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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.

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. 

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. 

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. 

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. 

농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

19장 농업생태계의 동물

가축은 1장에서 이야기한 산업형 농업의 지속불가능성에 대한 여러 이유에서 두드러지게 나타난다. 공장식 사육시설(CAFO)는 공기와 물을 오염시켜 분뇨를 자원이 아닌 문제로 만든다. 육류 산업은 경제력 집중, 수직계열화, 가족농의 적 등의 대표적 사례이다. 동물사료용 대두와 옥수수의 생산이 세계의 경작지를 차지하는 비율이 지나치게 높다. 인간의 소비를 위한 육류와 축산물의 집중적 생산은 에너지를 비효율적으로 쓰고 생태적으로 해롭다. 육류의 공장식 축산은 소규모 가축 생산에 의존하는 개발도상국의 농촌에 거주하는 농민들의 경제적 기반을 약화시키는 경향이 있다. 육류 소비를 늘리는 경향이 있는 식생활은 빈부격차를 더 두드러지게 만든다. 광우병과조류 인플루엔자 같은 가축의 질병은 인류를 위협한다. 항생제와 호르몬이 함유된 육류와 동물성 지방이 너무 많은 식생활에 의해 나타나는 인간의 건강에 대한 위험과 결합된 이들 문제는 가축을 나쁘게 보이도록 하여, 지속가능성의 옹호자, 소비자 활동가만이 아니라 채식주의자와 동물권 활동가 같은 산업형 농업의 여러 비판자들의 비판 대상이 되고 있다. 

확실히 그러한 비판 가운데 일부는 그럴 만한 가치가 있다. 하지만 문제는 동물이 오늘날의 농업생태계와 먹을거리 체계에 통합되는 방식과 관련이 있지, 동물 자체나 그들을 먹을거리로 이용하는 데 있는 게 아니다. 동물은 농업생태계에서 여러 이로운 역할을 담당할 수 있기에, 지속가능성에게 매우 기여한다. 실제로, 이번 장에서 볼 수 있듯이 농업생태계에 동물을 포함시키는 일은 생태적 지속가능성과 경제적 실현성을 실행하는 데 차이를 만들곤 한다. 

비교적 최근 농업의 역사에서 -미국에서 세기가 바뀔 즈음에- 농장에는 가축과 작물이 모두 당연히 포함되었다. 이 장의 핵심 개념을 사용하여, 작물과 가축이 통합되었다. 그 이후에 발생한 작물과 가축 사이의 분리는 문자 그대로 농업의 붕괴를 나타낸다. 이러한 분열은 우리 먹을거리 체계의 생태적 기반을 위협할 뿐만 아니라,  우리의 가축과 함께 개발해 온 수천 년에 걸친 상리공생의 관계를 근본적으로 변경시켰다. 

지속가능성은 오늘날 부분적으로는 동물과 작물을 재통합하는 데 달려 있다(그림19.1). 그것은 우리의 먹을거리체계에서 동물성 단백질을 거부하도록 요구하는 게 아니라, 후기 산업화 시대로 산업화 이전의 농업이 지녔던 최고의 측면을 적용시키기 위하여 농생태학의 개념과 원리를 활용해 가축을 먹을거리로 사육하는 합리적이고 통합된 접근법을 요구하는 것이다. 이번 장에서 우리는 이러한 재통합이 일어날 수 있는 방법을 모색할 것이다. 초점은 축산업을 지속가능하게 만드는 방법이 아니라, 작물과 동물을 혼합함으로써 얻는 상승작용과 우리를 지속가능성으로 향하게 하는 그들의 역할에 둔다. 

그림19.1 캘리포니아 트레스 피노스 근처의 유기농 호두와 닭이 함께 통합된 농사 체계. 이동식 닭장이 날마다 옮겨다녀서 닭들이 먹이를 먹게 하여 잡초 관리에 도움이 되고, 토양에 분뇨를 추가하게 된다. 호두나무는 뜨거운 여름에 그늘을 제공한다. 닭은 소비자에게 직거래되어, 목장에 와서 자신의 갓 도축된 주문을 받아 간다. 호두는 가을에 수확된다. 덮개작물은 겨울철에 재배된다. 

생태계에서 동물의 역할

동물 -대체로 종속영양생물로 정의된- 은 지구의 모든 생태계의 필수 구성요소이다. 그들은 독립영양생물(식물)을 소비하고, 그들의 바이오매스를 동물성 바이오매스로 변형시키며, 결국 양분이 풍부한 폐기물과 한때 살아 있던 유기물의 형태로 독립영양생물에게 다시 순환된다. 농업생태계는 바이오매스를 수확할 목적으로 관리되어 자연 생태계가 변형된 것이기에 동물 역시 필요로 한다. 물론 농업생태계에서 수확된 바이오매스의 궁극적 소비자인 인간은 모든 농업생태계에서 동물의 역할을 수행한다. 하지만 우리가 그 역할을 하는 유일한 종이어서는 안 되는 여러 가지 이유가 있다. 자연 생태계가 입증하듯이, 농업생태계에는 다양한 동물 종을 위한 충분한 공간이 있다. 

우리가 비인간 동물을 작물을 기반으로 하는 농업생태계로 재통합시켜 더욱 지속가능한 먹을거리 생산 체계를 달성하는 데 도움이 될 수 있는 방식을 모색하려면, 우리는 늘 그렇듯이 자연 생태계에서 시작해야 한다. 생태계는 동물이 생태적 온전함과 안정성을 방해하거나 악화시키기보다는 오히려 어떻게 향상시킬 수 있는지를 보여준다.

동물이 자연 생태계의 구조와 기능에서 하는 역할에 대해서는 2장에서 상세히 논의되었다. 13장에서 우리는 동물이 작물과 직면하고 있는 환경의 요인으로 작용할 수 있는 여러 방법(예, 수분매개자와 초식동물로서)에 대해 논의하고, 농업생태계에서 먹을거리와 섬유의 생산을 위해 흔히 사용되는 동물의 기본적인 생리학적 과정과 영양요구를 다루었다. 여기에서 우리는 가축을 포함시키는 농업생태계의 설계와 관리에 그 지식을 적용해 나아가는 괌점에서 그 장들에서 제시된 개념들을 검토하고 확장한다. 

식생의 형성

생태계의 영양 구조에서 종속영양 유기체인 초식성 동물은 식물이 생산한 바이오매스를 소비하고, 이러한 먹이 활동이 육상의 생태계에서 집합적으로 식생이라 부르는 식물 종들의 풍부함, 분포, 다양성에 영향을 미친다. 그러므로 초식성 동물은 육상 생태계 대부분의 구조적 구성에 대한 주요한 구성요소 -결정 요인- 이다.

초식동물과 그들이 소비하는 식물 사이의 긴밀한 연관 떄문에, 많은 생태계는 초식동물의 다양성과 꽃의 다양성 사이에 강한 상관관계를 나타낸다. 예를 들어, 동아프리카의 세렝게티에서 다양한 유제류 동물상이 뜯어 먹는 여러 종들은 포식성 동물과 식물 모두의 놀라운 풍요로움과 밀접하게 연결되어 있다(McNaughton 1985, 1990; Murray and Illius 1996). 풀을 뜯어 먹는 10종 이상의 유제류가 아주 가까이에서 발견될 수 있고, 몇몇 종들은 혼합된 집단으로 함께 발견된다. 이들 초식동물은 서로 다른 식물 종, 식물의 서로 다른 부분(잎, 줄기, 꽃) 및 서로 다른 생활 단계(생풀 또는 마른풀)에 있는 식물을 먹는다. 게다가 이주 주기 때문에, 연중 서로 다른 시기에 식물에게 그들의 초식성 압력을 가한다. 각각의 초식동물 종들의 식이성 특수화에서 나타나는 이러한 차이는 초식에 대응하고 그를 활용해 다른 식물과의 종간 경쟁을 최소화하고자 다양한 전략을 따르는 구성요소인 식생과 함께 공진화했다. 그 결과 체계의 구조적 다양성이 지위 중복, 공존, 상리공생이 진화하도록 하고 더욱 다양해지도록 기여했다. 

북아메리카 대평원의 여러해살이 풀 대초원 생태계 -그 토착의 형태로- 는 꽃의 다양성과 결부된 초식동물 다양성의 또 다른 사례였다(그림19.2). 들소, 엘크, 영양 및 기타 풀을 뜯는 동물들이 서로 다른 식물 종과 서로 다른 식물의 부분을 계절의 서로 다른 시기에 선택적으로 소비하여, 짧은 풀과 중간 풀, 긴 풀의 종들로 구성된 대초원의 식생과 공진화한다. 또한 대초원 생태계는 초식동물이 생태계 구조에 직접적인 영향을 미친다는 사실을 입증하기도 했다. 짧은 풀과 중간 풀, 긴 풀 종들의 비율은 토양의 유형과 강우량 같은 비생물 요인으로 인해 한 방향이나 다른 방향으로 이동하는 것과 함께 풀을 뜯는 행위와 화재에 의해 주로 결정되었다(Briske 1996). 대초원초식동물의 야생의 무리가 심각하게 감소한 이후, 토착 식물의 종 구성도 바뀌었다.

그림19.2 캔자스 맨해튼 근처의 콘자Konza 대초원 생물실험소(Biological Station)에 방목되고 있는 들소. 들소는 미국 중서부 대부분의 대초원 생태계를 형성하는 핵심 요소였다. (사진 제공 Catherine Burns)

토착 대초원 생태계의 최근 복원 프로그램은 이러한 토착 방목 압력을 회복시키는 방법에 대한 과제에 직면해 있고, 화재와 풀 베기나 가축의 활용과 함께 자연 방목을 모방해야 하는 대안에 직면해 있다. 오클라호마에 있는 긴풀 대초원 보호구역(Tallgrass Prairie Reserve)에서, 자연보호협회(Nature Conservancy)는 2500마리 이상의 들소 무리와 대초원 생태계를 복원하고 그 원래의 토착 식물과 동물의 다양성을 촉진하고자 규정된 불태우기인 "부분 소각" 관리도구를 활용하고 있다. 또 다른 사례로, 세계 야생생물 기금(WWF)은 북부 대평원 생태 지역의 약 690만-1100만 헥타르를 적어도 1만 마리의 들소 무리를 부양할 수 있을 뿐만 아니라, 그에 수반되는 이들 체계의 식물과 동물 다양성이란 특성을 지닌 충분히 큰 규모로 복원을 추진하려는 목표를 가지고 있다. 2006년 세계야생생물 기금은 그 아메리카 대초원 보호구역에 처음으로 200마리의 들소를 풀어주고, 2010년에 프레리도그가주변 목장에서 옮겨져 그들의 굴이 멸종위기에 처한 검은발족제비의 집으로 이용될 수도 있도록 보호구역의 중심지에 풀어 놓았다. 보호구역은 이들 동물 군집이 번성하는 데 필요한 크기를 함께 제공하는 공공, 민간, 부족의 토지라는 독특한 모자이크로 구성되어 있다. 

에너지 흐름의 활성화

초식동물이 식물을 먹고 차례로 육식성 동물에게 먹힐 때, 에너지는 한 영양 단계에서 다른 단계로 흐르고 있다. 당신은 영양 단계 사이의 에너지 흐름이 비효율적이란 사실을 떠올릴 것이다. 광합성으로 고정되고 식물성 바이오매스에 저장된 상대적으로 작은 비율의 태양 에너지는 그 바이오매스가 다음 영양 단계에서 동물성 바이오매스로 전환될 때 보존된다. 한 영양 단계에서 다른 단계로 이동하는 에너지의 대부분(최대 90%)은 동물에 의해 대사 열로 방출되거나 분뇨로 다시 토양에 쌓인다(Odum and Barrett 2005). 그러나 동물의 분뇨에 함유된 에너지는 토양 유기체 활동의 필수 동인이기에 상실되지 않는다. 

영양 단계에서 뛸 때마다 에너지가 상실된다는 것은 더 높은 단계마다 바이오매스가 계속해서 작아져야 한다는 걸 의미한다. 따라서 기본 생태학 교재의 "에너지 피라미드"와 비슷한 모양이 된다. 식물은 에너지 피라미드에서 바닥의 단계만 차지할 수 있기 때문에, 모든 단계에서 동물성 바이오매스에 저장된 에너지는 더 상위의 영양 단계마다 2차 소비자에게 필수적이다. 따라서 생태계의 동물 다양성은 에너지가 전달될 수 있는 영양 단계의 숫자,즉 대체로 에너지 피라미드의 높이와 동물상의 다양성이 주된 결정요인이다. 세렝게티의 사례로 돌아가서, 초식동물의 다양성은 치타, 사자, 하이에나, 땅늑대, 표범, 들개, 재칼, 독수리, 대머리수리, 악어를 포함하는 포식자와 기타 2차 소비자 및 다양한 작은 육식동물과 잡식동물의 상대적으로 높은 다양성을 가능하게 만드는 것이다.

양분의 순환

모든 자연 생태계에서 초식동물은 물질이 체계를 통해 순환되는 역동적인 과정에서 필수적인 역할을 담당한다. 효율성, 생산성, 안정성의 신생 특징은 모두 이러한 근본적인 생태계 과정과 연관된다. 

생태계는 동물, 분해자, 잔사식생물에 의존하여 식물성 물질에 저장되어 있는 양분을 방출한다. 그러므로 동물은질소 순환, 탄소 순환, 인 순환의 중요한 부분이다(모두 2장에서 논의함). 양분이 지질이나 대기의 저장소로 다시 배출되든지 아니든지, 처음 단계는 소화, 배설, 분해가 뒤따르는 식물 조직의 소비이다(그림19.3).

그림19.3 들소와 들소의 분뇨. 동물에 의한 식물성 바이오매스의 소비는 세계 대부분의 자연 생태계에서 양분의순환에 기여한다. (사진 제공 Catherine Burns)

군집의 역학에 대한 영향

앞서 논의했듯이, 초식은 생태계의 식생에 직접적인 영향을 미친다. 이는 구조적 의미에서 지적되었지만, 기능적의미에서 종간 상호작용과 생태계의 복잡성에 영향을 미치는 요인으로도 이해될 수 있다. 초식동물에 의한 방목이나 먹이 활동은 특정한 종이나 식물의 부분을 선택적으로 제거하는 것을 수반하여 군집에 있는 각 종의 개체군이 상호작용하는 방식에 영향을 미친다. 예를 들어 방목 압력은 특정한 식물의 종이 경쟁 배제를 통해 생태계를 우점하지 못하도록 막아서 다양성과 복잡성을 감소시키는 주요한 요인이 되곤 한다(그림19.4). 방목 패턴이 변화하면 -예를 들어 토착 방목자의 제거, 초식동물 개체군의 변화, 또는 비토착 초식동물의 도입 등으로 인해- 식물 종 우점의 변동이 불가피하게 발생한다.

그림19.4 스페인 남부에서 삼림지의 하층 식생을 개선하고 있는 소들. 동물은 중요한 순간에 체계를 이동하며 풀의 덮개를 관리하고, 나무의 발달을 촉진하며, 동물성 산물을 생산한다. 

초식동물이 군집의 역학에서 담당하는 중요한 역할의 사례는 도입된 종이 우점하는 생태계에 의해 제공된다. 세계의 많은 지역에서, 외래의 비토착 식물 종들은 도입된 비토착 방목 동물과 관련하여 우점을 확립하여 외래의 초식동물이 제거된 뒤에도 지속될 수 있도록 토착 생태계에 변화를 야기한다(Colvin and Gliessman 2000). 반대로 비토착 식물에 의한 침입은 소비를 통해 외래의 것을 통제할 수 있는 초식동물의 부재로 인하여 문제가 될 수 있다. 

동물, 특히 더 큰 초식동물이 어떻게 군집 역학의 일부로 기능하는지에 대한 인식과 앞서 논의된 기타 생태계 과정이 가축을 작물 생산으로 통합시킬 수 있는 방법을 고려할 때 우리를 안내할 수 있다. 식물의 종속영양 소비자(이자 어떤 경우에는 절지동물과 연체동물의 해충)로서 가축은 종들의 상호작용을 관리하고(16장), 농업생태계의다양성과 탄력성을 높이고(17장), 천이 과정을 활용하며(18장), 에너지 포획과 사용의 효율성을 최대화(20장)하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

가축과 농업의 공진화 

가장 초기의 인간 문화에서, 사람들은 수렵채집인으로서 토지에서 벗어나 생계를 꾸리며 그들 주변의 생태계에서이용할 수 있는 동물과 식물을 최대한 활용했다. 그러므로 일부 인간 사회가 더 큰 개체군을 부양하고 더 안정적으로 먹을거리 공급을 보장할 수 있는 경제를 개발함에 따라 그들이 식물을 길들이는 것과 거의 동시에 동물을 길들였다는 건 그리 놀랄 일이 아니다. 

길들임은 두 가지 의미에서 공진화의 과정이었다. 첫째, 15장에서 논의된 것처럼 길들인 종은 인간의 문화와 함께 일제히 변화하여 각각 다른 종에 의존하게 된다. 둘째, 식물의 작물화 -즉, 농업의 발전- 는 동물의 가축화와 방목과 목초 체계의 발달과 병행하여, 직접적으로 연결되곤 하며 진행되었다. 

전 세계적으로 매우 다른 환경과 생태계는 야생 종의 길들임을 기반으로 더욱 안정된 사회경제적 방식의 개발을 위한 매우 다른 기회를 제공하고, 서로 다른 제약을 부여했다. 일부 환경은 어떤 종류의 농업도 지원하기에는 너무 춥고 건조했지만, 가축화에 적합한 토착 유제동물을 제공했다. 다른 환경은 농업과 가축의 사육에 모두 좋았다. 농경사회로 발달하려는 선사시대의 인간 문화 가운데 일부는 동물에 기반한 체계를 만들고, 다른 일부는 작물에 기반한 체계를 만들었다. 어떤 경우에는 두 가지가 직접적으로 결합되었다. 

그러나 길들여진 동물에 거의 전적으로 의존하는 체계의 사례가 많이 있지만, 길들여진 동물이 전혀 없이 작물에기반한 체계는 거의 없다. 이런 의미에서 동물은 참으로 농업의 전형적인 특질이다. 

동물이 길들여진 곳이라면 어디나, 동물은 인간 사회의 필수적인 부분이 되어 돌봄과 존경을 모두 받았다. 이런 식으로 "공-진화"에 대한 상리공생적 의미가 완수되었다. 가축의 사육은 축산(animal husbandry)이라 부르기도 하여, 축산이란 용어의 오래된 의미에서 돌봄의 개념이 명백하다. 축산은 웹스터의 1913년 사전에 "길들여진 것의 돌봄; 경제; 길들여진 것의 관리; 절약"으로 정의되어 있다. 따라서 "축산"은 인간과 그 가정의 복리와 함께 길들여진 동물의 관리를 연결한다. 

방목과 목초 체계

먼저 우리는 초식동물을 방목하는 가축화에 기반하는 체계의 개발을 검토할 것이다. 이러한 농업 진화의 가닥은 오늘날까지 생존하여 동물 만의 체계를 낳았지만, 그것은 또한 식물과 동물을 모두 이용하는 통합된 체계의 진화에 직접적인 역할을 담당하기도 했다. 

15장에서 설명했듯이, 인간은 관찰력 있는 수렵채집인에서부터 야생 개체군들의 꼼꼼한 관리자, 가축을 길들이는 돌보미로 전환되었다. 이 과정에서 동물은 보호와 먹이, 번식을 위해 인간에게 의존하게 되고, 인간은 다양한 서비스와 산물을 동물에게 의존하게 되었다. 

지역의 환경 제약과 가축화에 적합한 토착 포유류 및 조류의 가용성에 따라, 동물을 포함시키는 다양한 유형의 먹을거리 생산 체계가 인간 사회에 의해 개발되었다. 이들 체계는 시간의 경과와 함께 다양한 방식으로 진화했는데, 전반적으로 동물이 더 철저히 가축화되고, 인간이 그 관리법을 강화하며, 동물이 먹는 식물 종들이 관리에 응하여 더 바람직한 특성을 개발했다고 공진화의 일반적 과정을 묘사할 수 있다. 

축산의 가장 이른 형태는 인간이 먹이와 물을 찾아 경관을 가로지르며 동물을 따라다니는 목가적 유목 생활이었다(Koocheki and Gliessman 2005). 이러한 생활 방식은 일반적으로 양과 염소의 야생 근연종 같은 야생 상태에 존재하는 동물들이 희박한 식생의 덮개에서 먹고 살고자 전적응한 상대적으로 극한인 반건조의 환경인 지역에서 개발되었다. 목가적 유목 생활은 인간의 공동체가 그 길들여진 동물의 무리가 없으면 생존할 수 있을지 의심스러운 일부 매우 건조하고 산간 지대인 곳에 아직도 존재한다. 최소한 상당한 기술적 개입 없이 작물 농업이 극도로 어렵거나 불가능한 지방에서, 이들 동물은 부족한 자원을 위해 먹이를 찾아다닐 수 있으며 인간이 직접적으로 소비할 수 없는 식생을 수확할 수 있는 동물성 산물로 바꾼다. 이들 체계의 돌보미로서 인간은 방목을 위한 그 경관의수용력의 한계를 존중하고, 자원 가용성의 계절적 및 지방적 변동을 이해하며, 그들의 동물이 필요로 하는 바에 따라 사회 구조를 개발시켜야 한다. 중동의 건조 지방에 가장 주목할 만한 유목 체계와 함께, 동물 가축화의 초기 시기로 거슬러 올라가는 잘 관리된 오늘날의 유목 체계의 사례들이 있다(그림19.5). 

그림19.5 이스라엘 네게브 사막의 유목 체계에서 목양업자가 이동시키고 있는 양. 이 지방의 강우량은 연간 30mm를 넘지 않아 작물 농업에는 너무 적다. 

강우량이 더 많고 수자원에 더 접근할 수 있는 세계의 일부 지역에서, 목가적 유목은 관리되는 방목의 유형으로 진화했다. 사람들은 영구 거주지를 수립하고, 동물은 명확한 방목지에 먹이를 찾는 시기 동안 풀어 놓는다. 좋은 축산은 동물을 돌보는 것만이 아니라, 방목지의 건강을 유지하는 것으로 진화했다. 10장에서 논의했듯이, 불은 이들 체계에서 목초와 방목지 개선을 위해 사용된 가장 초기의 도구 가운데 하나일 가능성이 높다. 이 체계는 자연 생태계를 기준으로 활용하는 인간 관리자가 식생의 구조, 종들의 구성, 풀사료의 품질 및 건강한 방목지나 목초지의 기타 지표에 대한 철두철미한 지식을 개발하고 유지했을 때 지속가능하다는 것이 입증되었다. 

관리되는 방목 체계는 건조 지역부터 습한 강우 상황까지, 온난한 기후부터 추운 기후까지, 대부분의 토양 유형과 조건에 걸쳐서, 자연 초원, 목초와 풀이 있는 떨기나무숲, 사바나 또는 초지의 군데군데 나무가 있는 개방된 삼림지, 또는 동물이 소비하기에 적합한 하층 식생을 지닌 숲에 이르기까지 오늘날 세계의 대부분 지역에 존재한다(Hodgson and Illius 1996). 그 방목 체계가 잘 관리되고 동물의 유형과 숫자가 식생에 적절할 때, 관리되는 방목 체계는 산업형 먹을거리 체계에서 동물로부터 유래되는 먹을거리의 대부분을 생산하는 데 이용되는 공장식 사육시설에 대한 지속가능한 대안이 된다. 

