와 해바라기를 농경지의 약 1/4에 심었다. 그러나 농장 안에서 가공할 수 없었기에, 유지종자는 지역의 협동조합에 판매하고 동등한 양의 바이오디젤 연료를 구매했다. 

농장의 상업적 사업의 측면인 가축은 달걀과 닭고기를 생산하기 위해 사육하는 가금류와 함께 육우로 구성되었다. 이들 동물(및 역마)을 위한 사료의 약 3/4은 농장에서 생산되었다. 작물 측면에서, 밀은 판매용으로 재배되고, 초과된 유지종자 깻묵도 판매했다. 농장 운영의 주요 구성요소는 표20.4에 나열되어 있다. 

에너지원	구성요소	기능
농장에서 생산된 곡식에 더하여 일부 구매된 사료	역마	농지 운영
햇빛	4.5kW 광전지 배열	작업장 도구, 양수기, 전기 울타리, 부화기를 위한 전기
농장에서 나온 원료 분담과 함께, 지역의 협동조합에서 구매한 바이오디젤	바이오디젤 트랙터	농지 운영
농장에서 생산된 곡식에 더하여 일부 구매된 사료	텍사스 롱혼 육우	판매용
농장에서 생산된 곡식에 더하여 일부 구매된 사료	가금류	판매용(달걀과 닭고기)
1차 생산, 동물 분뇨	곡식 작물	판매용(밀)과 동물 사료(자주개자리, 수수, 귀리)
1차 생산, 동물 분뇨	유지종자 작물	바이오디젤 생산(압착유)와 동물 사료(깻묵)
1차 생산	콩과작물	질소 고정, 마초, 동물 사료

표20.4 에너지원 및 기능과 함께 햇빛 농장의 구성요소

에너지 회계는 햇빛 농장 프로젝트의 중요한 측면이었다. 벤더 씨와 동료는 동등한 에너지 값을 도출하고자 학술 문헌에 발표된 에너지 요인을 활용해, 농장의 모든 투입과 산출의 무게를 꼼꼼히 측정했다. 이러한 자료는 데이터베이스에 공들여 입력되어, 농장 전체와 그 구성요소의 사업에 대한 에너지 수지를 생성하는 데 이용되었다. 이러한 수지는 직간접적 에너지 비용이 모두 포함되었다. 

에너지 회계는 입증 과정에 걸쳐 농장의 에너지 요구 -자본 지출과 인간 노동에 구현된 에너지는 세지 않음- 가운데 약 90%가 농장 내의 투입에 의해 공급되었다고 밝혔다. 나머지 10%는 구매한 종자와 사료 및 판매한작물의 인과 칼륨에 구현된 에너지였다(Bender 2002; Baum et al. 2009).

햇빛 농장 프로젝트는 여러 용도로 사용되었다. 첫쨰로, 농사 운영이 수확량을 희생시키지 않으면서 에너지 자급에 근접할 수 있음을 입증했다. 여러 전통적 농법 -돌려짓기, 풋거름, 가축 통합, 작물 다양성, 역축의 이용- 이 에너지 효율적 농업생태계의 필수적인 구성요소일 수 있으며, 현대의 대안적인 에너지 기술도 중요한 역할을 담당할 수 있다는 걸 보여주었다. 게다가 개별 농장의 에너지 자급을 높이는 것이 화석연료에 대한 농업의 의존을 줄이는 유일한 수단은 아니라는 걸 보여주었다. 또한 햇빛 농장이 유지종자를 재배했지만 바이오디젤 연료의 생산은 대형 협동조합에 맡기고 광전지 배열은 지역의 전력망에 결부시킨 것처럼, 지역의 재생에너지 경제로 농장을 통합시켜야 할 수도 있다. 

생각거리

1. 생물학적 문화 에너지 투입과 산업적 문화 에너지 투입은 생태적 영향과 관련하여 어떻게 다른가?

2. 재생할 수 있는 근원에서 얻을 수 있는 농업에 대한 산업적 문화 에너지 투입의 유형은 무엇인가?