결국, 인간-가축 관계의 공진화는 인간이 사료의 품질과 양을 개선하고자 목초의 종을 심고 관리하는 또 다른 단계에 도달했다. 자연의 방목 생태게를 관리하는 일에서 식용 사료와 목초 종을 직접 파종하는 일로 전환한 것은 아마 경운 도구를 끌 수 있으며 토양을 개선하는 것으로 적용할 수 있는 분뇨를 생산하는 가축의 가축화와 함께 밀접히 연관되어 발생했을 것이다. 곡식의 크기, 사료의 품질, 성장 활력이 모두 증가함에 따라, 분명히 아주 유사한 공진화가 식물 쪽에서도 일어나고 있었다. 풀, 곡식, 콩류는 모두 각각 가축에게 보완적인 영양을 제공하고 균형 잡힌 양분을 토양으로 투입하는 목초의 혼합 가운데 일부가 되었다. 비가 내리지 않는 여름이나 추운 겨울철 같이 파종한 목초가 자라지 않는 시기가 길어지는 곳에서는 목초 바이오매스를 수확하고 말려 부족한 시기에 활용할 사료로 저장하여 그 시간 동안은 동물을 가둔 채 사육하는 체계가 개발되었다. 

그러한 목초 체계는 오늘날 전 세계적으로 아직도 매우 흔하며, 관리되는 방목 체계처럼 동물에 기반하는 먹을거리와 섬유 산물을 생산하는 매우 지속가능한 수단이 될 수 있다. 특히 동물 생산 체계가 매우 보편적인 곳의 여러 농업대학에서는 목초 설계, 관리, 개선의 연구에 전념하는 학과와 프로그램이 있다. 

혼합된 작물-가축 체계

동물과 사료용 식물의 공진화가 일어나고 있는 한편, 세계의 일부 지역에서 인간은 자신의 소비를 위해서도 작물을 개발하고 있었다. 동물은 작물의 거름을 위한 분뇨만이 아니라 경운과 운송력을 제공하고, 인간이 그 자신과 그들의 동물 및 환경 모두의 필요에 균형을 맞추었을 때 발생했을 것으로 예상되는 농장 경관의 다양화에 한몫했기 때문에, 동물은 거의 항상 이러한 작물 개발의 일부였다. 

초기 농경사회는 모두 가축화된 동물을 어느 정도 이용했다. 인더스 계곡의 고대 문화는 닭을 가축화했다. 동남아시아의 문화는 가금류와 물소를 사육했다. 메소포타미아에서는 소와 양, 염소가 중요했다(그림19.6). 길들일 수 있는 야생 종이 풍부하지 않은 신세계에서도 칠면조와 털이 없는 개 등의 가축화된 동물이 농경사회에서 중요한 역할을 담당했다. 예를 들어, 미국 남서부의 푸에블로 선조들은 옥수수, 강낭콩 호박을 재배했는데, 깃털과 비상 식량 및 거름을 위해 가축화된 칠면조를 사육했다. 

그림19.6 고대 메소포타미아의 가축화된 양. 루브르 박물관에 있는 이 돌 조각에 새겨진 양 같은 가축화된 동물은 "비옥한 초승달" 지역에서 이루어진 농업의 초기 형태에서 중요했다. 

식물과 동물의 통합 정도는 초기의 농업 체계에서 다양했다. 일부 사회에서는 작물 생산 체계가 가축 목초 체계와 함께 개발되었다. 다른 사회에서는 가축화된 동물에서 유래한 먹을거리가 작물을 기반으로 하는 체계를 보완했다. 어느 쪽이든, 패턴은 인류 문명의 주요한 중심지와 함께 개발되는 통합된 작물-가축 체계를 위해 설정되었다. 

이러한 통합된 체계는 각각의 구성요소, 또는 사업의 생태적 상보성을 활용하기 위해 작동하는 전체로서 함께 관리되는 서로 다른 활동의 다양한 혼합을 수반한다. 중동, 유럽, 북아프리카, 남아시아를 포함하여 적절한 강우가 내리는 세계의 여러 온대 지역에서 통합된 체계는 상당한 복잡성의 수준에 도달했다. 예를 들어, 초기의 근대 유럽에서 전형적인 통합된 농장은 각각의 구성요소의 여러 조합을 포함하는 돌려짓기와 휴한과 함께 수확할 수 있는 사료나 마초(한해살이와 여러해살이)를 위한 목초, 작물(한해살이와 여러해살이), 동물 방목 지역(목초로 활용되는 식물 종의 일부를 개선했을 가능성이 있음), 가축의 울타리, 숲이나 조림지, 어떤 종류의 습지, 개울이나 우물, 인간의 거주 및 활동을 위한 장소를 가지고 있었다.

이러한 양식의 통합된 농장 -과 축산과 관련된 문화적 가치- 은 미국으로 수입되어 모델 체계가 되었다. 20세기가 시작될 때까지 미국에서 대부분의 농장은 이러한 복합적 사업의 통합을 보여주었다. 통합된 농장은 오늘날 여전히 존재하지만, 가축과 작물 생산이 완전히 분리된 전문화되고 산업적 규모로 운영되는 곳이 훨씬 많다. 

가축과 작물의 분열은 2차대전 이후 전문화된 기계, 비료, 농약이 광범위하게 도입되며 이루어졌는데, 미국에서는 수십 년 전부터 농업의 전문화가 시작되었다(Gregson 1996). 균일한 시장의 신호와 멀리 떨어진 시장에 대응하기 위하여, 농민들은 재배 조건과 관리 및 기후에 대한 반응을 모두 표준화하는 효과를 지닌 생산 투입재에 의존하기 시작했다. 다양성은 덜 필요해 보였고, 농장은 단순화되기 시작했다. 효과적이고 저렴한 화학 비료에 접근할 준비가 되어 농민들은 토양의 건강을 유지하기 위해 더 이상 생물학적 질소 고정과 가축을 통한 양분 순환에 의존하지 않아도 된다는 인식이 조장되었다. 정부 지원 프로그램과 학술 연구기관은 전문화의 가치를 더욱 촉진했으며, 1980년대 말에는 가축과 작물의 분리가 상당히 완료되었다(Gregson 1996).  

그러나 우리가 1장에서 보았듯이, 가축과 작물의 분리와 -그리고 가축의 대규모 공장식 사육체계와 작물의 대규모 단작의 동반 성장- 연관된 문제들이 우리를 괴롭히기 위해 돌아왔다(Nierenberg 2005). 이제 지속가능성이 농업의 주요한 목표이고, 전문화를 촉진하는 투입재의 비용이 그들이 생산하는 작물의 가치보다 빠르게 상승하고 있어 작물과 가축을 통합하려는 발상이 다시 한 번 눈에 띄었다. 

방목과 목초에 기반한 동물 생산 체계는 또한 지속가능한 먹을거리 체계에 기여할 수 있는 그 잠재성 때문에 주목을 받았다. 그러한 체게에서 생산되는 모든 먹을거리(및 양모 같은 기타 산물)은 1차 생산자의 그것보다 더 높은 영양 단계에서 비롯되지만, 외부의 투입재 없이도 사실상 생산될 수 있다. 그들은 인간이 소화시킬 수 없는 셀룰로오스와 기타 복합적 식물의 바이오매스를 분해할 수 있는 소화기를 가지고 있기 때문에(13장 참조), 이들 체계에서 활용되는 방목되고 잎을 먹는 동물들은 인간이 먹을 수 없는 식물에서 비롯되는 먹을거리 칼로리에 접근할 수 있는 수단이 된다. 게다가 세계의 여러 지역에서(미국 남서부의 반건조지역 같은) 잘 관리된 방목지의 방목은 야생의 토착 유제동물에 의해 수행되었던 생태적 기능을 복제함으로써 생물다양성을 보전하는 데 도움이 될수 있다. 

통합된 농사 체계

통합된 농장은 가축이 농장의 운영으로 통합되어 "단지 시장성 있는 농상품으로서가 아니라 -과업을 수행하고 다른 사업들에게 서비스를 제공하여- 사업들 사이의 긍정적 상승효과를 획득하는" 곳이다(Clark 2004). 이러한 정의에서, '사업'은 판매할 수 있는 산물부터 잡초의 관리와 토양의 건강에 이르기까지 농장 체계의 모든 초점이나 목적을 가리킨다. 

농업생태게에 동물을 통합시킴으로써 발생하는 긍정적 상승효과는 대부분 가축과 작물 및 사료 식물의 생태적 상보성 때문에 발생한다. 식물은 동물을 먹이고, 동물의 배설물은 농축된 형태로 식물이 필요로 하는 양분을 제공한다. 따라서 통합된 체계 -단지 다양화된 것과는 대조되는- 는  이러한 상보성을 이용하여 작물 구성요소와 동물 구성요소 사이에 에너지와 양분을 이동시킨다. 이러한 방식으로 동물이 농업생태계로 통합되면, 자연계에서 작동하는 더 많은 생태계 과정을 농업생태계의 기능에 통합시켜 그 탄력성과 지속가능성을 증진할 수 있다. 

통합된 체계의 사례

동물의 사육과 작물의 재배를 똑같은 농업생태계에 통합시킨다는 기본 개념은 전 세계에 다양하게 표현되어 있다는 걸 발견한다. 가축 구성요소는 소, 양, 염소, 돼지, 토끼, 말, 황소, 야크, 물소, 가금류, 물새, 물고기, 조개, 벌, 누에를 포함하거나, 먹을거리와 섬유, 노동력, 분뇨, 생태계 서비스를 제공할 수 있는 다양한 종들을 포함하거나, 이들의 어떠한 조합을 포함할 수 있다. 작물 구성요소는 곡류, 콩류, 유지류, 방목되는 사료, 채소류, 감자류, 과일이나 견과 나무, 포도 및 기타 먹을거리 작물을 포함할 수 있다. 이들 선택지가 주어지면, 통합의 가능성은 거의 무한하다. 가장 중요한 체계의 유형 가운데 네 가지가 아래와 같이 설명된다. 

방목되는 목초지의 단계를 지닌 작물 돌려짓기

작부체계로 가축을 통합시키는 가장 광범위하고 널리 적용할 수 있는 방식은 방목되는 목초지의 돌려짓기이다. 농법의 세부 내용은 매우 다양하지만, 그 핵심은 인간의 소비를 위해 재배되는 작물(곡류)과 가축이 방목되는 목초 작물을 농지에서 돌려짓기하는 것이다. 이러한 주제의 변형은 방목하지 않으며 목초 작물을 재배한 다음, 갇혀 있는 가축을 위해 그걸 사료로 수확하는 것이다. 방목되는 목초지의 돌려짓기는 예전에 전 세계적으로 흔한 일이었는데, 가축의 유형과 목초의 종, 작물 종 및 돌려짓기 시기는 모두 지역의 조건에 맞추어 조정되었다. 

이 책의 다른 부분에서 논의된 바와 같이, 일반적으로 작물 돌려짓기는 전반적인 농업생태계의 지속가능성을 위해 많은 장점이 있다. 잡초의 성장(14장), 농업생태계의 다양성(17장), 물 가용성(9장)은 긍정적인 영향을 미치는 몇 가지 요인일 뿐이다. 동물 구성요소가 포함되면, 돌려짓기 순서를 위한 선택지와 돌려짓기의 잠재적 혜택 모두가 증가한다. 

농목축(Agropastoral) 체계

세계의 일부 산악 지역, 특히 파키스탄, 인도, 중국, 네팔, 부탄에서 가장 흔한 전통적 농업 체계는 사실상 농목축이다. 더 따뜻한 계곡에서 작물을 생산하는 일은 여름철 고원의 목초지에서 가축을 방목하는 일과 결합된다. 보통 가축은 소득과 먹을거리의 주요한 원천을 제공한다. 여름의 공간적 분리에도 불구하고, 통합은 동물의 분뇨를거름으로 사용하고 겨울철 동물의 사료를 위해 목초 작물을 재배하는 일에서 발생한다. 

혼농임업 체계에서 가축

18장에서 논의했듯이, 혼농임업 체계는 작물, 동물, 또는 둘 다와 함께 나무를 통합시키는 체계이다. 초점이 나무-동물 결합에 맞추어지면 이를 임축업(silvopastoral) 체계라 하고, 세 가지(작물, 동물, 나무) 모두가 통합되면 농림축업(agrosilvopastoral) 체계라는 용어가 사용된다(그림19.7). 

그림19.7 코스타리카 푸에르트 비에호에 있는 간단한 임축업 유형의 혼농임업 체계. 살아 있는 울타리로 사용되는 콩과의 나무 Gliricidia sepium은 1년에 3-4번 가지치기를 하고, 소는 그들의 목초지 풀의 식사를 보완하고자 단백질이 풍부한 쳐낸 가지를 먹는다. 

임축 혼농임업의 농법은 나무가 폭우와 양분 침출, 강렬한 태양 열의 영향을 완화시킬 수 있는 열대에서 가장 잘 알려져 있다. 가장 흔한 임축 농업생태계는 자연적이거나 개선된 목초지 위의 상층목으로 나무를 활용하는 걸 포함한다(Buck et al. 1999). 전형적으로 숲은 벌목되고 특정한 나무만 목초지에 그늘을 드리우도록 남겨두며, 생태적또는 경제적 가치를 추가하는 나무의 종을 잘 자랄 수 있는 패턴으로 심기도 한다. 가축 혼농임업 체계에서 동물의 관리가 핵심인데, 나무 -그리고 만약 존재한다면 작물- 와 동물의 요구를 동시에 충족시켜야 하기 때문이다.  

나무(18장 참조)와 가축 모두는 농업생태계에 많은 긍정적 영향을 미칠 수 있어서, 두 가지가 결합되면 지속가능성의 여러 구성요소를 함께 가져올 수 있다. Agroforestry Systems 저널에는 생태학적 지속가능성의 여러 특성을 입증하고, 많은 경제적, 사회적 혜택도 제공하는 동물 지향형 혼농임업 체계의 여러 연구 사례가 포함되어 있다. 

양식과 작물 생산

전 세게적으로 사용되는 다양한 체계는 작물 생산과 함께 물새나 물고기나 조개류 같은 수생 종의 사육을 포함하고 있다. 예상할 수 있듯이, 이들 체계는 농업이 부재하는 습지대가 두드러진물이 풍부한 지역에서 가장 흔하다.  

통합된 벼와 오리 농사는 일본과 중국의 일부에서 실행되고 있다(Furuno 2001). 잡초와 곤충은 오리가 소비하고, 오리의 분뇨는 벼를 비옥하게 하기 위해 되돌아가며, 인간은 작물의 주기가 끝나면 오리와 벼를 모두 수확한다(그림19.9). 오리의 움직임은 물을 흔들어 더 강한 벼 줄기를 유도하고, 비바람으로 쓰러지는 것에 더 저항성을 갖도록 한다(Zhang et al. 2013). 질소를 고정하는 조류의 상리공생 식물인 수생 양치식물 물개구리밥이 체계에 추가되면 비옥도가 유지되고 수확량이 개선된다. 중국 남부의 벼논양어 체계에서도 비슷한 결과를 달성했다(Guo and Bradshaw 1991; Xie et al. 2011). 농사철 동안 관개 수로와 물을 댄 논을 물고기가 차지하도록 하여, 그들이 없으면체계에서 상실될 양분을 포획활 수 있다. 특히 물고기가 조류를 먹고 조류가 물에서 양분으로 번성하는 체계에서더욱 그러하다. 물고기가 연중 머물 수 있는 둠벙을 파기 위하여 논 일부에서 벼의 생산을 못하더라도 생태적, 경제적 혜택이 더 크다. 

그림19.9 중국 난징 근처의 논에서 오리가 잡초를 먹어치우고 떨어진 씨앗을 찾아다닌다. 폐기물은 동물성 산물과 분뇨의 형태로 자원으로 전환되고 있다. 

물고기는 물고기와 작물, 가축을 결합시킨 어떤 체계에서 개발되어 온 통합된 작부체계의 농생태학적, 경제적으로 이로운 부분이 될 수 있다. 예를 들어, 아시아의 일부 지역에서 집중적으로 관리되는 습지에서 물고기, 누에, 뽕나무, 돼지, 사탕수수, 채소와 풀을 통합하는 체계가 존재한다. 일부 지역에서는 농민들이 이미 통합된 작물-가축 체계에 양식 구성요소를 추가하고 있다. 가축 분뇨는 물고기가 소비하는 조류나 플랑크톤의 성장을 자국하는 데 사용된다. 그런 다음 물고기의 폐기물은 작물의 양분원으로 이용되고, 물고기 자체는 시장성 있는 산물이 된다. 

통합된 작물-양식 체계는 집약적인 산업 규모의 단일한 종을 이용한 양식업 체계와 명백한 대조를 이룬다(양식업에 대해선 특별 주제를 참조). 여러 측면에서 이들 체계는 소와 돼지, 가금류에 이용되는 가축 감금 체계와 크게 다르지 않다. 사료 -야생에서 동물들이 소비하는 것과 다른- 는 동물의 생산지로부터 멀리 떨어진 곳에서 재배되곤하고, 항생제와 성장촉진제가 사용되곤 하며, 먹이 찌꺼기와 배설물이 물을 오염시킨다. 

통합된 농장에서 동물의 이로운 역할

자연계의 초식동물을 모방한 생태적 역할을 수행하면서 가축은 그림19.11에 나오듯이 식물 바이오매스에 함유된 에너지와 물질을 농생태학적으로 유용한 세 가지 흐름으로 전환시킨다. 첫 번째 흐름인 동물 바이오매스는 먹을거리, 섬유, 거름, 원자재로서의 가치가 있다. 두 번째 흐름은 가축의 일을 할 수 있는 능력으로 대표되는 생물체의 문화 에너지이다. 한때 인간이 하지 못하는 농장의 모든 작업을 수행하던 역축은 여러 유형의 가축 가운데 분명한 일꾼이지만, 양과 염소, 닭, 오리 및 기타 동물들도 식생과 잡초의 관리 및 해충 방제의 형태로 소중한 "작업"을 수행할 수도 있다. 세 번째 흐름인 분뇨는 식물의 양분을 풍부하게 하고, 토양 미생물들에게 주요한 에너지원을 제공하는 역할을 한다. 

그림19.11 가축의 전환자 역할. 동물은 식물 바이오매스를 유용한 에너지와 물질의 형태로 전환한다.

초식하는 동물의 "산물" -동물 바이오매스, 일, 분뇨- 과 초식 그 자체의 "과정"이 결합되어 농민에게 잠재적인 농장 내 혜택의 모음을 제공한다. 이러한 헤택들은 실제 농장 운영의 맥락에서 다음과 같이 개별적으로 논의된다. 혜택들은 상호연관되고 중복되지만, 개념적으로 분리함으로써 농업생태계의 구조와 기능을 개선하고 구매하는 외부의 투입재에 대한 의존을 줄이는 상리공생의 상승효과를 수립하려는 전반적 목표를 달성하기 위하여 다양한 형태의 통합을 어떻게 결합시킬 수 있는지를 더 쉽게 볼 수 있다. 표19.1은 통합된 체계의 조건들을 통합되지 않은 작물에 기반한 체계와 비교함으로써 통합의 여러 혜택을 요약한 것이다. 

표19.1 작물 생산 농업생태계에 가축을 통합시키는 혜택

단백질이 풍부한 먹을거리와 기타 산물의 생산

동물 바이오매스는 자급과 시장 모두를 위한 먹을거리로 중요하다. 우유, 고기 또는 알의 형태로 식물 바이오매스보다 훨씬 많은 단백질을 함유하고 있다. 또한 대부분의 가축은 인간이 먹을 수 없는 식물 바이오매스의 유형 -작물 폐기물, 음식쓰레기, 주로 셀룰로오스가 함유된 식물의 조직- 에서 영양을 얻을 수 있으며, 인간이 먹을 수 있는 다양한 동물 바이오매스의 형태로 전환시킬 수 있다. 

물론 동물 바이오매스는 경제적으로 가치 있는 기타 용도도 많다. 양은 양털을 생산하고, 물새는 깃털을 생산한다. 그리고 동물의 생명 마지막에는 다양한 목적으로 이용될 수 있는 뼈와 기타 부산물을 생산한다. 

작물 잔여물과 부산물의 활용

동물은 수확하고 남은 많은 양의 바이오매스만이 아니라 농산물 가공에서 나온 많은 부산물을 소비할 수 있기 때문에, 동물 사료로 그러한 바이오매스를 활용하는 일은 수확할 수 있는 동물성 산물을 생산하는 동시에 잠재적 폐기물을 순환할 수 있는 양분으로 전환시키는 중요한 방법이다. 옥수수와 조, 밀, 귀리, 보리의 짚은 전 세계의 많은 농업생태계에서 다양하게 조사료로 이용되는데, 짚의 생산지가 소비하는 동물과 최대한 가까이 있을 때 에너지 효율이 극대화된다. 동물을 가두고 먹이를 줄 수 있도록 짚을 베어 헛간으로 나를 수 있지만, 농지에 짚을 놔두고 동물이 직접 먹을 수 있도록 하는 것이 아마 가장 효율적인 방법일 것이다. 

집약적 채소 생산이 너무 흔한 캘리포니아에서, 주스를 짜낸 방울 양배추, 토마토, 당근 같은 많은 작물이 동물의방목이나 마초를 보충하려고 사용하는 잔여물을 생산한다. 돼지는 개발도상국의 많은 소규모 농장 체계에서 음식쓰레기와 작물 폐기물의 훌륭한 전환자이다. 이러한 경우 동물은 실제로 채소 작물이 재배되는 농지에 있지 않기에, 동물이 생산한 분뇨는 작물의 농지로 돌려보내야 한다. 

분뇨와 퇴비로 토양에 양분을 돌려주기

식물은 토양에서 취한 양분을 함유하고 있으며, 식물 바이오매스와 소화, 분뇨로 퇴적에서 그들의 소비를 통하여그 양분이 다시 토양으로 순환된다. 농사 체계에 따라서 분뇨는 그것이 가장 필요한 농장의 장소에 수집되고, 퇴비화되며, 적용될 수 있다. 토양으로 분뇨를 되돌리는 일은 양분과 유기물 모두를 토양 생태계로 돌려주는 중요한 방식(8장 참조)일 뿐만 아니라, 농장 시설 외부에서 이러한 물질을 가져올 필요를 줄이는 방법이다. 

대규모 가축 감금 체계에서 생산된 막대한 양의 분뇨를 작부체계에 가져오려는 생태적, 경제적 과제는 1장에서 이미 논의되었다. 통합된 가축-작부체계 -마초가 농장에서 재배되고, 농지에서는 방목하는 목초와 작물을 돌려짓기하고, 작물 잔여물은 동물 사료에 포함시키는- 는 분뇨와 퇴비 관리의 효율성을 크게 증가시킬 수 있다. 덴마크에서 수행된 연구(Dalgaard et al. 2002)는 수확을 위한 곡식 작물의 모음과 동물 사료를 위한 풀 및 콩과의 목초 종들을 활용하여 혼합된 낙농과 돼지 생산으로 전환한 농장은 수입된 사료에 더 의존하는 관행적 체계와 유기적 가축 시설과 비교하여, 동물의 사료를 모두 자급할 수 있는 한편 지역의 지하수 체계에 대한 질소 오염이 매누 낮은수준으로 감소되는 사실이 입증되었다. 

토양 건강의 개선

건강한 토양의 주요 구성요소는 토양의 유기물이다. 많은 요인, 유기체들 및 상호작용이 경작 적성, 구조, 보수력, 압축과 침식에 대한 저항성에서 토양의 건강을 나타내는 것과 함께 유기물의 양과 질을 공급한다. 일반적으로 장기간의 경운은 토양 건강 지표의 저하를 수반하는 것과 함께 토양 유기물의 파괴로 이어진다. 그러나 돌려짓기하는 방목용 마초의 형태로 작부체계에 가축을 가져오면 경운의 필요성이 줄어들 뿐만 아니라, 양분과 에너지가 풍부한 유기물을 추가한다. 토양 미생물의 활동이 증가하고, 토양의 구조가 개선되며, 양분 보유 및 가용성이 좋아져 작물이 더 잘 자란다. 일부 지방, 특히 미국의 중서부 지역과 캐나다에서는 작부체계에 여러해살이 목초를 돌려짓기로 도입해, 토양을 경운의 부정적 영향으로부터 잠시 벗어나게 하고 토양 건강의 한도를 회복시키면서 환금성 곡식 작물에 대한 강조가 감소하는 걸 쉽게 정당화할 수 있다(Clark 2004). 

노동의 제공

그들이 소비하는 식물 바이오매스의 물질과 에너지에 힘입어 동물은 경운과 운송의 형태로 노동을 제공할 수 있다. 이는 앞에서 논의했지만, 동물이 수행하는 노동은 생물체의 문화 에너지의 형태임에 주목하는 게 중요하다. 그에 따라 농민이 에너지 산출에 대한 에너지 투입 비율을 더 유리하게 달성하고, 구매하는 에너지 투입을 줄이는 데 도움이 된다(20장 참조). 역축의 활용은 오늘날의 세계에서 시대착오적인 것처럼 보일 수 있지만, 화석연료에서 유래된 에너지의 비용이 상승하면 점점 더 매력적인 선택이 될 것이다. 꿀벌은 다른 종류의 "노동"을 제공한다. 시장성 있는 산물로 벌꿀을 생산하기 위해 꿀벌이 농장에 유지되면 작물이나 과실수의 수분도 해준다.  

식생의 관리와 잡초의 방제

잡초 관리는 농민들이 작물 돌려짓기에 목초를 포함시키는 특히 중요한 이유인 것처럼 보인다. 캐나다에서 실시된 농민 설문조사에서, 접촉한 농민 235명 가운데 80% 이상이 목초 이후에 잡초의 압박이 감소했다고 보고한다(Entz et al. 1995). 많은 목초가 메귀리(Avena fatua L.), 캐나다 엉겅퀴(Cirsium arvense L.), 들갓(Sinapis arvensis L.), 강아지풀(Setaria viridis [L.] Beauv.) 같은 가장 문제가 되는 잡초 가운데 몇 가지를 잘 통제하는 것이 관찰되었다.  

방목하는 동물은 경관과 식생 관리를 위하여 다른 방법으로 이용될 수 있다. 염소는 캘리포나이 연안의 여러 곳에서 옻나무(Toxicodendron diversilobum)를 방제하거나, 수확이 끝난 뒤의 작부체계에서 잡초를 억제하기 위해 이용된다. 양은 미국의 옥수수 지대의 일부에서 현대의 제초제가 출현하기 이전에 옥수수 같은 작물에서 잡초의 방제에 이용되어 왔다고 알려져 있으며, 닭은 가정의 텃밭과 소규모 작부체계에서 토양을 갈고, 해충을 관리하며, 잡초를 방제하는 능력으로 유명하다. 적절하게 관리되는 소와 양, 염소는 크리스마스 트리 묘목장과 방목지에서 재식림 과정에 바람직하지 않은 종들을 뜯어먹는 데 이용될 수 있다. 명백히 대부분의 방목 가축은 목본 식생보다 초본 식생을 더 선호하여, 어린 나무의 농장이나 교란 이후에 숲을 재생시킬 때 풀의 압박을 우선적으로 제거하는 핵심 요인이 된다. 식생 관리를 위한 방목 가축의 활용은 이번 장의 앞부분에서 언급한 북아메리카 중부의 대초원과 세렝게티 평원 같은 곳에서 이루어지는 자연 방목의 영향과 매우 흡사하다. 

돌려짓기에서 뒷그루의 수확량 증가

작물 돌려짓기에 방목되는 목초를 포함시키는 여러 혜택 가운데 하나는 목초 이후에 심는 작물에서 얻을 수 있는더 높은 수확량이다. 이 효과는 방목되는 목초가 자라는 기간의 기타 긍정적 영향 덕분이다. 토양 교란이 줄어들고, 토양 유기물이 증가하며, 잡초가 방제되는 게 그것이다. 캐나다 농민의 설문조사는 목초 돌려짓기 이후에 심은 곡식 작물에서 더 높은 수확량을 보고했다(Entz et al. 1995). 

생태계 서비스의 제공

생태계의 관점에서, 농업 경관에 있는 동물은 먹을거리 생산을 넘어 여러 서비스를 제공할 수 있다. 이전에 열거한 많은 혜택은 다양한 대규모 생태학적 과정에 기여한다. 

•탄소 격리. 가축은 잠재적으로 대기의 이산화탄소 수준을 감소시키는 데 기여하는 토양 유기탄소의 순 증가를 산출하는 것으로 알려진 방식 가운데 두 가지인 임축업 체계의 나무로, 또는 여러해살이 목초 작물로 토지에 다시 덮개를 덮는 일부이다. 

•침식 방제. 방목되는 목초 돌려짓기의 필수적인 부분으로서, 동물은 토양침식 방제에 중요한 도구인 식생 덮개의 품질을 향상시키는 데 도움이된다. 

•유역의 건강 유지. 침식 방제에 도움이 되는 똑같은 요인들이 9장에서 논의된 침투, 여과, 수분 보유의 유역 과정을 촉진하기도 한다. 

•생물다양성 보호. 농업 경관에 동물 -특히 작은 가축과 지역에 적응된 종과 토종- 을 다시 통합시키는 건 농업생물다양성의 보존을 촉진한다. 게다가 동물이 기타 환경 서비스를 제공하고 농업에 대한 농장 외부의 부정적 충격을 줄인 결과, 동물은 생물다양성과 전체 경관을 향상시키고 보호한다. 

통합의 사회적, 경제적 혜택

지금까지 우리는 혼합된 가축-작물 체계의 생태학적 혜택에 주로 초점을 맞추어 왔다. 많은 다른 사례에서 보았듯이, 생태학적 혜택이 있는 농법은 경제적, 사회적 혜택도 가지곤 하며, 가축-작물 통합이 좋은 사례이다. 물론 앞서 언급한 점에 많은 경제적, 사회적 혜택이 함축되어 있다. 작물 수확량의 증가, 토양 건강의 개선, 값비싸게 구매하는 투입재의 감소는 모두 농민의 순익에 긍정적인 영향을 미친다. 하지만 두 가지 통합의 사회경제적 혜택은 따로 논의할 만하다. 

사업의 다각화와 경제적 취약성 감소

동물과 작물이 농장에서 함께 길러지는 원래의 이유 가운데 하나는 이러한 혼합이 생산되는 먹을거리의 유형과 농산물의 다양성을 높일 수 있었기 때문이다. 이러한 다각화는 간단한 경제 논리를 가졌다. 더 많은 사업들 사이로 실패의 위험을 분산시킴으로써 경제 보장을 높이는 것이다. 이는 오늘날 세계의 대부분의 지역에서 오래전 사라진 자급 상황에 기반한 것이긴 하지만, 똑같은 논리가 농상품으로 먹을거리를 생산하는 맥락에서 여전히 적용된다. 작물 이외에 동물을 사육하면 농민은 알, 우유, 양털, 벌꿀, 비단, 양고기나 소고기 등의 시장성 있는 산물을 추가로 얻을 수 있다. 지역의 시장 조건에 따라, 이들 동물에 기반한 사업은 금적적 가치가 있는 소득 흐름 및 흉작과 시장의 변동에서 보호를 제공할 수 있다(Schierea et al. 2002). 

또한 통합된 농장을 기반으로 할 수 있는 다양한 사업은 지역이나 지방별 마케팅에 이상적인 경우가 많다. 지역의 상점과 식당, 농민장터에서 산물을 판매하고, 협동조합과 지역사회 지원 농업단체를 통하는 것으로 유통업자와 도매업자, 운송업자, 중개업자에게 흐르던 돈이 농민에게 돌아간다. 그러한 지역화된 먹을거리 연결망의 중요성에 대해서는 25장에서 더 상세히 논의할 것이다. 

개발도상국의 빈곤 완화

혼합된 작물-가축 체계는 개발도상국의 높은 유아 사망률, 만성적 기아, 식량불안, 자원 파괴 및 이러한 문제들로 인해 발생하는 높은 사회적 비용의 근본 원인인 빈곤을 완화시키는 데 이상적이다. 통합된 작물-가축 체계는 소규모로 수익성 있게 운영되고, 다양한 소득 창출 활동을 포함하고, 농장 외부의 투입재를 거의 필요로 하지 않으며 상대적으로 적은 자본 투자를 필요로 할 수 있다. 이러한 이유로 그것은 개발도상국의 많은 사람들에게 더 큰 경제 보장을 창출하는 효과적이고 현실적인 방법이다(LEISA 2005)(그림19.12).

그림19.12 소와 코코넛 야자를 통합시킨 통가의 혼농임업 체계. 야자나무는 코코넛 열매, 코프라, 건설자재를 제공하고, 소는 고기와 우유를 제공한다. 농업과 축산, 임업을 결합시키는 이와 같은 체계는 특히 개발도상국의 소농들에게 적합하다. (사진 Molly Wilson)

체계 자체의 동물 부분은 빈곤한 농민에게는 상당한 경제적 가치를 나타낸다. 가축은 살아 있는 은행이다. 동물은 자본의 창고이자 미래의 생산성에 대한 투자이며, 작물 생산의 위험에 대한 보험의 역할을 한다. 단백질과 칼로리가 부족한 식사를 하는 경향이 있는 곳에서 가축은 단백질이 풍부한 먹을거리를 공급한다. 또한 여성들은 동물의 축산에서 중요한 역할을 하곤 하기 때문에, 가축을 포함시킨 농업 체계는 사회적으로나 경제적으로 양성평등을 촉진할 수 있다. 

많은 개발도상국에서 혼합된 작물-가축 체계는 이미 농촌 지역에서 주요한 경제적 활동이지만 이들 체계가 잠재적인 상승효과를 모두 활용하지 않고 비효율적으로 운영된 결과, 경제적 수익을 위한 잠재력을 완전히 실현하지 못한다. 예를 들어, 전형적인 소농의 농업생태계를 구조화하는 몇 가지 다른 대안 양식이 부족 농민의 사회경제적 지위를 크게 향상시킬 수 있다고 결론을 내린 연구가 행해진 인도 차티스가르주의 사례가 있다(Ramrao et al. 2005). 모든 경우에, 대안 체계는 동물 구성요소의 다양화와 증가를 수반하고 체계의 모든 구성요소의 통합을 더 긴밀하게 했다.  

표19.2는 세 가지 중요한 특성의 측면에서 혼합된 작물-가축 체계, 방목 체계, 산업형 감금 체계를 비교한다. 그것은 작물-가축 통합과 생태학적 특징, 사회경제적 공평함을 달성할 가능성 사이의 높은 상관관계를 입증한다. 

표19.2 생태적, 사회적 측면에서 세 가지 가축 생산 체계의 비교 

가축과 먹을거리 체계의 지속가능성

앞의 절에서 분명히 입증했듯이, 가축과 작물 생산을 통합하는 일은 농장과 농민, 개발도상국, 농업 경관, 환경 전반에 광범위한 혜택을 가져온다. 그것은 현행 농업이 생태적, 사회적 체계의 토대를 훼손하고 있는 많은 경향을 뒤집을 수 있는 수단을 제공한다. 그러므로 작물-가축 통합을 증가시키는 일은 세계의 먹을거리 체계를 지속가능성 쪽으로 더 이동시키는 핵심 요소이다. 하지만 그렇게 하는 과정에서 우리는 변화의 기세가 다른 방향에 있기에 큰 과제에 직면하게 된다.

이러한 과제를 더 잘 이해하기 위하여, 우린 전체 먹을거리 체계의 맥락에서 전반적으로 가축 생산을 살펴보아야한다. 이는 우리를 가축과 작물의 농장 수준의 통합을 넘어서는 문제로 이끈다. 이들 문제에 대해 자세히 고민하는 것은 이 장의 의도는 아니지만, 여기에서 간략히 언급하며 6부에서 더욱 논의할 수 있는 토대를 마련할 것이다. 

더 지속가능한 동물성 단백질 경제의 요소들

세계의 먹을거리 체계에서 동물의 역할에 대한 철저한 조사는 생산부터 소비까지 모든 수준에서 심각한 문제를 발견하게 된다. 가축은 에너지를 낭비하고 생태적으로 피해를 주는 방식으로 사육된다. 그들로부터 유래된 산물은 먼 거리를 이동시킨 뒤에만 소비자에게 이른다. 소비자 쪽에서 이들 산물에 대한 수요가 높아서 전체 체계를 추동한다. 더 지속가능한 동물성 단백질 경제로 향하기 위해서는 생산, 유통, 소비라는 세 가지 수준에서 변화가 일어나야 한다. 

생산

이 장에서는 통합된 농사 체계에서 고기와 우유, 달걀을 생산하는 것이 전문화되고, 단일한 목적의 산업형 체계에서 똑같은 산물을 생산하는 것보다 더 지속가능하다는 발상을 지지했다. 하지만 세계적으로 인간의 식단에 포함된 모든 동물성 단백질이 그러한 체계에서 비롯되기를 기대하는 건 비현실적이다. 그러므로 동물성 단백질의 더 지속가능한 생산을 위해 보편적으로 적용할 수 있는 두 가지 원칙을 언급하는 것이 중요하다. 

•에너지로 말하자면, 동물들은 식물성 먹이를 동물성 단백질로 전화시키는 효율성이 서로 다르다. 닭고기, 달걀, 우유를 생산하는 일은 식물 바이오매스를 동물성 단백질로 전환시키는 가장 효율적인 방법 가운데 세 가지이다. 그러므로 지속가능성은 닭고기, 달걀, 우유 쪽으로 동물 생산을 초점을 이동시키고 소고기의 생산에서 멀어지게 하는 데 달려 있다. 

•소와 젖소에게 가공된 곡물을 먹이는 것과 인간이 먹을 수 없는 식물 바이오매스를 먹이는 것 사이에는 커다란차이가 있다. 전자는 경작할 수 있는 토지의 사용이 매우 비효율적이고, 훨씬 많은 화석연료 보조금을 필요로 한다. 그러므로 지속가능한 먹을거리 체계에서 고기나 젖의 생산을 위해 활용되는 모든 반추동물은 방목될 것이다.이와 비슷하게 모든 돼지는 음식쓰레기와 작물 폐기물을 먹이게 될 것이다. 

소비

공장식 사육시설의 성장, 가축과 작물 생산의 전반적인 붕괴는 전 세계적으로 고기와 기타 동물성 산물에 대한 수요가 급증함에 따라 크게 좌우된다. 산업국의 사람들은 오늘날 전례없이 많은 고기를 먹고 있다. 그와 동시에 개발도상국의 사람들은 산업국의 막대한 육류 소비를 따라잡으려 노력하고 있다. 

이 문제를 다루는 것은 이 장의 범위를 벗어나지만, 우린 더 많은 육류를 소비하려는 경향이 더 지속가능한 먹을거리 체계를 만드는 일의 가장 큰 장벽일 수 있다는 사실을 깨달아야 한다. 그러므로 1인당 육류  소비를 줄여야 한다는 데에는 의문의 여지가 없다. 그와 함께 우리가 먹는 육류는 부정적 영향을 최소화하는 방식으로 생산되어야 한다. 이는 소고기와 돼지고기를 덜 먹고, 가금류, 우유, 달걀에 더 의존한다는 것을 뜻한다. 그것은 공장식 사육시설에서 사육된 동물들의 육류보다 통합된 목초 체계에서 키운 동물의 고기를 선호한다는 걸 뜻한다. 

유통

현재의 먹을거리 체계에서, 먹을거리 상품들은 대개 마지막으로 소비되기 전에 장거리를 운송되고, 다량의 화석연료를 사용하며 소비자가 쓰는 돈의 대부분이 농민 대신 가공업자와 유통업자, 중개업자, 도매업자 및 기타 "중간 상인"에게 전달된다. 이러한 유통 체계에 대한 대안 -더 지역화된 먹을거리 연결망- 이 더 강해지고 널리 보급되려면, 동물성 산물의 생산자와 그 산물의 소비자 사이의 지리적, 경제적 연결이 더 긴밀해져야 한다. 

통합된 농장에서 가축을 생산하는 건 이러한 변환에 매우 적합하다. 그러한 생산은 반드시 공장식 사육시설의 생산보다 규모가 더 작다. 대용량의 중앙집중형 공장식 사육시설 생산은 계란과 육류와 유제품을 전국과 세계 시장에까지 유통시키기 위해 설계된 대용향의 중앙집중형 가공과 유통 체계와 함께 이용된다. 이에 따라 개별적 통합된 농장에서 이루어지는 저용량의 지리적으로 분산된 생산은 더 지역적 가공과 유통 체계에 가장 알맞다(그림19.13)

그림19.13 캘리포니아 산타크루즈에 있는 농민장터에서 재배자가 판매하고 있는 지역에서 생산된 달걀. 달걀은 모든 동물성 산물 가운데 가장 에너지 효율이 높기 때문에, 소비자가 농민장터에서 그것을 구매하면 다양한 방식으로 더 지속가능한 먹을거리 체계를 지원하는 셈이다. 

농업의 전문화에 이의를 제기하기

그다지 멀지 않은 과거에 전문화란 개념은 농민들에게 알려지지 않았다. 통합과 사업 다각화가 농장 운영의 기본원리였다. 우리가 먹을거리 생산에 대한 이러한 접근법을 상실함에 따라, 우리의 지역사회는 그 지역의 먹을거리유통 체계와 가족농장의 대부분을 상실했으며, 소비자는 그들의 먹을거리를 생산하는 사람과 그중 많은 걸 담당한 동물들과의 유기적 연결을 상실했다. 대륙의 반대쪽에서 생산된 곡물을 먹이며 공장식 사육시설에 격리된 가축들의 사체와 알, 젖이 수백, 수천 킬로미터 떨어진 시장으로 보내지는 오늘날, 일반적인 소비자가 자신의 식탁에 놓인 스테이크를 보며 아무 생각이 들지 않는다는 건 그리 놀라운 일이 아니다.  

이 책의 다른 곳에서 보았듯이, 농업 분야의 전문화는 지속가능한 생계를 제공하는 생태학적으로 건전한 방식으로 생산된 풍요롭고 건강한 먹을거리에 대한 사회의 다양한 요구를 충족시키기에 부적합하게 설계되었다. 가축과작물의 재통합은 더 많은 지역의 먹을거리 유통 연결망, 소규모의 가족이 운영하는 농장의 생존력, 구매하는 투입재에 별로 의존하지 않는 더욱 자립적이고 순환적인 농업생태계 쪽으로 가는 방향을 가리키면서 농업의 전문화와 경제력 집중으로 가려는 경향을 뒤집는 데 도움이 된다.  

가축과 작물 생산의 재통합은 실제로 관행농업의 지속가능하지 않은 것들의 심장을 때리는 일이다. 이러한 이유로, 시장과 연구기관 및 공공정책 분야에서 가축과 작물의 통합을 지원하는 일은 변화를 일으키는 데 큰 도움이 될 수 있다. 그러한 옹호는 통합의 필요성을 강조하는 한편, 전문화와 집중의 막대한 사회적, 환경적 비용에 대한의식을 높인다. 

생각거리

1. 농사 체계로 동물의 재통합을 촉진하기 위하여 소비자가 식단에 어떤 변화를 주어야 하는가?

2. 채식주의와 통합된 가축-작물 생산 체계는 결합될 수 있는가?

3. 통합된 농사 체계의 분석을 위해 가장 적합한 지속가능성의 주요한 지표는 무엇인가?

4. 우리는 동물에 대한 윤리적 대우와 함께 생산 요구를 어떻게 조화시킬 수 있는가?

인터넷 자료

American Forage and Grassland Council 

http://www.afgc.org

American Grassfed Association 

http://www.americangrassfed.org

Center for Integrated Agricultural Systems, University of Wisconsin–Madison 

http://www.cias.wisc.edu

Dedicated to the study of the relationships between farming practices, farm profitability, the environment, and rural vitality. 

Eat Wild 

http://www.eatwild.com 

Information on pasture-based farming; lists farmers and ranchers who raise livestock on pasture and sell directly to consumers. 

Heifer International 

http://www.heifer.org 

A nonprofit organization that helps communities in rural areas around the world integrates appropriate livestock technology, self-reliance, and sustainable development. 

National Grazing Lands Coalition 

http://www.glci.org

Technical assistance for privately owned grazing lands and programs to increase awareness of the importance of grazing land resources. 

National Sustainable Agriculture Information Service, livestock section 

http://attra.ncat.org/attra-pub/livestock/livestock.html

A project of the National Center for Appropriate Technology (NCAT). 

Proceedings of the International Symposium on Silvopastoral Systems and Second Congress on Agroforestry and Livestock Production in Latin America 

http://www.fao.org/WAIRDOCS/LEAD/X6109E/x6109e00.htm

Research focusing on the theme of silvopastoral systems for restoration of degraded tropical pasture ecosystems.

읽을거리

Cheeke, P. R. 2003. Contemporary Issues in Animal Agriculture, 3rd edn. Interstate Publishers, Inc.: Danville, IL. 

Covers a wide range of ethical, environmental, and health issues related to animal agriculture.

de Haan, C., H. Steinfeld, and H. Blackburn. 1997. Livestock and the Environment: Finding a Balance. FAO/World Bank/USAID: Rome, Italy. 

An international assessment of the negative impacts of livestock production systems on the environment and an exploration on how to overcome them. 

Furuno, T. 2001. The Power of Duck. Tagari Publications: Sisters Creek, Tasmania, Victoria, Australia. 

A very readable and applicable example of how one animal in particular has played a critical role in sustainable agroecosystem design and management. 

Hauter, W. 2012. Foodopoly: The Battle Over the Future of Food and Farming in America. The New Press: New York. 

An insightful investigation into the control of food production by a handful of large corporations, with several chapters on how this is manifest in the meat industry. 

Hodgson, J. and A. W. Illius. 1996. The Ecology and Management of Grazing Systems. CAB International: Wallingford, U.K. 

A unique look at our understanding and management of land resources used by grazing animals, combining perspectives from ecology, plant science, and animal science. 

Holecheck, J. L., R. D. Pieper, and C. H. Herbel. 2010. Range Management: Principles and Practices, 6th edn. Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ. 

The most up-to-date source of information on range management, with its strongest emphasis on the management of grazing itself. It also presents comprehensive information on highly relevant issues such as range animal behavior, economics, energy, and multiple-use environments. 

Little, D. C. and P. Edwards. 2003. Integrated Livestock–Fish Farming Systems. FAO: Rome, Italy. 

Describes the dynamic set of practices that constitutes integrated fish–livestock farming systems in Asia. 

Nierenberg, D. 2005. Happier Meals: Rethinking the Global Meat Industry. WorldWatch Paper 171. WorldWatch Institute: Washington, DC. 