3. 우리는 어떻게 재생할 수 없는 에너지원을 재생할 수 있는 에너지원으로 대체하면서 증가하는 먹을거리 수요를 충족시킬 수 있는가?

4. 농업생태계에서 에너지 집중과 이송의 효율성과 효과를 향상시키는 데 동물은 어떤 역할을 담당할 수 있는가?  

5. 농업에서 지속가능한 에너지의 이용에 대한 여러분의 정의는 무엇인가?

6. 화석연료의 이용은 산업형 농업의 환경 비용을 어떻게 감추었는가?

7. 우리의 "기술에 대한 신뢰"는 생태학에 기반하는, 농업을 위한 지속가능한 에너지원의 개발에 어떤 영향을 미쳤는가?

8. 에너지가 사용될 농장에서 에너지 작물을 "재배하는" 일에 대한 제약은 무엇인가? 

인터넷 자료

Alternative Fuels Data Center 

http://www.eere.energy.gov/afdc

A vast collection of information on alternative fuels and the vehicles that use them.

Land Institute 

http://www.landinstitute.org

A nonprofit research and education organization that promotes natural systems agriculture, in which nature is the model for reconnecting people, land, and community. 

National Sustainable Agriculture Information Service: Energy in Agriculture 

http://www.attra.ncat.org/energy.html 

This private, nonprofit organization helps people by championing small-scale, local, and sustainable solutions to reduce poverty, promote healthy communities, and protect natural resources. 

Resilience 

http://www.resilience.org

An information source for building sustainable and resilient communities, with a section focused on energy use and independence. 

United States Energy Information Administration 

http://www.eia.gov 

An extensive source of information on all energy sources and uses in the United States, including alternative and renewable energy. 

Windustry: Wind Farmers Network 

http://www.windustry.org 

A nonprofit organization working to create an understanding of wind energy opportunities for rural economic benefit.

읽을거리

El Bassam, N., P. Maegaard, and M. Schlichting. 2012. Distributed Renewable Energies for Off-Grid Communities: Strategies and Technologies toward Achieving Sustainability in Energy Generation and Supply. Newnes: Boston, MA. 

For the more than two billion people in the world who do not have access to modern electric systems, and for those who want to disconnect, this book is a wealth of information on alternative energy systems. 

Fluck, R. C. (ed.). 1992. Energy in Farm Production. Energy in World Agriculture, Vol. 6. Elsevier: Amsterdam, the Netherlands. 

Still the most comprehensive review of the basic principles of energy use in agriculture; includes data on energy use efficiency and potential alternative energy sources. 

Odum, H. T. 1983. Systems Ecology: An Introduction. Wiley: New York. 

A key work on the systems view in ecology that analyzes how energy flows through natural ecosystems and examines how this knowledge can be linked to the sustainability of humanmanaged systems. 

Outlaw, J. L., K. J. Collins, and J. A. Duffield. 2005. Agriculture as a Producer and Consumer of Energy. CABI Publishing: Wallingford, U.K. 

An examination of agriculture’s role as a producer and consumer of energy, including recent research on issues related to efficiency, alternative fuels, and environmental impact. 

Pimentel, D. (ed.). 2008. Global Economic and Environmental Aspects of Biofuels. CRC Press/Taylor & Francis Group: Boca Raton, FL. 

An important book that addresses the key environmental and economic issues associated with the production of biofuels, with a clear message that it will not be a viable alternative to fossil fuels if it continues to displace food production and impact the environment. 

Pimentel, D. and M. Pimentel (eds.). 2008. Food, Energy, and Society, 2nd edn. University Press of Colorado: Niwot, CO. 

A review of the problems inherent in an agriculture that is dependent on nonrenewable sources of energy and the complex issues involved in developing alternatives. 

van Ierland, E. C. and A. O. Lansink (eds.). 2002. Economics of Sustainable Energy in Agriculture. Springer: Berlin, Germany. 

A collection of case studies on energy efficiency improvement and the use of biomass for more sustainable agricultural systems.