A concise examination of the damaging effects of industrial animal agriculture, or factory farming, as well as proposals for alternative ways that farmers, processors, and consumers can help ensure that meat is made better for people, the environment, and the animals themselves.

농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

18장 교란, 천이, 그리고 농업생태계 관리

교란과 천이를 통한 회복의 생태학적 개념은 농생태학에서 중요한 응용을 지닌다. 농업생태게는 경운, 토양 준비, 씨뿌리기, 옮겨심기, 관개, 비료 살포, 해충 관리, 가지치기, 수확, 불태우기 등의 형태로 끊임없이 교란을 겪고있다. 산업형 농업에서처럼 교란이 빈번하고 광범위하며 극심하면, 농업생태계는 천이의 가장 초기 단계에 제한되어 있다. 이런 조건은 높은 생산성을 가능하게 하지만, 비료와 농약의 많은 투입을 필요로 하며 시간이 지남에 따라 토양 자원을 악화시키는 경향이 있다. 

지속적이고 과도한 교란에 대한 의존에서 벗어나 천이 과정을 더 진행시키고 더 큰 생태학적 복잡성을 생성함으로써 더욱 지속가능한 먹을거리 생산은 달성될 수 있다. 자연 생태계의 교란과 천이에 대한 우리의 이해를 바탕으로, 우리는 교란과 회복의 적절한 관리를 통하여 비옥도와 생산성을 모두 유지할 수 있는 농업생태계의 능력을향상시킬 수 있다. 

자연 생태계의 교란과 회복

생태학의 오래된 교리는 교란 이후 생태계는 즉시 그 교란에서 회복되는 과정을 시작한다는 것이다. 회복은 2장에 소개된 상대적으로 질서 있는 천이 과정을 통하여 일어난다. 가장 넓은 의미에서, 생태적 천이는 시간이 지남에 따라 군집의 구조와 기능에 뚜렷한 변화가 발생하는 생태계의 발달 과정이다. 

생태학자들은 천이의 두 가지 기본 유형을 구별한다. 1차 천이는 예전에 살아 있는 유기체에 의해 점유되지 않았거나 생물적 구성요소가 비생물적 구성요소에 영향을 미칠 수 있어 변화를 겪는 장소(드러난 암석, 빙하로 덮인 표면, 또는 최근 형성된 화산섬 같은)의 생태계 발달이다. 2차 천이는 예전에 살아 있는 유기체에 의해 점유되었지만, 화재와 홍수, 강풍, 집약적 방목이나 기타 사건 등으로 인해 그 유기체의 일부 또는 전부가 제거된 장소의 생태계 발달이다. 강도, 빈도, 교란의 지속기간 등에 따라,생태계의 구조와 기능에 미치는 영향은 교란에서 회복하는 데 필요한 시간만큼 달라질 것이다. 농업에서 발생하는 교란과 회복 과정은 보통 예전에는 다른 생물적 구성요소가 있던 장소에서 일어나기 때문에, 우리는 여기에서 2차 천이과정에 관심을 집중할 것이다. 

교란의 성격

자연 생태계가 안정되어 있고 변화하지 않는다는 인상을 주지만, 자연 생태계는 화재, 폭풍, 홍수, 극단의 기온, 전염병 발생, 넘어지는 나무, 산사태, 침식 등과 같은 사건에 의해 일정 규모로 끊임없이 변경되고 있다. 이러한 사건들은 유기체를 죽이고, 서식지를 파괴하고 변경하며, 생물적 조건을 변화시킴으로써 생태계를 교란한다. 이들 영향은 자연 생태계의 구조를 변화시킬 수 있고, 현존하는 유기체의 개체군 수준과 그들이 저장하는 바이오매스를 변화시키게 된다. 

교란은 세 가지 차원으로 다양해질 수 있다.

1. 교란의 강도는 제거된 바이오매스의 양이나 살해된 개체수에 의해 측정될 수 있다. 10장에서 설명된 세 가지 유형의 화재는 교란 강도의 변화에 대한 좋은 사레를 제공한다. 지표화는 일반적으로 낮은 강도의 교란을 생성하는 반면, 수관화는 높은 강도의 교란을 야기한다. 

2. 교란의 빈도는 각 교란 사건 사이의 평균 시간이다. 교란 사이의 시간 간격이 더 길수록, 각각의 교란 이후 생태계가 완전히 회복할 수 있는 능력이 더 커진다. 

3. 교란의 규모는 작은, 지역화된 조각부터 전체 경관에 이르기까지 다양해질 수 있는 교란의 공간적 범위이다. 개별 나무가 넘어져서 생성된 숲 캐노피의 작은 틈은 소규모 교란인 반면, 강력한 허리케인의 엄청난 파괴는 매우 큰 규모이다. 

교란의 세 가지 특성 모두는 복잡한 방식으로 서로 얽히곤 한다. 예를 들어, 화재는 다양한 빈도로 발생할 수 있다. 화재는 드문드문 발생하는 방식으로 경관 전체에 분포될 수 있으며, 어떤 구역은 매우 강렬하고 다른 구역은 거의 태우지 못할 수도 있다. 

회복 과정

교란에 의한 생태계의 모든 변화나 변경은 회복 과정을 거친다. 회복은 몇 가지 생태계 역학의 결합된 작용을 통하여 발생한다. (1) 생물적 군집 전체는 앞의 장에서 설명된 여러 형태의 간섭을 통하여 물리적 환경을 변경한다. (2) 개별 유기체와 개체군들 사이의 경쟁과 공존은 종의 다양성과 풍부함에 변화를 일으킨다. (3) 살아 있는 바이오매스의 증가하는 양을 지원하기 위해서는 더욱 많은 에너지가 필요하기에 생산에서 호흡으로 에너지 흐름이 이동한다. 이들 과정의 상호작용은 최종적으로 교란이 발생하기 이전에 존재했던 것과 유사한 구조와 생태계 복잡성의 수준으로 이어지는 여러 발달 단계(원래 천이의 단계라고 함)를 통하여 생태계가 회복되도록 유도한다. 

회복 과정 동안, 생태계 구조와 기능에 많은 중요한 변화가 발생한다. 이들은 상대적으로 심각하고 광범위한 교란 이후에 가장 뚜렷하다. 주요한 교란을 겪은 천이 과정의 더 중요한 특성에 대한 요약은 표18.1에 나와 있다. 천이의 초기 또는 개척 단계는 r-선택된, 쉽게 분산되는 잡초성 종들에 의해 우점되는데, 이러한 초기의 침입자들은 환경의 조건이 변경되거나 나중에 도착하는 것들의 간섭으로 대체되기 때문에 K-선택된 종들이 우점을 시작한다. 시간이 지남에 따라 식물과 동물의 초기 종들이 다른 것에 의해 대체되는 모습이 회복 과정에서 흔하게 관찰되었다(예,  Bazzaz 1996; Finegan 1996; Walker et al. 2007)

표18.1 주요한 교란 이후 2차 천이의 과정 동안 생태계 구조와 기능에 일어나는 변화

출처: Odum, E.P., Ecology and Our Endangered Life-Support Systems, Sinauer Associates Incorporated, Sunderland, MA, 1993.

*일부 변화는 단계별 형태로 표시되었지만, 모두 점진적 전환으로 발생한다. 

생태학적 다양성(이전 장에서 설명함)의 구성요소 대부분은 천이 동안, 특히 초기 단계에서 증가하고, 완전히 회복하기 전에 최고 수준에 도달하곤 한다. 특히 농생태학적 중요성은 보통은 천이의 초기 단계 동안 총광합성량이 전체 호합량을 크게 초과하여 높은 순 1차 생산성과 높은 수확 잠재성을 가져온다는 사실이다. 그러나 천이의 발달과 함께 살아 있는 작물이 증가함께 따라, 더 많은 비율의 생산성이 유지에 사용되어 더욱 안정되었단 인상을 준다. 

중요한 농생태학적 함의를 지닌 천이 발달의 또 다른 측면은 시간의 경과와 함께, 특히 천이의 초기 단계에 바이오매스와 살아 있는 작물의 유기물 증가이다. 바이오매스는 결국 분해자를 거치면서 폐기물과 부식질로 전환되기때문에, 바이오매스의 증가는 토양 유기물의 증가를 간접적으로 가져온다. 

회복의 초기 단계 동안, 양분 가용성이 일반적으로 높고 양분 보존은 상대적으로 비효율적이다. 빠르게 성장하는터주식물 종들은 빠르게 우점종이 되어, 개체군 상호작용이 존재하는 소수의 종으로 제한된다. 천이가 진행됨에 따라, 양분 보유가 개선되고, 군집을 형성하는 종들이 체계에서 더 다양한 지위를 점유하기 시작하며, 개체군 상호작용이 강해지고(특히 자원 분할과 상리공생적 간섭을 수반하는 상호작용), 생태계의 구조가 더욱 복잡하게 상호연결된다. 

교란 이후 충분한 시간이 흐르면, 생태계는 결국 표18.1에 제시된 대부분의 특성이 속도나 특성의 측면에서 크게 변화하지 않는 시점(예전에는 절정 단계라고 함)에 도달한다. 예를 들어, 종의 다양성 측면에서 새롭게 군집을 형성하는 종들은 이주 종이나 멸종하는 종의 숫자와 같다. 체계의 양분 상실은 외부에서 오는 투입재에 의해 균형을 이룬다. 종의 개체군 수준은 계절에 따라 변동하지만, 상당히 일정한 평균의 수를 중심으로 그러하다. 이 단계에서, 체계는 다시 한 번 토양, 지형, 수분 가용성에 대한 지방의 기후 및 지역적 조건과 함께 미약한 평형 상태를 이룬다. 변화는 여전히 발생하지만 더 이상 지향성이 없고, 발달상의 변화가 있지만 평형점을 중심으로 변화한다. 2장에서 우리는 그러한 조건을 동적 평형의 하나로 설명했는데, 이는 새로운 교란이 최소한 소규모로 자주 발생하면서 모든 환경이 끊임없이 변화하며 진화하고 있다는 사실을 고려한 개념이다. 

그런 다음, 전형적인 성숙한 생태계에서 국지적인 장소는 정기적으로 교란을 겪고 있을지 모르지만, 표18.1에 열거된 특성들은 에너지와 양분 활용이 매우 효율적이고, 먹이그물이 복잡하며, 상리공생의 관계가 널리 퍼져 있을 만큼 충분히 발달되었다. 그 체계는 교란이 발생하면 변화에 저항성과 탄력성이 있을 수 있다. 따라서 발생하는 교란 사건이 급격한 변화를 가져오지는 않지만 평형 상태의 조건을 허용하지도 않는다. 

중간의 교란

일부 생태계에서는 교란의 빈도, 강도, 규모가 체계가 완전한 성숙기에 도달하지 못해도 성숙한 생태계의 종의 다양성, 탄력성, 에너지 사용의 효율 특성을 유지할 수 있다. 예를 들어, 허리케인이 발생하면 -그 빈도가 낮은 한- 이러한 고강도의 교란 사건은 종 다양성이 높고 바이오매스가 많은 산림 채계를 생성하는 경향이 있다(Vandermeer et al. 2000; Mascaro et al. 2005). 이러한 체계를 연구하고 있는 생태학자들은 환경의 교란이 너무 빈번하거나 너무 드물지도 않으면서(어떤 중간의 빈도에서) 다양성과 생산성이 모두 높을 수 있는 자연 생태계의 상태로 중간의 교란설을 제시해왔다(Connell and Slayter 1977; Connell 1978). 이런 체계의 교란은 높은 생산성의 초기 천이의 특성을 유지하는 한편, 체계의 전반적 안정성이 성숙한 생태계의 특성인 높은 종의 다양성을 허용한다. 

중간의 교란설이 적용될 수 있는 일부 자연 생태계는 표18.2에 제시되어 있다. 이들 체계를 조사한 결과, 교란 빈도, 교란 간동 및 교란 규모의 다양한 결합을 통해 중간의 교란이 일어날 수 있음을 알 수 있었다. 생태계 수준에서, 예를 들어 비교적 소규모의 강렬하고 빈번한 교란은 더 큰 규모의 저강도, 저빈도 교란과 유사한 효과를 가질 수 있다. 

표18.2 자연 생태계에서 중간의 교란에 대한 일부 사례

여러 중간의 교란 상황에서, 시간과 공간의 경관에 걸쳐 불규칙적으로 분산되는 교란은 비교적 작은 면적에서 수많은 천이의 단계가 발생하는 군데군데 있는 경관(patchy landscape)으로 알려진 것을 만든다. 부분에서 부분에 이르는 발달 단계의 차이는 생태계 수준에서 상당한 다양성을 유지하는 데 기여한다. 그러므로 천이의 뒤죽박죽은 생태계의 생태학적 역학의 중요한 측면으로 간주될 수 있다. 부분의 크기, 부분의 발달의 차이, 부분들 사이의 접촉부의 성격 등이 모두 중요한 변수가 되고, 생태학자들은 자연 생태계에서 그들의 역할을 이해하려고 시도하는 상당한 연구에 투자해 왔다(Pickett and White 1985; Groom et al. 2006). 여러 농업 경관의 내재된 뒤죽박죽은 중간 교란의 잠재적 적용과 농업생태계 관리에 대한 뒤죽박죽을 가리킨다(Bruun 2000). 21장에서 더 상세히 살펴볼 것처럼, 뒤죽박죽이란 개념은  농업 경관에서 생물다양성과 생태계 서비스를 보존하고자 하는 접근법에서 특히 중요해졌다(Swift et al. 2004; Groom et al. 2006). 

농업생태계 관리에 적용

현대의 농업은 농민들이 천이의 과정을 깡그리 무시할 수 있는 농법, 기술, 투입재를 개발해 왔다. 자연적 회복 대신에, 농민은 수확으로 제거되거나 재배와 함께 변경되는 것을 대체하는 투입재와 물질을 사용한다. 일정한 교란이 총 생산성의 더 많은 부분이 순 생산성이나 수확할 수 있는 바이오매스로 이용할 수 있는 천이의 초기 단계에 농업생태계가 머물러 있도록 한다. 하지만 인간의 개입과 오염을 시키고 재생할 수 없는 투입재에 훨씬 덜 의존하는 더욱 탄력적인 체계를 개발하기 위하여, 우리는 자연생태계의 회복 과정을 활용하는 데 더욱 많은 노력을기울여야 한다. 자연 생태계의 천이 과정에 대한 우리의 지식은 인간이 야기하는 교란의 영향부터 계획된 방식으로 교란을 도입하는 일에 이르기까지 농업생태계의 회복을 돕기 위해 이용될 수 있다. 

간단히 말하자면, 그 임무는 한편으로는 천이 초기 단계의 이로운 속성 가운데 일부를 활용하는 농업생태계를 설계하는 것이고, 다른 한편으로는 체계가 천이의 후기 단계에 도달할 수 있도록 하여 얻는 이점들 가운데 일부를 통합시키는 일이다. 표18.3에서 볼 수 있듯이, 농업생태계의 바람직한 생태학적 특성 가운데 하나인 높은 순 1차 생산성은 천이 발달의 초기 단계에 발생한다. 다른 모든 것들은 발달의 후기 단계까지 명확히 나타나지 않는다. 

표18.3 천이 발달과 관련하여 농업생태계의 바람직한 생태학적 특성들

그 다음에, 연구를 위한 과제는 두 극단을 최대한 활용할 수 있도록 교란과 발달을 통합시키는 방법을 개발하는 일이다. 이는 농업생태계가 자리를 잡고 발달하게 할 뿐만 아니라, 체계의 기간 중 적절한 시기에 교란과 회복이 다시 도입되도록 하기 위하여 천이 과정을 사용하는 방법을 배우는 일과 관련된다.

천이 발달의 허용

농업은 오랫동안 천이의 초기 단계에 농사 체계를 유지하여 교란의 이점을 이용해 왔다. 이는 특히 생태계의 어느 부분도 발달의 초기 개척 단계를 넘어서 진행되지 않게 하는 한해살이 작부체계에서 그러하다. 이 단계에서 체계는 많은 양의 수확할 수 있는 물질을 생산할 수 있지만, 이렇게 높은 생산 수준에 농업생태계를 유지하는 일은 다른 발달 과정에 해를 끼치기에, 그렇게 하지 않으면 제공될 수 있는 이점들을 제한한다. 

농업생태계 관리에 대한 또 다른 접근법은 그 위치에서 자연스럽게 진행되는 천이 과정을 모델로 사용하는 농사 체계를 설치하여 "자연을 모방하는 것"이다(Ewel 1999; Jackson 2011). 때로는 "아날로그 모델" 또는 "자연계 농업"이라 부르는 그러한 접근법을 통하여, 탄력적이고 생산적인 농업생태계를 확립할 수 있다.

관리되는 천이의 계획에 따라, 자연적 천이 단계는 농업생태계의 구성요소 부분들 사이의 상호작용과 연결의 발달을 촉진하는 식물, 동물, 농법, 투입재를 의도적으로 도입함으로써 모방된다. 식물 종(작물과 비작물 모두)은 체계에 있는 양분을 포획하고 보유하여 좋은 토양의 발달을 촉진시키는 걸 심는다. 이들 식물은 질소를 고정하는박테리아를 지닌 콩과식물과 인을 모아 두는 균근을 지닌 식물을 포함한다. 그 체계가 발달함에 따라, 다양성과 먹이그물의 복잡성, 상리공생적 상호작용이 증가하여 병해충 관리를 위해 더 효과적인 되먹임 메커니즘으로 이어진다. 발달 과정 동안의 강조점은 복잡하고 통합된 농업생태계를 구축하는 데 있다. 

그러한 전략은 더 집약적인 인간의 관리를 필요로 할 수 있지만, 과정과 상호작용이 농업생태계 안에 내면화되기때문에 체계의 외부에서 오는 인간에서 비롯된 투입재에 대한 의존도를 낮추고 더욱 안정된다. 

농민이 최근 경운한 맨흙의 농지에서 시작하여 초기 단계를 넘어 천이 발달이 진행되도록 하는 여러 방법이 있다. 한해살이 홑짓기에서 시작하여 여러해살이 나무 작부체계로 진행되는 일반적 모델의 하나가 그림18.1에 나와 있고, 아래와 같이 설명된다.

그림18.1 농업생태계의 천이 발달 단계. 이 과정의 모든 단계에서 체계의 전체나 일부를 발달의 초기 단계로 되돌리기 위하여 교란을 도입할 수 있다. (1)맨흙, (2)한해살이 홑짓기, (3)한해살이 섞어짓기, (4)한해살이와 짧은 수명의 여러해살이를 혼합한 섞어짓기, (5)나무 묘목과 함께 한해살이/여러해살이 섞어짓기, (6)혼농임업, (7)임목 농업체계. 

1-2. 농민은 빠르게 성장하고, 토양 양분을 포획하며, 초기 수확량을 제공하고, 발달 과정에서 개척 종으로 역할을 하는 단일한 한해살이 작물을 심으며 시작한다. 또한 농민은 초기 천이 과정을 모방하여, 처음 파종에 기타 덜적극적인 한해살이를 선택할 수도 있다.  

3. 다음 단계(또는 이전의 것 대신에)로, 농민은 개척 단계의 다양한 구성요소를 나타내는 한해살이의 섞어짓기를 심을 수 있다. 그 종은 양분 요구가 다르고, 서로 다른 곤충을 유인하고, 뿌리 깊이가 다르며, 토양으로 서로 다른 비율의 바이오매스를 돌려줄 것이다. 하나는 질소를 고정하는 콩과식물일 수 있다. 오리나 거위 같은 작은 가축이 흔한 이주종이 될 수 있는 잡초를 뜯어먹거나 달팽이를 잡아먹게 할 수 있다. 이들 초기의 종 모두는 회복과정의 개시에 기여할 것이고, 그들은 비작물 식물과 동물 -특히 토양 생태계를 발달시키는 데 필요한 육안으로 보이는 유기체와 미생물-이 군집을 형성할 수 있도록 환경을 변경할 것이다. 

4. 발달의 처음 단계 이후에(첫 번째 농사철 끝이나 두 번째나 세 번째 농사철이 시작될 때), 짧은 수명의 여러해살이 작물이 도입되기 시작할 수 있다. 개척 작물이 생성한 토양 덮개를 활용해 이들 종은 중요한 생태학적 측면에서 농업생태계를 다양화할 수 있다. 더 깊은 뿌리 체계, 살아 있는 바이오매스에 저장된 더 많은 유기물, 더 큰서식지 미기후의 다양성이 모두 결합되어 농업생태계의 천이 발달을 진전시킨다(그림18.2). 

그림18.2 코스타리카 투리알바의 한해살이 옥수수에서 재배하는 짧은 수명의 여러해살이 카사바(Manihot esculenta). 카사바는 옥수수가 확립된 뒤에 도입되었다. 

5. 일단 토양 조건이 충분히 개선되면, 땅은 한해살이와 그들 사이의 구역에 유지되는 짧은 수명의 여러해살이 작물과 함께 수명이 긴 여러해살이, 특히 과수나 임목을 심을 준비가 된다. 나무는 초기 성장기에 있는 동안 주변환경에 미치는 영향은 제한적이다. 그와 동시에 한해살이 작물은 그 성장 초기 단계에 주변의 여러해살이가 없으면 그들이 점유하고 있는 지역을 차지할 적극적인 잡초성 r-선택의 비작물 종들의 간섭에 더 취약하기 때문에 혜택을 받는다(그림18.3).

그림18.3 멕시코 남부의 캄페체에서 그멜리나 아르보레아Gmelina arborea 나무의 묘목이 옥수수-호박 재배에 통합되어 있다. 한해살이 체계에 임목 체계를 가입시키는 농법을 타운그야taungya라고 한다.  

6. 임목이 발달함에 따라, 그들 사이의 공간은 아래에 기술된 혼농임업 접근법을 활용하여 한해살이와 짧은 수명의 여러해살이와 함께 계속 관리될 수 있다. 이 시점에서 식생의 관리, 사업의 다양화 및 더 나은 양분 순환을 위하여 더 큰 가축을 도입할 수 있다(19장 참조). 

7. 최종적으로, 일단 나무가 완전히 발달하면, 발달 과정의 종착점에 이른다. 이 종착점은 그 지방의 자연 생태계의 구조를 본떠서 만들 수 있다. 그것이 이루어지면, 농민은 농업생태계 또는 그 선택된 일부를 천이의 초기 단계로 되돌리는 방식으로 그것을 유지하거나(어쩌면 가축과 통합된 체계로) 통제된 교란을 도입하는 선택을 할 수 있다. 

농업생태계가 그림18.1에 설명된 단계를 거쳐 진행되도록 하면, 순 1차 생선상과 살아 있는 바이오매스가 시간의 경과에 따라 어떻게 변화하는지 조사하는 데 유용하다. 이러한 변화는 교란 이후에 천이를 겪는 것처럼 자연 생태계에서 발생하는 것과 유사할 것이다. 시간의 경과에 따른 이러한 변화에 대한 일반적 모델이 그림18.4에 나와 있다. 순 1차 생산성은 농업생태계 발달의 초기 단계 동안 빠르게 증가하고, 그 증가한 대부분은 수확할 수 있는 산물로 이용할 수 있다. 천이 발달의 초기 단계에서 시간 간격(예, 그림 18.1의 단계 2와 3)은 발달 과정 동안 이용할 수 있는 순 1차 생산성에서 가장 빠른 증가를 보여주고, 가장 짧은 시간에 수확할 수 있는 가장 많은물질을 제공할 것이다. 또한 이는 대부분의 바이오매스가 방목하는 동물을 위해 이용할 수 있는 지점일 수도 있다. 발달의 후기 단계에서(예, 그림 18.1의 단계 7), 순 1차 생산성의 속도가 감소하기 시작하면 살아 있는 바이오매스(축적된 여러해살이 바이오매스의 형태로)는 상대적으로 높지만 각각의 시간 간격에서 새롭게 수확할 수 있는 물질의 실제 양은 감소하기 시작한다.  

그림18.4 천이에 의해 발달하고 있는 대표적인 생태계에서 연간 순 1차 생산성과 축적된 살아 있고 죽은 바이오매스 사이의 시간의 경과에 따른 관계 변화. 천이의 초기 단계(t2-t1 같은)에서 시간 간격(예, 한 계절)은 순 1차 생산성에서 빠른 증가를 목격하게 되는 반면, 천이의 후기 단계(t4-t3 같은)에서 유사한 길이의 시간 간격 동안은 순 1차 생산성이 약간 감소할 것이다. (Whittaker, R.H., Communities and Ecosystems, 2nd edn., MacMillan, New York, 1975; Odum, E.P., Ecology and Our Endangered Life-Support Systems, Sinauer Associates Incorporated, Sunderland, MA, 1993. 에서 변경함)

시간의 경과에 따른 순 1차 생산성과 바이오매스 사이의 변화하는 관계는 농업생태계 발달의 각 단계마다 관리와생산 전략을 사용할 수 있는지의 여부를 결정한다. 균형과 제약이 변한다. 예를 들어, 발달의 초기 단계에서 순 1차 생산성의 지속적인 제거는 바이오매스의 축적을 제한하는 반면, 순 1차 생산성의 제한된 수확은 농민이 수확을 위해 몇 년을 기다리게 만든다. 동물의 방목은 그들의 분뇨가 체계에 유지되는 한 바이오매스의 회전율을 가속화하는 데 도움을 줄 수 있다. 발달의 중간 단계에서, 순 1차 생산성은 그 일부는 과실이나 견과류로 수확되고 일부는 바이오매스로 축적될 만큼 충분히 높다. 후기 단계(예, 그림18.1의 단계 7)에서, 순 1차 생산성은 모든 새로운 순 1차 생산성이 바이오매스로 축적되도록 허용하며, 연료와 목재, 사료, 종이 펄프 또는 심지어 먹을거리에 대해서도 선택적으로 바이오매스를 수확할 수 있는 실행이 가능한 전략이 될 만큼 낮은 수준으로 감소한다. 

천이가 발달된 농업생태계의 관리

일단 천이가 발달된 농업생태계가 생성되면, 문제는 그것을 어떻게 관리할지가 된다. 농민은 세 가지 선택지를 갖는다. 

1.여러해살이 체계에서 모든 나무를 벌목하는 것 같은 주요한 교란을 도입하여 천이의 처음 단계로 전체 체계를 되돌린다. 달성되었던 생태학적 이점의 대부분이 상실될 것이고, 과정이 새롭게 시작되어야 한다. 

2.가축의 유무와 관계없이 여러해살이 또는 임목 농업생태계로 체계를 유지한다. 

3. 생태계로 뒤죽박죽을 도입하는 중간의 교란설과 역학을 이용하여, 통제되고 국지화된 방식으로 농업생태계에 교란을 재도입한다. 체계에서 작은 면적을 정리하여 그 구역을 천이의 초기 단계로 되돌려, 한해살이 또는 짧은 수명의 작물을 재배할 수 있다. 교란 과정에 주의를 기울이면 지하의 생태계가 발달의 후기 단계로 유지될 수 있는 반면, 지상의 체계는 수확 제거에 이용할 수 있는 매우 생산적인 종으로 구성될 수 있다. 그러한 발달의 초기와 후기 단계의 혼합은 천이 모자이크의 형성으로 이어진다. 이러한 모자이크는 구역의 생태학적 조건만이 아니라, 농민의 필요와 시장 조건의 변화에 따라 조정되고 관리될 수 있다. 또한 가축을 통합할 수도 있다. 

후자의 선택지는 가장 큰 이점을 제공하고, 농민에게 최대의 유연성을 제공한다. 작부 지방의 생태학적 제한에 의해 부과된 제약 안에서, 한해살이와 여러해살이 식물 및 방목하는 동물의 최종적인 혼합은 농민과 농장 지역사회의 필요에 맞출 수 있으며, 시장의 수요와 시장까지의 거리, 시장에 진입할 능력 및 투입재를 구매하고 운송할 수 있는 농민의 능력에 맞게 조정된다. 농장이 투입재와 노동력, 시장에 가까울수록 한해살이 구성요소에 더 중점을 둘 수 있다. 

천이가 발달된 체계를 관리할 때 가장 큰 과제는 한편으로는 체계의 생산성을 촉진하고, 다른 한편으로는 생태계안에 변화와 변동에 대한 저항성을 제공하는 방식으로 교란을 도입하는 방법을 배우는 일이다. 이는 지역의 환경조건과 정상적으로 존재하는 성숙한 자연 생태계의 구조 및 장기간에 걸쳐 그러한 조건들의 변경을 유지하는 가능성 등에 따라 여러 가지 방법으로 이루어질 수 있다. 

예를 들어, 현재 미국의 연간 곡물 생산량 가운데 많은 부분을 담당하고 있는 대초원 지방에서, 나무 없이 여러해살이 곡식 체계를 설계하고자 천이 모델을 활용(14장에서 논의됨)하는 데에 초점을 맞출 수 있다. 또 다른 사례는 장기간에 걸친 논 체계의 유지가 습지 생태계에 대한 지식, 정기적인 범람 및 인간의 논 토양 변경에 기반하고있는 중국 양쯔강의 벼를 재배하는 지방에 적용된다. 천이가 발달된 논벼 농업생태계는 버드나무, 낙엽송 같은 내습성이 있고 침수된 조건을 견디는 나무와 기타 강기슭이나 습지의 종들을 활용하고 물새와 물고기로 구성되는동물 구성요소를 추가함으로써 여러해살이 구성요소를 통합할 수 있었다. 

그림18.5 천이가 발달된 농업생태계에서 한해살이와 여러해살이의 혼합에 나타나는 변형. 지역의 시장을 위해 재배되는 옥수수와 강낭콩이 중국 베이징 주변의 근교에서는 감나무로 둘러싸여 있다(a). 모든 시장과 멀리 떨어진 코스타리카 남부에 있는 농촌의 농장에서는 여러해살이 떨기나무와 임목에 집중한다(b).

혼농임업 체계

천이가 발달된 농업생태계의 여러해살이 구성요소들이 나무일 필요는 없지만, 나무가 있는 체계는 어떻게 천이 발달을 관리할 수 있는지에 대한 최선의 사례를 제공한다. 혼농임업(agroforestry)이란 용어는 작물 생산이나 방목을 위해 사용된 토지에 의도적으로 나무를 보유하거나 심는 방법에서 붙여졌다(Wiersum 1981; Nair 1983). 그러한 체계는 작물이나 동물 농업의 요소를 나무의 고유한 생산적이고 방어적인 가치를 기반으로 하는 임업의 요소와 동시에 또는 순차적으로 결합시킨다. 혼농임업의 범주에 속하는 농법에는 많은 변형이 있다. 혼농조림(agrosilviculture)에서, 나무는 작물과 결합된다. 임축업(silvopastoral) 체계에서, 나무는 동물 생산과 결합된다. 혼농임축업(agrosilvopastoral) 체계에서, 농민은 나무와 작물, 동물의 복잡한 혼합을 관리한다. 모든 혼농임업 체게는 먹을거리와 기타 농산물의 생산을 위한 다양성 및 천이 발달을 이용하는 좋은 사례이다. 

농업생태계로 나무를 통합하는 일은 오랜 역사를 지닌 농법이다. 이는 특히 세계의 열대와 아열대 지방에서 그러하여, 그곳의 농민들은 농작물과 함께 오랫동안 나무를 심어서 먹을거리, 목공품, 사료 등에 대한 기본 수요를 제공하는 데 도움을 받고, 그들의 제한된 자원을 보존하고 보호하는 데 도움을 받았다(Nair 1983). 세계의 온대 지방에서 혼농임업 체계 또한 잘 알려져 있다(Gordon and Newman 1997). 

대부분의 혼농임업 체계의 목적은 산물의 다양성을 확보하고, 외부의 투입재에 대한 필요를 줄이며, 환경에 대한농법의 부정적 영향을 낮추기 위하여 나무 구성요소와 작물이나 동물 구성요소 사이에 발생하는 상호작용의 이로운 효과를 최적화하는 것이다. 여러 측면에서, 혼농임업 체계는 복합적인 작부체계와 똑같은 생태학적 혜택을 창출하고, 복합적 작부체계를 분석하기 위해 사용하는 연구 방법이 혼농임업 체계에도 똑같이 적용된다. 

혼농임업에서 나무의 생태적 역할

나무는 그들이 속한 생태계의 조건을 극적으로 변경할 수 있다(Reifsnyder and Darnhofer 1989; Farrell 1990). 혼농임업의 지속가능한 생산성은 대부분 나무의 이러한 능력에서 기인한다(그림18.7).

그림18.7 외딴 케이폭 나무(Ceiba pentandra)의 그늘에 모여 있는 소들이 멕시코 타바스코의 열대 저지대 목초지에남겨져 있다. 나무는 목초와 방목 체계에 여러 혜택을 제공할 수 있다. 

한해살이 작물의 뿌리보다 나무의 뿌리가 지하로 더 깊게 침투하여, 토양의 구조, 양분 순환, 토양 수분의 관계에영향을 미친다. 나무가 그늘을 지게 해 변경하는 지상의 빛 환경은 습도와 증발산에 영향을 주게 된다. 나무의 가지와 잎은 여러 동물의 생활을 위한 서식지를 제공하고, 바람의 국지적 영향을 변경한다. 떨어진 잎은 토양의 덮개를 제공하고, 그것이 부식하면서 중요한 유기물 공급원이 되어 토양의 환경을 변경한다. 이러한 여러 나무의 생태학적 효과는 그림18.8에 요약되어 있다.

그림18.8 나무가 주변의 농업생태계에 미치는 영향. 나무의 크기, 뿌리의 깊이, 여러해살이란 특성 때문에 나무는 농업생태계의 비생물적 조건에 상당한 영향을 미치며 여러 생물적 상호작용에 참여한다. 눈에 보이는 영향과 상호작용 외에도, 나무는 비바람에 의한 침식을 제한하고, 동물에게 그늘과 뜯어먹을 잎을 제공하며, 균근과의 연대를 형성하고, 토양 온도를 조절하고, 증발산을 줄일 수 있다. 콩과의 나무는 질소를 고정하는 박테리아와 함께 연대하여 그 체계에 질소를 공급할 수 있다. (Nair, P.K.R., Soil Productivity Aspects of Agroforestry: Science and Practice in Agroforestry, International Council for Research in Agroforestry (ICRAF), Nairobi, Kenya, 1984; Farrell, J., The influence of trees in selected agroecosystems in Mexico, in: Gliessman, S.R. (ed.), Agroecology: Researching the Ecological Basis for Sustainable Agriculture, Springer-Verlag, New York, 1990, pp. 169–183. 에서 고침)  

이들 효과 때문에, 농업생태계에서 나무는 더욱 복잡한 생태계의 신생 특징을 개발하기 위한 좋은 토대가 된다. 나무는 더 효율적으로 태양 에너지를 포획하고, 양분의 섭취와 보유 및 순환을 향상시키며, 체계를 동적 평형의 상태로 유지하도록 한다. 영구적인 미소지와 자원을 제공함으로써, 해충과 그 포식자 모두가 더 안정적으로 개체군을 유지하도록 한다. 혼농임업 체게에서 이러한 모든 요인의 상호작용은 관련된 작물과 동물에게 혜택을 주기 위해 관리될 수 있는 동시에, 외부의 투입재에 대한 체계의 의존도도 줄일 수 있다. 

혼농임업 체계의 설계와 관리

혼농임업 체계에서 농민은 몇 그루의 나무를 포함시킬 것인지, 얼마나 자주, 그리고 어떤 패턴으로 그들을 제거할 것인지, 천이의 모자이크는 어떤 종류의 패턴으로 천이의 모자이크를 유지할 것인지 선택할 수 있다. 이들 관리의 결정은 지역의 환경과 문화만이 아니라, 시장의 특성과 근접성에 달려 있다. 

나무의 긍정적 영향을 최적화하기

농업생태계의 나머지 부분에 미치는 나무의 긍정적, 부정적 영향 모두에 대한 지식은 체계로 나무를 완전하고 효과적으로 통합시키는 데 필수이다. 앞서 논의된 긍정적 영향은 나무가 미칠 수 있는 부정적 영향과 균형을 이루어야 한다. 여기에는 나무와 다른 작물 사이의 경쟁 또는 타감작용 간섭, 병해충 발생에 유리한 조건을 생성하는 미기후의 변경, 성숙한 나무에서 떨어지는 가지나 과실로 인한 작물의 품질 손상이 포함된다. 이러한 나무의 부정적 효과는 보통 나무의 적절한 공간 배열, 나무 종의 선택, 한해살이 종의 선택, 파종 시기, 가지치기 등으로 회피하거나 완화시킬 수 있다. 나무의 통합은 발생할 수 있는 모든 종류의 생태적 상호작용에 대한 광범위한 지식을 필요로 한다. 

상호의존성의 관리

복잡한 혼농임업 체계에서 일어나는 생태학적 과정에 대한 우리의 지식이 더욱 완벽해짐에 따라, 우린 그러한 체계의 사로 다른 구성요소들이 어떻게 상호의존적이 되는지를 알기 시작할 수 있다. 한해살이 작부의 구성요소는 서식지 변경, 토양의 더 깊은 곳으로부터의 양분 포획, 익충의 피난처 등을 하는 나무에 의존하게 될 수 있다. 체계에서 작부 구성요소의 존재는 나무의 성장과 함께 간섭을 일으킬 수 있는 침입성 비작물 식물을 대체할 수 있다. 동물은 그 체계의 한해살이 또는 짧은 수명의 작물이나 사료의 높은 순 1차 생산성으로부터 혜택을 입고, 똥오줌의 형태로 토양으로 양분을 돌려준다(혼농임업 체게에서 동물의 역할에 대한 더 많은 논의는 19장 참조). 혼농임업 체계의 관리는 이러한 생태적 상호의존성의 복잡한 묶음에서 오는 혜택을 최대화하는 데 초점을 맞추어야한다. 

또한 우리는 생태적 상호의존성은 그림의 일부일 뿐이란 점을 기억해야 한다. 인간은 땔감과 건축 자재, 동물을 위한 잎, 과실, 견과류, 향신료 및 약재 등과 같은 품목을 농업생태계에 있는 나무에 의존한다. 혼농임업 체계는 이러한 필요를 염두에 두고 설계되고 관리될 수 있어서, 나무는 생태학적으로나 경제적으로 모두 중요한 역할을 한다. 이것이 발생하면, 농사 지역사회와 그 농장 사이에서 상호의존성이 개발될 수 있다. 

나무의 공간 배열

나무는 혼농임업 체계에서다양한 방식으로 배열될 수 있다. 사용되는 패턴은 농민의 필요, 농업생태계의 성격, 지역의 환경과 경제적 조건에 달려 있다. 예를 들어, 그림18.9는 농업생태계에서 똑같은 비율의 토지를 나무로 덮을 수 있는 여섯 가지 방식을 보여준다.

그림18.9 혼농임업 체계에서 나무의 배열 모델. (a)경계 식목, (b)방풍림, (c)나무 사이 작부, (d)밭의 나무,(e밭의 나무, (f)순환식 휴한. (Young, A., The environmental basis of agroforestry, in: Reifsnyder, W.S. and Darnhofer, T.O. (eds.), Meteorology and Agroforestry, International Council for Research in Agroforestry, Nairobi, Kenya, 1989, pp. 29–48. 에서 고침)

농민의 주요 강조점이 나무로 살아 있는 울타리와 바람막이를 제공하고, 가끔씩 가지치기로 사료를 얻으며, 땔감이나 과실 같은 산물을 수확하는 것과 함께 임축업 활동에 있다면, 목초지 지역의 둘레에 나무를 (a)경계 식목하는 게 가장 좋은 설계일 것이다. 또 다른 경우로, 바람이 문제이지만 초점이 작물 생산이라면, (b)방풍림이나 바람막이 체계가 최선일 것이다. 나무 구성요소가 작물 생산을 향상시키기 위해 잎을 떨구거나 가지기치로 덮개를 제공하려는 것이면, 방풍림은 농업에 활용되는 소로 사이의 좁다란 나무의 열(c)이 될 수 있다. 또한 나무가 농업적 가치가 있다면, 작부체계나 목초 사이에 나무를 균일하거나(d) 더 무작위로(e) 분포시킬 수 있다. 마지막으로 토양 조건이 너무 척박하여 영구적인 경작이나 방목이 가능하지 않다면 순환식 설계(f)가 이용될 수 있는데, 나무가 발달하는 천이 기간은 화전의 이동 경작에서 요구되는 휴한의 길이를 결정하는 데 사용되는 것과 유사한 요인의 범위에 의하여 결정된다. 체계의 모든 구성요소의 상호작용, 통합, 상호의존성에 대한 철저한 이해는 궁극적으로 나무의 공간 배열과 그것을 시간의 경과에 따라 어떻게 바꿀지 결정하는 데 도움이 될 것이다. 

열대의 가정 텃밭

많은 복잡성과 다양성만이 아니라, 천이 단계의 모자이크를 유지하기 위한 기회들을 지닌 혼농임업 체계는 열대의 가정 텃밭 체계이다. 그것은 아마 가장 복잡하고 홍미로운 유형의 농업생태계 가운데 하나일 것이고, 우리가 지속가능한 농업을 위한 자원 관리와 관련해 배울 게 많은 것이기도 하다(Méndez 2000; Nair 2001; Kumar and Nair 2004)(그림18.10). 

그림18.10 멕시코 타바스코의 Cupilco에 있는 전통적인 열대의 가정 텃밭. 유용한 허브와 떨기나무, 나무의 다양한 혼합은 주거와 가까운 지역과 연관되어 있다. 

가정 텃밭은 나무가 주요한 생태학적 역할을 수행하면서 인간, 식물, 동물, 토양, 물 등이 통합된 생태계이다. 일반적으로 주거와 가까운 거리에 0.5-2.0헥타르(1500-6000평) 정도의 규모로 잘 규정된 면적을 차지한다. 식물종으로 풍부한 가정 텃밭은 보통 여러해살이 나무가 우점한다. 서로 다른 높이를 지닌 한해살이와 여러해살이의 혼합은 자연의 숲 구조와 비슷한 식생의 층을 형성한다. 높은 종 다양성으로 일년 내내 먹을거리를 수확할 수 있고, 땔감, 약용 식물, 향신료, 관상 식물 같은 기타 다양하고 유용한 산물이 생산된다. 또한 열대의 가정 텃밭은 닭 같은 가축을 통합시킬 수 있는 좋은 기회를 제공하기도 한다(Méndez et al. 2001; Del Angel-Perez and Mendoza 2004; Kehlenbeck and Maass 2005).    

높은 다양성

가정 텃밭의 생태적 다양성 -종, 구조, 기능의 다양성 및 수직과 수평의 배열을 포함하는- 은 놀라울 정도로 높다. 두 사례가 삽화로 이용된다. 

멕시코의 고지대와 저지대에 있는 가정 텃밭에 대한 연구에서, 매우 작은 면적(0.3-0.7헥타르)에서 높은 다양성으로 많은 측면에서 지역의 자연 생태계와 유사한 텃밭이 유지된다는 것이 발견되었다(Allison 1983). 연구된 텃밭은 작부체계에서 상대적으로 다양성의 지수가 높았고(표18.4 참조), 주변 지방의 훨씬 더 복잡한 자연 생태계에 가까운 잎 면적 지수와 덮개 수준을 나타냈다.

표18.4 멕시코 두 장소에 있는 가정 텃밭 체계의 특성

출처: from Allison, J., An ecological analysis of home gardens (huertos familiares) in two Mexican villages, M.A. thesis, University of California, Santa Cruz, CA, 1983. 의 자료

9곳의 다른 열대의 생태계가 지닌 일련의 생태계 특성에 대해 분석한 또 다른 연구(Ewel et al. 1982)에서, 40년 된가정 텃밭이 가장 고르게 분포된 캐노피를 갖는다는 사실을 발견했다. 이곳은 지상에서 14m 이상의 높이까지 상당히 균일하게 계층화된 캐노피를 가졌다. 그곳의 잎 면적 지수는 3.9이고 덮개의 백분율은 100%이며, 평방미터당 잎의 바이오매스는 조사된 모든 생태계 가운데 가장 높았다(307g/㎡). 깊이 25cm 아래까지 평방미터당 전체 뿌리의 바이오매스는 잎의 바이오매스와 동일했다. 아마 가장 중요한 점은 시험한 9곳의 체계 가운데 가정 텃밭 토양의 처음 25cm는 지면의 면적당 가장 높은 소구경(<5cm) 뿌리 면적을 가졌다는 것이다. 이들 특성은 생태학적으로 효율적인 체계, 특히 빛을 포획하고 토양의 상층에 양분을 모으며, 지상 바이오매스에 양분을 저장하고, 비와 태양이 토양에 미치는 영향을 줄이는 그 능력을 나타낸다.  

가정 텃밭에 있는 나무 -및 그것이 인간 관리인에 의해 관리되는 방식- 는 텃밭의 다양성, 복잡성, 효율적인 기능의 대부분을 가능하게 한다. 캐노피 층의 사이에 갇혀 있는 이산화탄소는 광합성 활동을 자극할 수 있고, 층 자체가 체게에서 생물학적 방제를 유지하는 데 유용한 조류와 곤충의 서식지 다양성을 증가시킬 수 있다. 나무의 뿌리는 양분이 체계의 밖으로 침출되는 걸 막고, 나뭇잎이 만든 깔개는 체계의 나머지로 양분을 다시 순환시킨다. 

다양한 용도와 기능

가정 텃밭의 중요한 특성은 그것의 다면적인 유용성이다. 나무는 자급용이나 환금작물로 이용할 수 있는 코코넛 같은 먹을거리를 생산할 수 있다. 나무의 목질 부분은 땔감과 건축 자재로 모두 이용할 수 있다. 식물과 동물에서오는 먹을거리의 다양한 유형은 탄수화물, 단백질, 비타민, 미네랄이 균형 잡힌 다양한 식사를 제공한다(Dewey 1979; Dharmasena and Wijeratne 1996). 종들의 혼합과 그들의 꽃이 피는 시기와 과실 성숙기의 가변성 덕에 일년 내내 먹을거리나 소득의 원천이 보장되도록 항상 무언가 수확할 준비가 되어 있다(Gliessman 1990).

가정 텃밭은 소유자의 사회적 지위를 나타내는 지표나 주택과 직접 관련된 환경을 아름답게 하거나 개선하는 등의 사회적 또는 미적 기능을 수행할 수 있다. 그와 함께, 텃밭은 농촌 가구에게 중요한 경제적 기능을 한다. 자바에서 행한 연구들에서, 많은 가구의 연간 소득 가운데 20-30%는 그들의 가정 텃밭에서 얻는다는 것이 밝혀졌다(Hisyam et al. 1979). 주요 먹을거리이자 환금작물에 노동력이 집중되는 벼 수확기에는 지역의 텃밭에서 생산량이 상당히 감소하지만, 연중 나머지 기간에는 텃밭에서 하는 활동이 매우 높았다. 

니카라과의 사례 연구에 의하면, 혼농임업 가정 텃밭은 소득 창출과 소비를 위한 생산 모두를 위하여 가구의 생계에 중요하다는 것이 밝혀졌다(Méndez 2000; Méndez et al. 2001). 평균적으로 가구는 가정 텃밭의 산물을 판매하여그 소득의 34%를 얻었고, 연구된 20곳 가운데 3곳에서는 유일한 소득원이었다. 게다가 가족들은 땔감과 과실, 목재, 약용 식물을 포함하여 그들의 텃밭에서 적어도 40가지 유형의 식물성 산물을 얻고 있다고 보고되었다. 저자들은 생산물과 소득을 위해 가정 텃밭에 의존하는 수준과 식물 종의 숫자 및 관리 구역 사이의 관계를 밝혔다. 가정 텃밭에 대한 의존도는 다양했지만, 텃밭은 그를 유지하는 가족들에게 찬탄을 받는 신뢰할 수 있고 융통성 있는 자원을 대표한다. 

역동적 변화

가정 텃밭에 대한 몇몇 장기 연구들에서는 텃밭이 역동적이고 변화하고 있음이 나타났다. 코스타리카의 한 연구에서, 푸에르토 비에호 근처의 가정 텃밭은 현금 소득의 필요만이 아니라 토지와 노동력의 제한된 가용성 때문에변화의 과정에 있는 것으로 나타났다(Flietner 1985). 약 990평의 절반에 해당하는 큰키나무층은 고르게 늘어서도록 심은 코코넛으로 대체되고 있는 과정에 있었고, 하층에는 카사바(Manihot esculenta)와 파인애플(Ananas comosus)만 심었다. 그 지방에 전천후 도로가 건설됨에 따라 트럭이 멀리 떨어진 도시의 시장으로 농산물을 운송할 수 있게 되어, 몇 년 전만 해도 존재하지 않던 코코넛과 파인애플 같은 작물에 대한 수요가 생겼다. 농민들은 이 수요를 충족하고자 그들의 농업생태계를 조정하고 있었다. 또한 텃밭 연구의 농민은 최근 농장에 일자리를 얻었고, 더 다양한 가정 텃밭이 필요로 하는 관리의 필요를 덜 충족시키게 되었다. 

코코넛이 성숙하면서 그 아래의 지면에 훨씬 더 그늘이 지는 환경을 조성하기에, 농민은 하층의 식물을 무엇으로이동시켜야 하는지 결정해야 할 것이다. 그 또는 그녀는 토란(Colocasia esculenta)으로 이동할 수 있는데, 이미 텃밭의 더 그늘지는 부분에 흔하다. 또한 그 또는 그녀는 그 체계의 발달 초기에 일반적이었던 한해살이 작물과 짧은 수명의 여러해살이를 다시 통합시키기 위하여 나무 작물의 일부를 제거하기로 결정할 수도 있다(그림18.11).

그림18.11 코스타리카 푸에르토 비에호 근처의 가정 텃밭은 시장용 작물로 전환되고 있다. 새로운 도로가 시장 기회를 개방시켜 텃밭의 종 혼합에 변화를 촉발시켰다.

표18.5의 자료에서 볼 수 있듯이, 코스타리카 구아나카스테 카나스Cañas에서 연구된 가정 텃밭 체계에서 1년부터 이듬해에 이르기까지 텃밭의 다양성과 구성에서 흥미로운 변화가 일어나는 것이 관찰되었다(Gliessman 1990). 텃밭에서 전체 종의 숫자는 12까지 증가했지만, 더 인상적인 건 개별 식물의 전체 숫자가 많이 증가한 점이다. 이러한 증가의 상당 부분은 주로 약용 및 향신료 종과 함께 2년차에 관상용 종의 더 큰 우세에서 주로 발생했다. 호박처럼 1년 전에는 매우 일반적이었던 먹을거리 종의 일부는 초기에 심은 모종을 제거한 가뭄 때문에 1986년엔 존재하지 않았다. 

표18.5 코스타리카 구아나카스테 카나스에서 2년에 걸쳐 375평의 가정 텃밭에서 식물 종을 비교.

출처: Gliessman, S.R. (ed.), Agroecology: Researching the Ecological Basis for Sustainable Agriculture, Springer-Verlag, New York, 1990. 의 자료

텃밭에서 일부 변화는 가구의 경제적 상황에서 일어난 변화를 추적할 수 있게 한다. 1986년, 그녀와 그녀의 딸이 지역사회에서 판매할 빵을 만드는 소규모 제과업을 시작했기에 가구의 여성이 텃밭을 돌보는 시간을 덜 쓰게 되었다. 제과업이 실패하면 먹을거리 작물이 아마 다시 한 번 더 큰  관심을 받을 것이다. 

사회경제적 요인이 텃밭의 변화 가운데 일부를 차지하더라도, 그 일부는 생태적 이유로 발생한다. 가정 텃밭에서변화는 교란의 변화하는 역학인 회복 과정 때문에 진행되며, 때로는 매우 빠르다. 

사회 체계와의 연결

앞에서 설명한 연구에서 나타나듯이 사회적, 경제적 요인은 가정 텃밭 체계와 그 관리 방식에 중대한 영향을 줄 수 있다. 멕시코 틀락스칼라의 전통농업에 대한 장기간의 연구(González Jácome 1985)는 산업화와 인구 증가에 대한반응으로 가정 텃밭의 다양성과 구조, 관리에 변화가 일어났음을 밝혔다. 일반적으로 농민들은 그들의 가정 텃밭에 있는 종의 숫자를 줄이고, 더 질서 있고 쉽게 관리되는 작부 패턴을 사용했으며, 더욱 쉽게 현금 경제에 진입할 수 있는 종을 심었다. 그러나 틀락스칼라는 농업 외의 일자리를 번갈아 가며 이용할 수 있고 제한되는 여러 차례의 "호황과 불황" 주기를 오랜 기간 동안 겪었기 때문에, 농민들은 농장 이외의 일자리 안정성에 대한 어떤 불신을 가지고 있다. 그 결과, 농장 이외의 일자리에서 일하더라도 외부의 소득이 상실되는 가능성에 대한 보험으로서, 상대적으로 다양한 농업생태계를 유지하고 있다.

지방의 인구 성장은 가정 텃밭 구조에 혼합된 영향을 미쳤다. 틀락스칼라는 푸에블라와 멕시코시티의 크고 확장된 도시형 산업 중심지와 가깝기 때문에, 기본적인 옥수수와 강낭콩부터 절화에 이르기까지 매우 다양한 농산물에 대한 수요와 시장이 상당하다. 이러한 수요는 지역의 작부체계를 다양화시키는 자극이 되지만, 또한 농민들이 환금작물에 중점을 두고 많은 자급용 종을 포기하도록 압력을 가한다. 환금작물과 자급용 작물을 결합시키는 데 이점이 있는 가족들은 가장 다양한 가정 텃밭을 유지하는 한편, 나머지는 주로 환금작물로 전환한다. 

지방의 경제적 변화가 가정 텃밭에 명백한 영향을 미치지만, 이 둘 사이의 연결은 다른 방향으로도 나아갈 수 있다. 가정 텃밭이 존재하는 곳에서는 가족에게 경제적 생존 수단을 제공하여 지역의 경제와 사회적 구조를 안정화시키는 경향이 있다. 그곳은 전통적인 지역의 경제와 현대적인 산업 경제 사이의 가교 역할을 하여, 산업 중심지로 이주하고 전통적인 사회적 유대를 포기하도록 조장하는 힘을 완충시키는 데 도움이 된다. 지방자치, 경제적 형평성, 생태적 지속가능성의 가능성을 제시함으로써, 가정 텃밭은 전 세계에 적용되고 응용될 수 있는 중요한 사례를 제공한다(Méndez et al. 2001; Major et al. 2005). 

교란, 회복, 그리고 지속가능성

혼농임업과 가정 텃밭 농업생태계는 지속가능한 농업의 모델로서 유용하기 때문에 이번 장에서 조사되었다. 그것들은 모든 농업생태계에 응용되고 적용될 수 있는 다양한 바람직한 특성을 통합한다. 관리할 수 있고 생산적이며, 환경의 다양한 요인이나 조건에 반응하고, 매우 다양한 산물과 물질에 대한 거주민의 요구를 충족시키고, 외부의 사회경제적 수요에 반응할 수 있는 능력을 가지고 있다. 그와 함께 그것들은 값비싼 수입산 농업용 투입재에 의존하지 않고, 환경에 대한 부정적 영향이 매우 제한적이다.

천이가 발달된, 특히 여러해살이 떨기나무와 나무가 있는 체계의 기존 유형에 대한 더 많은 정보가 절실히 필요하다. 도시화와 농업생태계의 단순화 및 환금작물로의 빠른 이동은 특히 개발도상국에서 이들 체계의 존재를 위협하고 있다. 우리는 선택된 농생태학에 기반을 둔 개선과 함께 천이와 교란의 관리에 대한 전통적인 지식을 통합시킨 기존 체계를 탐색하고, 설명하며, 관찰해야 한다.

혼농임업 체계의 가장 큰 가치는 아마도 그것이 나무거 거의 없거나 전혀 없는 농업생태계에 적용할 수 있는 원리를 제공한다는 점일 것이다. 모든 농업생태계를 여러해살이 종들을 통합하고, 적절하게 교란을 도입하며, 교란으로부터 회복을 촉진하는 천이 체계로 간주함으로써, 우리는 지속가능한 먹을거리 생산으로 나아가는 중요한 걸음을 내딛을 수 있다. 한계는 지방에서 자연적으로 발생하는 성숙한 생태계와 그러한 생태계 모델을 기반으로 하는 지속가능한 대안들의 설계와 관리에 연관되는 인간이란 구성요소에 의해서만 설정된다. 그것이 곡식 체계이든, 아니면 가정 텃밭이든 관계없이 그것은 역동적이고 다양하고 유연하며, 교란에 대한 탄력성과 저항성이란 중요한 생태계의 특성 및 천이의 회복 과정에 의해 끊임없이 새로워지고 재생되는 능력을 포함해야 한다. 

교란과 회복에 기반한 농법의 더욱 광범위한 보급은 상당한 연구를 필요로 할 것이다. 하지만 그것은 농업생태계의 모자이크가 있는 농업 경관의 발달로 이어질 수 있다. 많은 수확량에 대한 필요는 생태학적으로 상호보완적이고 상호의존적인 몇몇 종들의 섞어짓기로 재배되는 한해살이와 짧은 수명의 여러해살이 작물을 통해 생산될 수 있다. 그러한 체계에서 동물은 다시 한 번 양분 순환의 중요한 역할을 담당할 수 있다. 농지의 구조와 조직은 천이가 긴 수명의 여러해살이로 점차 전환되면서 시간의 경과에 따라 변할 수 있다. 그리고 교란의 주기에 통합되어 그곳이 성숙기로 발달하도록 허용되고, 그곳의 여러해살이나 나무 식생은 수확되거나 순환되어 한해살이 작부를 위해 다시 한 번 이용할 수 있게 되는 돌려짓기의 조각을 이룰 수 있다. 결국 지속가능한 모자이크를 달성할 수 있다. 

생각거리

1. 자연 생태계의 교란에 대하여 농업생태계의 인간이 유도한 교란의 생태학적 영향은 얼마나 비슷하거나 다른가?

2. 농업생태계의 설계와 관리를 위한 "아날로그 모델"은 여러분의 농업 지대에 어떻게 적용될 수 있는지 설명하라. 여러분의 체계가 거쳐야 하는 천이의 단계와 여러분의 농장 주변에 존재하는(또는 존재했던) 자연 생태계에서 일어나는 일을 어떻게 반영하는지 확실히 나타내야 한다. 

3. 혼농임업 체계의 설계가 환경에 미치는 나무의 생태학적 영향에 관한 지식에 의해 어떻게 정보를 얻을 수 있으며, 특정 산물에 대한 농민의 필요에 따라 어떻게 형성될 수 있는지 몇 가지 사례를 들라. 

4. 여러분이 살고 있는 장소에 특별히 적합한 가정 텃밭 혼농임업 체계의 설계에 생태학적 균형과 수확력을 어떻게 통합할 것인가? 여러분의 설계 결정에 영향을 미치는 생태적, 문화적 배경을 모두 명확히 설명하라.

5. 지난 수십 년 동안 많은 농업 경관, 특히 산업국의 농업 경관에서 나무가 사라진 이유는 무엇인가?

6. 농생태학의 관점에서, 지속가능한 농업에서 다양성과 교란 사이의 가장 중요한 관계는 어떤 것들이 있는가?

7. 천이 조각들의 모자이크로 구성된 농업 경관이 어떻게 "홑짓기의 섞어짓기"로 묘사될 수 있는지 설명하라. 

인터넷 자료

Agroforestry Net 

http://www.agroforestry.net

An organization based in Hawaii and focused on the Pacific Islands. 

Association for Temperate Agroforestry 

http://www.aftaweb.org

An excellent source of information on agroforestry systems suitable for more temperate regions of the world. Edible Forest Gardens www.edibleforestgardens.com An organization dedicated to developing the vision, design, ecology, and stewardship of perennial polycultures of multipurpose plants in small-scale settings.

Holistic Management International 

http://www.holisticmanagement.org

A natural resource approach that uses ecological processes, including succession, for pasture and agroecosystem management. 

The Overstory 

http://www.agroforestry.net/overstory

An agroforestry “ejournal,” focused on home gardens. 

Society for Ecological Restoration 

http://www.ser.org 

An international society, with an academic journal, dedicated to reversing ecosystem degradation and restoring the earth’s ecological balance for the benefit of humans and nature. 

World Agroforestry Centre

http://www.worldagroforestry.org 

Considerable information about research and development partnerships in the area of agroforestry in the tropics, directed toward reducing poverty and environmental impacts.

읽을거리 

Atanga, A., D. Khasa, S. Chang, and A. Degrande. 2014. Tropical Agroforestry. Springer: Berlin, Germany.

An up-to-date review of the principles and experiences of agroforestry in tropical regions of the world. 

Bazzaz, F. A. 1996. Plants in Changing Environments: Linking Physiological, Population, and Community Ecology. Cambridge University Press: Cambridge, U.K. 

A foundational overview of the interactions between plants and different organisms as they participate in succession and ecosystem recovery. 

Clewell, A. F. and J. Aronson. 2013. Ecological Restoration: Principles, Values, and Structure of an Emerging Profession. Island Press: Washington, DC. 

An engaging review of the principles and practice of the profession of restoration ecology and the human needs and values that motivate practitioners. 

Howell, E. A., J. A. Harrington, and S. B. Glass. 2011. Introduction to Restoration Ecology. Island Press: Washington, DC. 

An interdisciplinary examination of the field of restoration ecology, from the ecological science to the policy decisions. 

Jackson, W. 2011. Nature as Measure: The Selected Essays of Wes Jackson. Counterpoint: Berkeley, CA. 

Essays from the founder of the Land Institute that focus on using nature as the model for designing agroecosystems as an alternative to industrial agriculture. 

Nair, P. K. R. and D. Garrity (eds.). 2012. Agroforestry: The Future of Global Land Use. Springer: Berlin, Germany. 

A comprehensive coverage of the concepts and experiences of agroforestry in both developing countries and industrialized temperate regions. 

Odum, E. P. 1969. The strategy of ecosystem development. Science 164: 262–270. 

A key paper for understanding the relationship between succession and ecosystem development.

Ronnenberg, K. L., G. A. Bradshaw, and P. A. Marquet (eds.). 2003. How Landscapes Change: Human Disturbance and Ecosystem Fragmentation in the Americas. Ecological Studies 162. Springer: Berlin, Germany. 

A multidisciplinary overview of the interactions between humans and ecosystem processes, and how they have affected the landscapes of North and South America. 

Schelhas, J. and R. Greenberg. 1996. Forest Patches in Tropical Landscapes. Island Press: Washington, DC. 

An assessment of the ecological and social value of tropical forest remnants, and the issues surrounding their management and conservation. 

Schroth, G., G. A. B. da Foseca, C. A. Harvey, C. Gascon, H. L. Vasconcelos, and A. M. N. Izac (eds.). 2004. Agroforestry and Biodiversity Conservation in Tropical Landscapes. Island Press: Washington, DC. 

Rich in case studies, this edited volume critically analyzes the biodiversity conservation potential of tropical agroforestry systems at the landscape scale. 

Walker, L. R., J. Walker, and R. J. Hobbs (eds.). 2007. Linking Restoration and Ecological Succession. Springer: New York. 

A comprehensive discussion of how plants, animals, and microorganisms develop and interact following disturbances, and how this knowledge can be used in restoration. 

Watt, A. S. 1947. Pattern and process in the plant community. Journal of Ecology 35: 1–22. 

A classic paper on the way succession works in plant communities.

<농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학>

17장 농업생태계 다양성

농업생태계와 자연 생태계 모두 유기체와 유기체가 살아가는 무생물의 물리적 환경으로 구성된다. 앞의 세 장에서는 개체군과 군집 수준에서 이러한 체계의 유기체 또는 생물적 구성요소에 주로 관심을 쏟았다. 이번 장에서 우리는 생태계의 비생물적 구성요소를 그림에 추가하기 시작해서, 생태계 수준의 연구에 도달하겠다. 이 수준에서 우리는 체계를 전체로서 바라보고, 그 구조와 기능에 대한 더욱 완벽한 그림을 얻을 것이다. 

전체 체계를 특징 짓는 복잡성은 지속가능한 농업생태계 설계를 위한 중대한 토대인 생태학적 상호작용의 기초이다. 이들 상호작용은 주로 체계의 다양성의 기능이다. 

다양성은 체계의 복잡성의 산물이기도 하고, 척도이기도 하고, 토대이기도 하며, 따라서 지속가능한 기능을 지원하는 그것의 능력이다. 한 관점에서, 생태계 다양성은 체계의 서로 다른 생물과 무생물의 구성요소가 조직되고 상호작용하는 방식의 결과로 발생한다. 또 다른 관점에서, 다양성 -생물지화학 순환과 다양한 살아 있는 유기체의 복합에 의해 분명해짐에 따라- 은 체계의 조직과 상호작용을 가능하게 하는 것이다. 

이번 장에서, 우린 먼저 전체 체계로서 농업생태계를 관리하고, 그들의 신생 특징을 이용하는 게 무엇을 의미하는지 살펴본다. 그런 다음 자연 생태계의 생물다양성, 농업생태계 환경에서 다양성의 가치, 다양성을 평가하는 방법, 그리고 다양성의 관리에서 도서 생물지리학 이론이 할 수 있는 역할을 탐구한다. 마지막으로, 농업생태계의 설계와 관리를 위한 틀을 개발하는 관점에서 생태학적 다양성과 지속가능성 사이의 연결을 탐구한다. 

전체 체계 접근법과 기회

이전 장에서 우리는 작물 군집의 개체군들 사이의 상호작용이 어떻게 군집 수준에서만 존재하는 신생 특징으로 이어지는지 보았다. 생태계 수준에서, 농업생태계를 그 부분들의 합보다 훨씬 더 크게 만드는(또는 그 농지에 있는 작물의 합보다 훨씬 큰 농장) 또 다른 신생 특징들의 세트가 존재한다. 이 수준에서 작동하는 관리는 광범위한이로운 상호작용과 과정을 활용할 수 있다. 

전체 체계의 관리 

농생태학은 부분과 전체를 모두 연구해야 한다고 강조한다. 전체의 개념이 그 부분의 합보다 더 크다는 개념이 널리 인식되어 있지만, 농장 생산과 실행 가능성과 관련된 복잡한 문제를 다루기 위한 방법으로 개별 작물이나 동물에 대한 상세한 연구를 강조하는 현대의 농학과 기술에 의해 오랫동안 무시되어 왔다. 우리는 전문화와 농사체계의 작물 구성요소의 수확량에 대한 좁은 초점으로부터 많은 것을 배웠지만, 농업의 지속가능성을 완전히 이해하고 지속가능한 관리법을 시행하기 위해서는 전체 농장(과 전체 먹을거리 체계)에 대한 이해를 개발해야 한다. 

농업생태계 관리가 전체 체계의 신생 특징에 의해 주어지는 기회들을 고려하면, 조건과 개체군을 통제한다는 패러다임은 그들을 관리한다는 패러다임으로 대체된다. 그러한 관리 패러다임에 따라, 우리는 항상 모든 행위나 농법의 전체 체계에 대한 영향을 고려하고자 노력하고 있으며, 계획적으로 전체 체계의 기능과 신생 특징들에 기반한 농법을 설계한다. 

산업적 접근법에 따라, 모든 조건을 개별적으로 엄격히 통제하고 균질화하려는 시도는 이로운 관계와 간섭을 제거하는 결과를 낳곤 하여, 부정적 간섭과 상호작용만 남기게 된다. 산업의, 또는 관행농의 관리법은 더욱 복잡한 상호작용이 일어날 수 있는 군집과 생태계 수준보다는 오히려 체계의 개체나 개체군 수준에서 주로 작동한다. 

개체군 수준, 통제 지향형 산업적 접근법에 내재된 문제들은 지난 수십 년 동안 해충과 잡초, 병원군의 방제에 적용된 방식에서 쉽게 볼 수 있다. 좋은 벌레만, 또는 잡초는 죽어야 하는 것이란 원칙에 기초하여, 작부체계에서 각각의 표적 해충을 제거하거나 죽이기 위하여 놀라운 기술들이 개발되었다. 이들 기술은 예를 들어, 표적 해충의 포식자를 제거함으로써 다양한 방식으로 농업생태계를 단순화시켰다. 그러나 단순화된 농업생태계에서 해충의 침입은 더 흔해지고 치명적이 되어, 그 결과로 생기는 문제를 처리하기 위해 외부 투입재의 사용을 증가시켜야 한다.  

다양성의 구축

전체 체계 관리에서 가장 중요한 우선사항은 높은 다양성만이 이로운 상호작용을 위한 잠재성이 있기 때문에 더 복잡하고 다양한 농업생태계를 만드는 일이다. 농민은 이 장의 나머지에서 논의하듯이 다양성을 높이는 다양한 농법과 원리를 통하여 체계에 식물 종의 숫자를 늘림으로써 시작한다. 그런 다음 19장에서 논의하는 것처럼, 가축이 작물과 통합될 수 있다. 이러한 다양화는 비생물적 조건에 긍정적 변화를 가져오고, 이로운 절지동물과 기타 동물들의 개체군을 유인한다. 생식력과 생산성을 유지하고 해충 개체군을 규제하는 방식으로 체계가 기능하도록 -그 특정 구성요소의 적절한 관리와 함께- 신생 특징들이 개발된다. 그림17.1은 다양한 농업생태계를 관리하는 역학의 매우 일반적인 개념화를 그린 것이다. 

그림17.1 다양한 농업생태계에서 체계의 역학

다양하고 복잡한 체계에서, 농민들이 직면하고 있는 모든 과제는 아니지만 많은 경우에는 체계의 구성요소와 상호작용을 적절하게 관리하면 외부 투입재를 추가할 필요가 거의 없어진다. 예를 들어, 해충 관리 분야에서 해충 개체군은 농업생태계 관리자가 의도적으로 설정한 체계의 상호작용에 의해 통제될 수 있다. 또 다른 예로, 양분 순환의 분야에서 동물은 인간이 소비할 수 없는 식물성 물질을 농장에서 사용하기 위한 분뇨로 전화시킬 수 있다. 

유기농 농민과 농생태학자가 개발한 "대안적" 해충 관리의 여러 방법은 다양성에 기초한 전체 체계 관리의 좋은 사례이다. 이들 방법은 해충 개체군을 억제하는 이로운 상호작용을 확립하기 위한 토대로서 농업생태계의 다양성과 복잡성을 증가시킨 데 의존한다. 특정 농업생태계에서 적용된 몇 가지 방법에 대한 설명이 표17.1에 나와 있다. 

표17.1 체계의 상호작용에 기초한 대안적 해충 관리의 대표적 사례

출처: Altieri, M.A. and Nicholls, C.I., Biodiversity and Pest Management in Agroecosystems, 2nd edn., Howarth Press, Binghamton, New York, 2004b; Andow, D.A., Annu. Rev. Entomol., 36, 561, 1991. 에서 고침

생태학적 다양성

생태학에서, 다양성의 개념은 주로 군집 수준에 적용되는 경향이 있다. 다양성은 특정 위치에서 군집을 구성하고있는 여러 종들의 숫자로 이해된다. 그러나 생태계에는 종의 숫자에 의해 파악되는 것 너머 다른 종류의 다양성과 이질성이 있다. 예를 들어, 숲에서 여러 임관 수준에서 보이듯이 생태계는 그 구성요소의 공간적 배열에 다양성을 갖는다. 그 기능의 과정에서 다양성을 갖고, 그 생물상의 게놈에서 다양성을 갖는다. 그리고 생태계는 주기적으로나 방향적으로 시간의 경과에 따라 다양한 방식으로 변화하기 때문에, 시간적 다양성이라 부를 수 있는 것을 갖는다. 

그러므로 다양성은 다양한 차원이 있다. 이들 차원이 인지되고 정의될 때, 다양성의 개념 자체가 넓어지고 복잡해진다. 그것을 우리는 생태학적 다양성이라 부를 것이다. 

생태학적 다양성의 가능한 차원 가운데 일부는 표17.2에 정리되어 있다. 다른 차원들이 인지되고 정의될 수 있지만, 이들 7개 항목은 이 책에서 활용될 차원이다. (생물다양성이란 용어는 일반적으로 종의 다양성과 유전적 다양성의 조합을 언급하고자 사용된다.) 이들 다양한 생태학적 다양성의 차원은 자연 생태계와 농업생태계 모두의 다양성을 완전히 이해하기 위해 유용한 도구이다. 

표17.2 생태계에서 생태학적 다양성의 차원

자연 생태계에서 다양성

다양성은 자연 생태계 대부분의 고유한 특성처럼 보인다. 서로 다른 생태계 사이의 다양성 정도는 매우 다르지만, 일반적으로 생태계는 그들의 비생물적 환경의 제약을 받을 때 가능하면 다양성을 표현하려는 경향이 있다. 

다양성은 부분적으로는 진화적 역학의 기능이다. 15장에서 논의했듯이, 돌연변이 유전적 재조합, 자연선택이 결합해 지구의 생물상 사이에서 가변성, 혁신, 분화를 생산한다. 일단 다양성이 생성되면, 그것은 스스로를 강화시키는 경향이 있다. 종 다양성이 커질수록 서식지의 분화가 더 커지고, 생산성이 더 높아져 종의 다양성이 더욱 커지게 된다. 

다양성은 생태계의 구조와 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 탠슬리Tansley(1935)가 식물과 동물의 군집과 그들의 물리적 환경의 조합을 언급하기 위하여 "생태계"라는 용어를 창안한 이후, 생태학자들은 체계의 다양성과 안정성 사이의 관계를 입증하고자 시도해 왔다. 자연 생태계는 일반적으로 더 큰 다양성이 동요와 교란에 대한 더 큰 저항성을 허용한다는 원리에 부합한다. 높은 다양성을 가진 생태계는 물질 순환과 에너지 흐름의 과정에서 교란으로부터 회복하고 균형을 되찾을 수 있도록 더 탄력적인 경향이 있다. 낮은 다양성을 가진 생태계에서 교란은 기능에 영구적인 변화를 쉽게 일으킬 수 있고, 그 결과 생태계로부터 자원의 상실과 그 종들의 구성에 변화를 불러올 수 있다. 

다양성의 규모

고려되고 있는 영역의 크기는 다양성(특히 종 다양성)이 측정되는 방법에 영향을 미친다. 계곡의 숲에서 단일한 위치의 종 다양성은 계곡의 여러 군집들 전체에 걸친 종 다양성과는 다르다. 

단일한 위치에서 종 다양성은 알파 다양성이라 부르곤 한다. 이는 단순히 한 군집의 상대적으로 작은 영역에 있는 종의 다양성이다. 군집 또는 서식지 전체에 걸친 종 다양성 -한 위치부터 다른 위치까지에 이르는 종의 다양성- 은 베타 다양성이라 부른다. 산맥이나 계곡 같은 지방의 종 다양성을 측정한 더 큰 규모의 감마 다양성도 있다.

다양성의 세 가지 유형 사이의 차이는 가상의 5km 절개로 설명할 수 있다.  특정 지점의 10m 이내에서 종의 숫자를 셈으로써 절개를 따라 어떤 위치에서 알파 다양성을 측정할 수 있다. 이와 대조적으로 베타 다양성의 측정은 서로 다르지만 인접한 서식지에서 절개를 따라 적어도 두 지점을 포함한다. 이 두 위치의 종 구성이 매우 다르면 베타 다양성이 높다. 만약 두 서식지 사이의 종 구성이 약간 변하면 베타 다양성이 낮다. 감마 다양성의 측정은 전체 절개의 길이를 따라 이루어져, 종의 전체 숫자와 그 분포의 변이 모두를 고려한다. 원칙적으로, 알파, 베타, 감마 다양성 사이의 구별은 구조적, 기능적 다양성 같은 생태학적 다양성의 다른 차원으로 확대될 수 있다. 

알파, 베타, 감마 다양성은 여러 생태계와 경관이 그 다양성의 구조에서 어떻게 달라지는지 설명할 수 있도록 하기 때문에 유용한 개념적 구분이다. 예를 들어 모든 방향으로 수백 킬로미터 뻗어 있는 매우 다양한 자연의 초원은 높은 알파 다양성을 가질 수 있지만, 넓은 영역에 걸쳐 모든 위치에서 똑같은 상대적 비율로 똑같은 종이 발견되기 때문에 초원의 베타와 감마 다양성은 비교적 낮다. 이와 대조적인 예로, 토종이 아닌 초원, 단일한 종에 의해 우점된 숲 군집, 가파른 비탈에서 자라고 있는 떨기나무 군집 같은 단순한 군집들의 복잡한 모자이크로 구성된 경관을 고려해 보라. 알파 다양성은 각각의 군집에서 상대적으로 낮지만, 그 영역 전체에 걸친 모든 절개는 다양한 종들의 집단으로 겹쳐 베타와 감마 다양성을 상대적으로 높게 만든다. 

알파와 베타 다양성의 규모는 특히 농업생태계에 유용하게 적용된다. 예를 들어, 높은 베타 다양성을 지닌 작부체계는 높은 알파 다양성을 지닌 농업생태계와 똑같은 이점을 제공할 수 있는 한편 관리가 훨씬 용이해진다(그림17.2).

       상자당 하나의 종 = 낮은 알파 다양성                   상자당 세 가지 종 = 높은 알파 다양성

        세 유형의 상자 = 높은 베타 다양성                     한 유형의 상자 = 낮은 베타 다양성

        (a)                                                         (b)

그림17.2 농업생태계의 맥락에서 알파 다양성 대 베타 다양성. 단순화를 위하여, 각각의 모양은 작물을 나타내고, 각각의 상자는 위치를 나타낸다. 이 규모는 위치가 더 많은 작물을 포함할 수 있다는 점에서 어느 정도 임의적이다. 이 도표의 요점은 (a)세 가지 작물을 줄지어 심은 (a)와 세 가지 작물을 사이짓기하는 (b)를 표현할 수 있는 두 배열 사이의 대조를 보여주는 것이다. 

천이 과정과 다양성의 변화

발달의 초기 단계나 교란 이후의 자연 생태계에 대한 연구들은 다양성의 모든 차원이 시간의 경과에 따라 증가하는경향이 있음을 입증했다. 이러한 과정은 지위 다양화, 서식지 변경, 경쟁적 치환, 자원 분할, 공존과 상리공생 및 기타 형태의 간섭의 개발 등을 통해 일어난다. 생태계 과정들에서 가변성과 변동은 이러한 다양화에 의해 감쇠되어, 다양성이 증가함에 따라 그 체계의 안정성이 더욱 향상된다. 

생태계가 교란되면, 그 생태학적 다양성의 각 차원이 단순화되거나 발달의 초기 단계로 돌아간다. 종의 숫자가 감소하고, 수직적 성층이 줄어들며, 상호작용이 더 적게 발생한다. 교란 이후에 생태계는 2차 천이라 부르는 회복 과정을 시작한다(자세한 건 18장 참조). 이 과정 동안, 체계는 교란 이전에 존재하던 종과 상호작용, 과정의 다양성을 복원하기 시작한다. 

결국 체계는 성숙기라 부르는 것에 도달하는데, 이는 물리적 환경에서 에너지 흐름, 양분 순환, 개체군 역학에 대한 완전한 잠재력이 실현될 수 있는 천이 조건으로 정의될 수 있다. 성숙기에 있는 생태계의 구조적, 기능적 다양성은 추가적인 사소한 교란에 직면하여 변화에 대한 저항성을 제공한다. 

천이의 단계를 거쳐 다양성이 증가하는 경향이 있긴 하지만, 생태학에 관한 최신 연구에 의하면 성숙기는 적어도종의 관점에서 가장 높은 다양성을 지닌 단계를 대표하지 않을 수 있다. 오히려 가장 높은 다양성은 성숙기에 가까워지면서 달성되고, 완전히 성숙기에 도달하면 다양성이 약간 감소한다. 바이오매스는 성숙기에도 느린 속도이지만 게속 증가한다(그림17.3). 

그림17.3 2차 천이 동안 종 다양성과 바이오매스의 변화

다양성, 안정성, 탄력성

다양성과 "안정성" 사이의 관계에 관하여 생태학에서는 많은 논의가 있었다. 두 가지 사이에는 어떤 상관관계 -즉, 생태계의 다양성이 더 클수록 변화에 대한 저항성이 더 커지고, 교란으로부터 더 잘 회복하는- 가 있는 것처럼 보이지만, 상관관계의 정도와 강도에 대해서는 의견 차이가 있다. 

그 문제의 대부분은 안정성에 대해 일반적으로 인정된 정의의 제한된 성격 때문에 발생한다. "안정성"은 보통 체계 안에 있는 유기체의 개체군에서 상대적으로 변동이 없는 것을 말하여, 평행 상태를 유지하는 조건이나 변화의결여를 암시한다. 이러한 안정성의 개념은 특히 다양성의 생태학적 결과를 기술하는 것과 관련하여서는 부적절하다. 이런 이유 때문에 안정성이란 용어는 2장에서 생태계 구조에 대한 서문에서 언급했듯이, 탄력성과 저항성이란 용어로 주로 대체되었다. 되새기기 위하여, 저항성은 일반적으로 변화에 저항할 수 있는 능력이고, 탄력성은 교란으로부터 되돌아와 교란 이전에 존재하던 것과 비슷한 상태로 돌아갈 수 있는 능력이다. 일반적으로 체계의 다양성은 탄력성과 저항성 모두와 매우 상관관계가 있다. 

일부 생태학자의 경우, 저항성과 탄력성이 다양성에서 기인하는 모든 관련된 특징의 이유라 보지 않는다. 그들은생태계의 튼튼함, 상호작용 및 에너지 흐름과 물질 순환의 자체 통제 과정의 복잡한 수준을 유지할 수 있는 그것의 능력이라 부를 수 있는 것에 초점을 맞춘 개념을 원한다. 그러한 개념은 특히 저항성과 탄력성을 넘어 무언가를 모색하는 농민과 농업생태계 관리자가 농업생태계에서 다양성의 가치와 이용을 이해하는 데 도움이 될 것이다. 

생태계에서 다양성이 생성되는 것을 더 잘 이해하기 위하여, 우리는 다양한 형태의 생태학적 다양성과 특정 생태계 과정 및 특성들 사이의 가능한 인과관계에 대해 더 많은 연구를 해야 한다. 이 분야의 중요한 작업은 이미 완료되었다. 예를 들어, 더 높은 조류 종의 다양성은 더욱 다양한 먹이 활동과 둥지짓기 행위를 지원하기 때문에, 더 복잡한 군집 구조와 상관관계가 있다는 것이 밝혀졌다. 이와 비슷하게, 포식자-먹이 다양성과 더 복잡한 먹이그물은 실제 종의 숫자와 서식지 다양성 모두와 상관관계가 있다. 

농업생태계에서 생태학적 다양성

대부분의 농업생태계에서 교란은 자연 생태계에서보다 훨씬 더 빈번하게, 주기적으로, 그리고 더 큰 강도로 발생한다. 농업생태계가 그 천이 발달에서 아주 멀리 나아갈 수 있는 경우란 드물다. 그 결과, 농업생태계에서 다양성은 유지되기가 어렵다. 

다양성의 상실은 자연 생태계를 특징 짓는 종들 사이의 긴밀한 기능적 연결을 매우 약화시킨다. 양분 순환의 속도와 효율성 변화, 에너지 흐름이 변경되고, 인간의 간섭과 투입재에 대한 의존도가 증가한다. 이런 이유로, 농업생태계는 자연 생태계보다 저항성이 떨어지고, 탄력성이 부족한 것으로 간주된다. 

그럼에도 불구하고, 농업생태계는 산업형 농업생태계가 전형적으로 그러하듯이 단순화되고 다양성이 빈약할 필요는 없다. 바이오매스를 수확하는 필요성에 의해 부과된 제약 안에서, 농업생태계는 자연 생태계가 나타내는 다양성의 수준에 접근할 수 있으며 더 큰 다양성으로 인해 허용되는 높아진 탄력성과 저항성, 튼튼함의 혜택을 누릴 수 있다. 다양성의 더 많은 요소가 농사 체계에 존재할 때 가능한 상호작용의 복잡성을 관리하는 일은 외부 투입재에 대한 필요를 줄이고 지속가능성으로 나아가는 핵심 부분이다. 

농업생태계 다양성의 가치

지속가능한 농업의 핵심 전략은 다양성을 농업 경관으로 다시 통합시키고, 그것을 더 효과적으로 관리하는 것이다. 다양성의 증가는 대규모 단작에서 그 극단적 형태에 도달하는 오늘날의 산업형 농업 대부분에서 초점을 맞추는 것과 반대된다. 특히 다양성을 제한하고 균일성을 유지하기 위해 개발된 모든 투입재와 농법을 고려할 때, 다양성은 그러한 체계에서 더 불리한 것으로 간주된다. 

복합적 작부체계에 대한 연구는 농업 환경에서 다양성이 매우 중요하다고 강조한다(Francis 1986; Vandermeer 1992; Altieri 1995b; Innis 1997; ong et al. 2004; Mohler and Stoner 2009; Volder and Franco 2013)). 다양성은 여러 가지 이유에서농업생태계에서 소중하다.

•다양성이 높아지며 미소서식지가 더욱 분화되어, 체계의 구성요소인 종들이 "서식지 전문가"가 되도록 한다. 각 작물은 그 고유한 요구사항에 이상적으로 적합한 환경에서 재배될 수 있다.  

•다양성이 증가함에 따라, 농업생태계의 지속가능성을 향상시킬 수 있는 종들 사이의 공존과 이로운 간섭을 위한 기회도 늘어난다. 앞서 논의된 질소 고정 콩과식물과 관련된 작물 사이의 관계가 그 주요 사례이다. 

•다양한 농업생태계에서 농업 현황과 관련된 교란된 환경을 더 잘 활용할 수 있다. 개방된 서식지는 외부에서 온 잡초성의 유해하고 개척하는 침입자가 아니라 그 체계에서 이미 발생한 유용한 종이 집단 서식할 수 있다. 

•높은 다양성은 초식동물과 그 포식자 사이의 다양한 종류의 이로운 개체군 역학이 가능하게 만든다. 예를 들어, 다양한 체계는 일부만 해충인 몇몇 초식동물 개체군만이 아니라 모든 초식동물을 먹이로 삼는 포식자 종의 존재도 장려할 수 있다. 포식자는 개별 초식동물 종의 개체군을 억제함으로써 초식동물 종들 사이의 다양성을 향상시킨다. 초식동물 다양성이 더 증대되면, 해충인 초식동물은 우점하지 못해 어떤 작물도 위협할 수 없다. 

•더 큰 다양성은 농업생태계에서 더 나은 자원 이용 효율을 가능하게 하곤 한다. 서식지 이질성에 대한 체계 수준의 적응이 더 잘 이루어져, 작물 종의 요구, 지위의 다양화, 종들 지위의 겹침, 자원의 분할에서 상호보완적 상태로 이어진다. 예를 들어 전통적인 옥수수-강낭콩-호박 사이짓기는 세 가지 서로 다르지만 상호보완적인 작물 유형이 함께 가져온다. 세 가지 모두를 이질적인 농지에 심으면, 어느 한 곳에서 토양의 조건은 적어도 세 작물 가운데 하나의 요구를 적절히 충족시킬 가능성이 있다. 균일한 농지에 심으면, 각각의 작물은 약간 서로 다른 지위를 차지하고 토양의 양분에 대한 서로 다른 요구를 만들 것이다.    

•다양성은 특히 더 예측할 수 없는 환경 조건인 지역에서 농민의 위험을 감소시킨다. 한 작물이 잘 되지 않으면,다른 작물에서 나오는 수입으로 보완할 수 있다. 

•가축이 농업생태계에 통합되면, 이로운 상호작용을 위한 여러 기회가 발생한다. 예를 들어, 방목은 더 나은 양분 순환을 가능하게 하고, 여러해살이 목초 식물이 제공한 미소지를 점유하는 이로운 절지동물의 수를 증가시키며, 비작물 종들의 우점을 바꾼다. 이것과 기타 상호작용은 19장에서 더 상세히 논의된다.  

•다양한 작물의 집합은 전체 체계에서 중요하게 여겨지지만 매우 균일하고 단순화된 체계에서는 매력적으로 느껴지지 않을, 다양한 비작물 유기체 -이로운 포식자, 기생자 및 길항제를 포함하여- 에 의해 점유될 수 있는 작부체계 안에 미기후의 다양성을 창출할 수 있다. 

•농업 경관의 다양성은 주변의 자연 생태계에 생물다양성을 보존하는 일에 기여할 수 있는데, 이 문제는 21장에서 논의될 것이다.

•다양성 -특히 체계의 땅속 부분- 은 양분 순환, 지역의 수문 과정에 대한 통제, 유해한 화학물질의 해독 같은 농장의 안팎에 모두 영향을 미치는 다양한 생태적 서비스를 수행한다. 

다양성에 대한 우리의 이해가 비작물 식물(흔히 잡초라 불리지만 생태학적 또는 인간에게 가치가 있을 수 있음),동물(특히 해충의 천적과 인간에게 유용한 동물), 미생물(박테리아, 원생생물, 균류의 지하 다양성은 여러 농업생태계 과정을 유지하는 데 필수임) 등을 포함하며 작물 종 너머로 확장되면, 우린 더 큰 다양성으로 촉진되는 다양한 생태학적 과정을 보기 시작한다. 

농업의 체계에서 다양성을 증가시키는 방법

앞서 논의된 다양성의 혜택을 농업 경관에 추가할 수 있는 다양한 선택지와 대안이 있다. 이들 대안은 (1)기존 작부체계에 새로운 종을 추가하는 것, (2)이미 존재하는 종들을 재편성하거나 구조를 조정하는 것, (3)다양성을 향상시키는 농법이나 투입재를 추가하는 것, (4)다양성을 감소시키거나 다양성을 제한하는 투입재나 농법을 제거하는 것이 포함될 수 있다. 

사이짓기

농업생태계의 알파 다양성을 증진하는 기본적이고 직접적인 방법은 두 가지 이상의 작물을 혼합하여, 서로 다른 작물의 개체들 사이의 상호작용을 하게 만드는 것이다. 사이짓기는 "시간과 공간의 차원에서 작부의 증대와 다양화"로 정의되는 다수의 작부가 일반적 형태이다(Francis 1986). 사이짓기는 똑같은 농사철에 여러 작물을 순차적으로 심어 시간적 다양성을 추가할 수 있고, 하나 이상의 작물이 존재하여 수평적, 수직적, 구조적, 기능적 다양성을 추가한다. 특히 열대의 농촌이나 개발도상국의 전통적 농사 체계에서 가장 발달된 사이짓기 또는 섞어짓기 체계는 2-3가지 작물의 비교적 단순한 혼합부터 혼농임업이나 텃밭 농업생태계에서 발견되는 매우 복잡한 작물의 혼합에 이르기까지 다양한다(18장에서 더 자세히 논의됨)(그림17.4).

그림17.4 다수의 작부에 대한 두 가지 사례. (a) 당근, 비트, 양파는 독일 비첸하우젠에서 재배되었고, (b) 한해살이와 여러해살이 작물은 이탈리아 리바델가르다에서 다양한 텃밭을 형성하기 위해 결합되었다.

띠 모양 작부

다수의 작부 가운데 또 다른 형태는 인접한 두둑에 서로 다른 작물을 심어, 홑짓기의 섞어짓기라고 부를 수 있는 걸 만드는 일이다. 알파 다양성 대신 베타 다양성을 증진하는 이 농법은 다수의 작부에 여러 다양성의 혜택을 제공할 수 있다. 일부 작물과 작물의 혼합의 경우, 다수의 작부보다 관리와 수확 문제가 더 적기 때문에 다양성을 증대시키는 더 실용적 방법이다. 

생울타리와 완충용 식생

농지의 둘레 주변에 심은 나무나 떨기나무, 또는 그곳에 남아 있는 반은 자역적인 식생의 구역이나 두둑은 여러 유용한 기능을 가질 수 있다. 실용적 측면에서, 그것들은 바람으로부터 보호하고, 동물을 차단하고(또는 에워싸고), 나무의 산물(땔감, 건축 자재, 과일 등)을 생산할 수 있다. 생태학적으로 생울타리와 완충용 두둑은 농장의 베타 다양성을 증가시키고, 이로운 유기체를 유인하여 이용하고 그들에게 서식지를 제공할 수 있다. 특히 농지와 인접한 자연 생태계 사이에 더 넓은 두둑으로 심으면, 한 체계가 다른 체계에 미칠 수 있는 잠재적 충격을 완화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 그 지방의 전반적인 생물다양성을 증가시킬 수 있는 완충 구역을 형성한다(그림17.5). 

그림17.5 멕시코 틀락스칼라 Tepeyanco에 있는 텃밭 주변의 다목적 생울타리. 선이장은 동물에게 장벽을 형성하고, 차요테 호박과 살구나무는 먹을거리를 제공한다. 

덮개작물

덮개작물은 토양의 덮개를 제공하고자 보통 작부 주기의 중간에 농지에 심는 비작물 종이다. 덮개작물은 한해살이부터 여러해살이까지 다양하고, 목초와 콩과식물이 주로 사용되지만 여러 종류의 분류군이 포함된다. 하나 이상의 덮개작물 종을 심음으로써 체계의 다양성을 높이는 일은 여러 가지 중요한 혜택이 있다. 덮개작물 재배는 토양 유기물을 향상시키고, 토양의 생물학적 활성과 토양 생물상의 다양성을 촉진하며, 이전 작물에 남겨진 양분을 토양에 끌어모으고, 토양침식을 감소시키고, 생물학적으로 고정된 질소를 공급하며(덮개작물의 종 가운데 하나가 콩과식물이라면), 작물 해충의 천적에게 대안이 되는 숙주를 제공한다. 과수원 같은 일부 체게에서 덮개작물은 잡초의 발달을 억제하는 추가적인 목적을 수행할 수 있다(Sullivan 2003). 

돌려짓기

돌려짓기로 작물을 재배하는 일은 시간의 차원에서 체계의 다양성을 증진시키는 중요한 방법이다. 돌려짓기는 보통 여러 작물을 연속적인, 또는 반복적인 순서로 심는 걸 포함한다. 돌려짓는 작물들 사이의 토양에 미치는 생태학적 영향의 차이가 클수록 이 방법의 혜택이 더 커진다. 작물을 교대하는 일은 회전 효과라 알려진 것을 만들어,끊임없이 홑짓기로 재배할 때보다 다른 작물 이후에 재배되는 작물이 더 잘된다. 다른 식물 종의 잔여물을 토양에 추가함으로써, 돌려짓기는 토양 미생물의 생물학적 다양성을 유지하는 데 도움을 준다. 각각의 잔여물 유형은화학적, 생물학적으로 다양하여, 서로 다른 토양 유기체를 자극 및/또는 억제한다. 어떤 경우에, 한 작물에서 나온 잔여물이 다음 작물의 해충이나 질병에 대한 길항제가 되는 유기체의 활동을 촉진할 수 있다. 또한 돌려짓기는 토양비옥도와 토양의 물리적 특성을 개선하고, 토양침식을 줄이며, 더 많은 유기물을 추가하는 경향이 있다. 미국 중서부에서 대두/옥수수/콩과식물-건초 돌려짓기의 잘 알려진 이점은 부분적으로는 더 큰 시간적 다양성이 양분과 질병 관리를 돕는 방식에 근거한다. 다양성의 차원에서 돌려짓기의 영향에 대한 연구는 이러한 중요한 농법의 유효성을 개선할 수 있다. 

휴한

돌려짓기 농법의 변형은 작부의 순서에 토지를 단순히 경작하지 않거나 휴한하는 기간을 두는 것이다. 휴한기를 도입해 체계의 여러 부분, 특히 토양에서 2차 천이와 다양성의 회복을 포함하는 과정인 토양의 "휴식"을 허용한다. 10장에서 논의된 화전 농법은 아마 가장 잘 알려진 휴한 체계일 것이다. 오랜 휴식 기간은 토종 식물과 동물의 다양성이 다시 도입되고 토양비옥도가 회복되도록 한다. 어떤 체계에서, 휴한 원리는 농경지부터 2차 성장 토종 식생에 이르기까지 여러 천이 단계에서 농지의 모자이크를 생성한다. 건지 농법의 지방에서, 휴한은 강우가 토양 수분 저장고를 재충전하는 동시에, 경작하지 않는 동안 토양 생태계의 다양성을 회복할 수 있게 촉진하도록 한 해씩 걸러 일어날 수 있다. 휴한을 활용하는 또 다른 변형은 보호하는 일 외에 생선성을 높이는 것이다. 화전-휴한 혼농임업에서 특정 작물은 휴한기가 시작하기 직전이나, 의도적으로 재확립되도록 도입되어서 휴경기 동안 수확물을 얻을 수 있게 한다(Denevan and Padoch 1987). 휴한기가 작부 주기로 통합되는 곳이라면, 다양성이 회복되는 과정을 허용하도록 작물이 부재하는 것만이 아니라 인간이 야기하는 교란이 없다는 것이다.  

감소된 또는 최소한의 경운

농업생태계에서 교란은 천이의 개발과 다양성을 제한하는 주요한 역할을 하기에, 교란을 최소화하는 농법은 다양성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다. 토양 경운의 강도를 줄이고 토양 표면에 잔여물을 남기는 것은 체계의 교란을 감소시키는 결과를 가져오는 주요한 방법이다. 경운의 빈도와 강도를 모두 줄임으로써 얻게 되는 여러 이점은 8장에서 논의되었다. 관행적 경운과 비교하여 무경운 농법은 지렁이의 풍부함과 활성의 증가, 토양 생물상의 다양화, 토양의 구조와 보비력, 내부의 양분 순환, 유기물 함량 등의 개선을 수반한다고 밝혀졌다(Coleman et al. 2009). 작부체계의 지상 다양성이 낮게 유지되더라도, 토양의 분해자 하부조직의 종 다양성은 토양 교란의 감소와 함께 증가한다. 지상의 식물 다양성을 높이는 일만으로도 이 하부조직을 향상시킬 수 있다.  

높은 유기물 투입재

높은 수준의 유기물은 감소된 경운 체계에 대해 앞서 언급한 구조적, 기능적 다양성과 똑같은 유형의 자극을 수반하여, 땅속 하부조직의 종 다양화를 활발하게 만들기 위해 중요하다. 오랫동안 유기농업의 핵심 구성요소로 여겨졌던 높은 유기물 투입재는 8장에서 검토했던 여러 혜택을 가지고 있다. 토양의 유기물 함량은 퇴비를 적용하고, 작물 잔여물을 토양으로 통합시키고, 덮개작물을 재배하고, 작물을 다양화하며, 기타 다양성 향상 농법을 사용하여 증가시킬 수 있다. 

화학적 투입재 사용의 감소

여러 농업용 농약이 작부체계에서 많은 비표적 유기체를 해치거나 죽이고, 아니면 여러 기타 유기체의 풍부함과 다양성을 제한할 수 있는 잔류물을 남긴다는 사실은 오래전부터 알려져 왔다. 따라서 농약의 사용을 제거하거나 줄이면 농업생태계를 다시 다양화하는 일에 대한 주요한 장애물이 제거된다. 이러한 재다양화에 수반되는 다시 대량 서식하는 과정은 이 장의 뒷부분에서 논의한다. 그러나 농약에 의존하게 된 체계에서 농약을 제거하는 일은어려운 과제임을 인정해야 한다. 첫 번째 반응은 해충 개체군의 극적인 증가일 수 있다. 오직 시간과 다양성의 재확립만이 해충을 억제하기 위한 내부의 메커니즘을 발달시킬 수 있다. 

가축의 통합

농업 경관으로 다시 동물을 통합시키면 농업생태계의 전반적인 생물다양성이 증가한다. 게다가 방목, 작물 잔여물의 소비, 분뇨 퇴적 같은 동물의 활동은 구조적 다양성, 종의 우점, 체계의 기능이란 측면을 변경할 수 있다. 농장 사업 자체의 다양화에서 추가적 혜택이 발생한다. 가축 통합은 19장에서 더 상세히 논의된다. 

다양화의 관리

균일한, 대규모 단작의 농업생태계에서 이로운 과정과 상호작용을 지원하는 더 다양한 체계로 이동하는 일은 다단식 과정이다. 처음에는 농업 경관에 다양성을 도입하는 앞서 기술한 모든 방법이 농업 활동의 부정적 충격을 완화시키는 데 도움이 된다. 그런 다음 직간접적으로 영향을 주는 더 많은 종을 도입하면 통합된 농업생태계의 구조와 기능을 위한 기회가 확장되어, 내장된 완충제와 체계의 역학이 체계의 가변적인 반응을 약화시킨다. 마지막으로, 다양화된 경관에서 간섭의 종류와 형태는 경쟁적 배제부터 공생적 상리공생에 이르기까지 더 많은 유형의 상호작용을 가능하게 만든다(표17.3).

표17.3 농업생태계에서 생태학적 다양성을 증진시키는 방법

● 직접 또는 주요 효과 / ○ 간접, 2차적, 또는 잠재적 효과 / 빈칸은 거의 또는 전혀 효과 없음.

농장 수준에서 다양성을 관리하는 일은 큰 도전이다. 관행농의 관리와 비교하면 작업량이 더 많고, 위험이 크며, 불확실성이 높아질 수 있다. 또한 더 많은 지식이 필요하다. 그러나 궁극적으로, 농업생태계에서 다양성이 어떻게 작동하는지에 대한 생태학적 기반을 이해하고, 그것을 제거하기보다는 오히려 복잡성을 활용하는 것이 지속가능성으로 이어지는 유일한 전략이다. 

농업생태계의 다양성과 그 혜택을 평가하기

다양성을 가장 효과적으로 관리하기 위하여 우리는 다양성을 측정하고 다양성의 증가가 실제로 농업생태계의 성과와 기능에 어떻게 영향을 미치는지 평가할 수단이 필요하다. 우린 다양성의 존재와 그 분포의 패턴을 경관에서인식할 수 있어야 하고, 그러한 다양성의 존재가 농업생태계의 성과에, 특히 농민의 관점에서 어느 정도까지 혜택이 되는지 알아야 한다. 다양성의 존재와 영향을 분석하고 연구하기 위해 취할 수 있는 몇 가지 접근법이 있다. 

종 다양성의 지표

어떤 종류의 사이짓기라도 홑짓기보다는 더 다양하다는 것이 명백하다. 그러나 -종의 숫자와 파종 비율이 모두 다른- 두 가지 서로 다른 사이짓기 체계의 다양성을 비교하려면 각각의 다양성을 측정해야 한다. 그렇게 하고자 우린 자연 생태계를 살피려 생태학자들이 개발한 도구와 개념을 빌릴 수 있다. 

생태학자는 생태계나 군집의 다양성이 종의 숫자 그 이상의 것에 의해 결정된다는 것을 알고 있다. 50개의 미국 삼나무, 50개의 탄오크, 50개의 개솔송나무로 구성된 군집은 130개의 미국 삼나무, 10개의 탄오크, 10개의 개솔송나무로 구성된 군집보다 더 다양하다. 둘 다 종의 숫자와 전체 개체수가 똑같지만, 첫 번째 군집에서 개체들은 미국 삼나무가 우점한 두 번째 군집에서보다 더 고르게 분포되어 있다. 

이 사례는 종 다양성에 두 가지 구성요소가 있음을 보여준다. 종 풍부도라 부르는 종의 숫자와 종 균등도라 부르는 서로 다른 종들이 체계의 안에서 각 개체가 얼마나 균등하게 분포하는지가 그것이다. 자연 생태계와 농업생태계 모두에서 다양성을 포괄적으로 측정하려면 두 구성요소를 모두 고려해야 한다. 

이들 개념이 농업생태계의 다양성을 분석하는 데 어떻게 적용될 수 있는지는 표17.4에 나와 있다. 이 표에서는 각각 똑같은 수의 개별 작물을 가진 네 가지 서로 다른 가설적인 체계가 비교된다. 이들 체계 중에서 세 가지 작물의 섞어짓기가 다른 체계와 관련하여 종 풍부도와 종 균등도 모두 높은 유일한 체계이기에 가장 다양하다. 

표17.4 네 가지 가설적인 농업생태계의 다양성 측정

체계의 종 다양성을 측정하기 위한 기준으로서 각 종들의 개체수를 사용하는 대신, 바이오매스나 생산성 같은 종의 어떠한 다른 특성을 활용할 수 있다. 예를 들어 이는 한 종의 전형적인 개체의 바이오매스가 다른 종의 개체의바이오매스와 매우 다를 때 더 적절할 수 있다. 개체수, 바이오매스, 생산성은 모두 특정 종에 대한 중요치의 예이다. 

생태학은 체계의 종 다양성을 정량화하는 다양한 방법을 제공한다. 가장 간단한 방식은 종 균등도를 무시하고, 개체수의 측면에서 종의 숫자를 측정하는 것이다. 그러한 측정은 마르갈레프Margalef의 다양성 지수에 의해 제공된다. 

다양성 = s - 1 / ㏒N          

여기에서 s는 종의 수, N은 개체수

마르갈레프 지수의 유용성은 표17.4의 고르고 고르지 않은 세 가지 작물의 섞어짓기처럼 똑같은 s와 N을 갖는 여러 가지 체계의 다양성을 구분할 수 없기 때문에 제한적이다.  

종 균등도를 고려한 두 가지 다른 다양성 지수가 있고, 더 유용하다. 샤논Shannon 지수는 특정 종의 개체를 무작위로 선발할 때 더 큰 다양성이 더 큰 불확실성과 일치한다는 발상에 기반한 정보 이론의 적용이다. 이는 다음의 공식으로 나타낸다. 

ni는 i번째 종에 속하는 체계(또는 표본)의 개체수이다.

심슨Simpson의 다양성 지수는 똑같은 이름을 가진 군집 우점의 지수와는 반대이다. 그 구성요소인 종의 어느 것도다른 종보다 더 우점하지 않는다고 간주될 때 체계가 가장 다양하다는 원리에 근거한다. 이는 다음의 공식으로 나타낸다. 

심슨 지수의 경우, 최소값은 1이다. 샤논 지수에서는 0이다. 두 최소값은 홑짓기에 존재하는 조건인 다양성의 부재를 가리킨다. 이론적으로, 각 지수의 최대값은 종의 숫자와 그들이 생태계에 얼마나 고르게 분포되어 있는지에의해서만 제한된다. 상대적으로 다양한 자연 생태계는 심슨 지수가 5 이상, 샤논 지수는 3-4이다. 

표17.4의 가설적인 체계에 대한 마르갈레프, 심슨, 샤논 지수 값의 계산은 표17.5에 나와 있다. 샤논과 심슨 값 모두는 두 가지 작물의 고른 섞어짓기가 세 가지 작물의 고르지 않은 섞어짓기보다 더 다양하다는 걸 보여주어, 농업생태계 다양성에서 종 균등도가 중요하다는 걸 강조하고 있다. 

표17.5 표17.4에 있는 네 가지 가설적인 농업생태계의 다양성 지수 값

샤논과 심슨 지수가 기반을 하고 있는 이론과 그걸 적용할 수 있는 방법을 포함하여 두 지수에 대한 더 자세한 설명은 읽을거리 항목에서 언급하는 생태학 문헌에서 찾아볼 수 있다. 

사이짓기 다양성의 혜택을 평가하기

농장에서 작부체계의 다양성이 커지면서 얻는 가치를 측정하는 방법은 농민이 다양한 작부 방식의 장점이나 단점을 평가할 수 있도록 도움을 주는 데 매우 유용하다. 앞서 설명한 다양성 지수는 다양성을 정량화할 수 있지만, 그 다양성이 어떻게 성과로 변환되는지, 또는 개선된 성과의 생태학적 기초가 무엇인지는 알려주지 않는다. 두 가지 이상의 작물 종들이 서로 충분히 근접해 있는 작부체계에서, 개선된 수확량, 양분 순환 등등의 명확한 혜택을 제공할 수 있는 종들 사이의 다양한 종류의 간섭이 가능하다(11장과 16장에서 설명함).

연구자들이 사이짓기가 홑짓기에 비해 상당한 수확량 이점을 제공할 수 있다는 많은 증거를 축적했다는 사실에도불구하고, 사이짓기에도 단점이 있을 수 있다는 걸 기억하는 게 중요하다. 사이짓기의 관리에 실질적 어려움이 있을 수 있고, 부정적 간섭의 영향 때문에 수확량의 감소가 발생할 수 있다. 그러한 사례는 사이짓기에 대한 논쟁으로 이용되어서는 안 되며, 오히려 그러한 문제를 피하기 위하여 초점을 맞추어야 할 연구를 결정하는 수단으로사용해야 한다. 

토지 동등비

사이짓기 체계의 연구와 평가를 위한 중요한 도구는 토지 동등비(LER)이다. 토지 동등비는 모든 조건이 똑같다면 분리된 홑짓기의 집합으로 동일한 작물을 재배하는 것과 비교하여 두 가지 이상의 작물을 사이짓기로 재배하여 얻은 수확량의 이점에 대한 측정을 제공한다. 따라서 토지 동등비는 다양성의 패턴에 대한 설명을 넘어 사이짓기의 장점을 분석할 수 있게 해준다. 

토지 동등비는 다음의 공식을 이용해 계산된다. 

여기에서 Yp는 사이짓기 또는 섞어짓기에서 각 작물의 수확량, Ym은 단일 작물 또는 홑짓기에서 각 작물의 수확량이다. 

각각의 작물(i)에 대하여 해당 작물의 부분적 토지 동등비를 결정하기 위해 비율이 계산된 다음, 부분적 토지 동등비가 합산되어 사이짓기의 전체 토지 동등비를 제공한다.

토지 동등비 계산 방법의 사례가 표17.6에 나와 있다. 1.0이란 토지 동등비의 값은 손익 분기점으로, 사이짓기와 홑짓기의 집합 사이에 수확량 차이가 없음을 나타낸다. 1보다 큰 값은 초과수확이라 부르는 결과로, 사이짓기의 수확량 이점을 가리킨다. 초과수확의 범위는 토지 동등비의 값에 의해 직접적으로 주어진다. 예를 들어 1.2의토지 동등비는 홑짓기로 심은 면적이 두 작물을 사이짓기로 심은 면적과 똑같은 수확량의 합을 생산하려면 20% 더 커야 한다는 걸 나타낸다. 2.0의 토지 동등비는 홑짓기에 필요한 토지가 2배임을 의미한다. 

표17.6 토지  동등비 계산을 위한 대표 자료 

토지 동등비의 적용과 해석

부분 및 전체 토지 동등비 값은 실제 작물의 수확량이 아니라 비율이기 때문에, 다양한 작물의 혼합을 비교하는 데 유용하다. 어떤 의미에서, 토지 동등비는 작부체계에서 발생하는 사이짓기 간섭의 수준을 측정한다. 

이론적으로 혼합에서 각각의 작물에 대한 농생태학적 특성이 정확하게 똑같다면, 그것들을 함께 심으면 각각의 작물 구성원이 전체 수확량에 동등한 비율로 기여하여 그것들을 따로 심는 것과 똑같은 전체 수확량으로 이어져야 한다. 예를 들어, 두 가지 유사한 작물을 함께 심는다면 전체 토지 동등비는 1.0이고 부분적 토지 동등비는 각각 0.5이어야 한다. 그러나 여러 혼합에서 우리는 1.0보다 큰 전체 토지 동등비를 얻고, 각각의 작물이 농생태학적으로 다른 작물과 똑같을 경우 이론적으로 얻을 수 있는 것보다 비례적으로 더 큰 부분적 토지 동등비를 얻었다. 10.보다 더 높은 전체 토지 동등비는 혼합의 작물 구성요소들 사이에 긍정적 간섭이 존재함을 나타내고, 또한 혼합에 존재하는 모든 부정적인 이종간의 간섭이 홑짓기에 존재하는 종내의 간섭만큼 강력하지 않다는 것을 의미할 수도 있다. 아마 혼합에서 경쟁의 회피나 자원의 분할이 일어날 수 있다.  

전체 토지 동등비가 1.5보다 크거나, 혼합의 적어도 한 구성원의 부분적 토지 동등비가 1.0보다 클 때, 사이짓기의 상호작용에서 부정적인 간섭이 아주 적고 긍정적인 간섭으로 작물 혼합의 구성원 가운데 적어도 하나가 홑짓기에서 심어진 것보다 더 잘 될 수 있다는 강력한 증거이다. 

16장에서 논의된 -전체 토지 동등비가 1.97인- 전통적인 옥수수-강낭콩-호박은 이러한 상황에 대한 좋은 사례를 제공한다(표16.3 참조). 그 체계의 옥수수 구성요소는 부분적 토지 동등비가 1.50인 것으로 나타났는데, 이는 실제로 단독으로 심었을 때보다 혼합에서 더 잘 생산되었음을 의미한다. 이러한 결과를 불러온 긍정적 간섭은강낭콩의 뿌리에 있는 리조븀 박테리아에 의한 생물학적 고정을 통해 N 가용성이 향상된 점, 옥수수와 강낭콩 사이의 상리공생적 균근 연결을 통하여 이 N의 일부가 전달되었을 가능성, 그리고 이로운 곤충의 존재를 향상시키고 해충을 감소시킨 호박에 의한 서식지 변경 등이 결합된 것이다(이전 장에서 설명됨). 강낭콩과 호박의 경우 부분적 토지 동등비가 매우 낮았지만(각각 0.15와 0.32), 그들의 존재는 명백히 옥수수의 수확량 증대에 중요했다. 

전체 토지 동등비가 1.0 미만이면, 특히 혼합의 구성요소인 부분들의 토지 동등비가 모두 유사한 방식으로 낮아진 경우라면 부정적 간섭이 발생했을 가능성이 있다. 이러한 경우에 사이짓기는 홑짓기와 비교하여 수확량의 단점을 제공한다. 

토지 동등비와 부분적 토지 동등비를 분석한 때, 무엇이 이점을 구성하고 이점의 크기가 얼마인지에 관하여 혼란이 발생할 수 있다. 혼란을 피하려면 상황에 따라 사이짓기의 이점을 평가하는 데 필요한 여러 기준이 필요하다고 인식해야 한다. 적어도 세 가지 기본 상황이 있다(Willey 1981). 

1. 사이짓기 수확량을 결합한 것이 더 많은 수확량을 올리는 단일 작물의 수확량을 초과해야 하는 경우. 이 상황은 목초 사료의 혼합 같은 매우 비슷한 작물의 혼합이나, 다계의 밀 작물 같은 작물 내부의 유전자형 혼합을 평가할 때 있을 수 있다. 그러한 경우 부분적 토지 동등비는 전체 토지 동등비가 1보다 크기만 하면 이점을 결정하는 데 중요하지 않다. 그것이 작부체계의 어느 부분에서 유래되었는지에 관계없이 농민의 요구는 대개 최대 수확량을 바랄 것이기 때문이다. 양적인 이점은 가장 많은 수확량을 올리는 단일 작물의 수확량과 비교할 때, 사이짓기의 수확량을 결합한 것이 증가하고 전체 토지 동등비가 1.0을 초과하는 범위이다. 

2. 사이짓기는 "주"작물의 완전한 수확량과 부차적 작물의 추가 수확량을 더한 것을 제공해야 하는 경우. 이러한 상황은 주요한 요구가 필수적인 식량작물이거나 특히 귀중한 환금작물일 경우에 발생한다. 사이짓기에 이점이 있으려면, 전체 토지 동등비가 1.0을 초과해야 하고 주작물의 부분적 토지 동등비는 1.0에 가깝거나 더 높아야 한다. 핵심 작물에 중점을 두고, 관련된 식물이 어떠한 긍정적 사이짓기 간섭을 제공해야 한다. 앞서 언급된 옥수수-강낭콩-호박 사이짓기가 이러한 상황의 좋은 사례이다. 농민이 옥수수 수확량에 주로 관심을 갖기 때문이다. 강낭콩과 호박에서 일부 추가적 수확량을 얻는다면, 그것들의 부분적 토지 동등비가 매우 낮더라도 옥수수로 얻는 수확량의 이점을 넘어 추가되는 보너스로 간주된다. 양적인 이점은 홑짓기에서 그 성과를 넘어 주작물이 자극되는 범위이다. 

3. 사이짓기 수확량을 결합한 것이 단일 작물의 수확량을 결합한 것을 초과해야 하는 경우. 이러한 상황은 구성요소인 작물 두 가지(또는 모두)를, 특히 제한된 토지에 심어서 재배해야 할 때 발생한다. 사이짓기가 이점이 있으려면, 전체 토지 동등비가 1.0보다 커야 하지만, 혼합의 모든 구성원이 그 과정에서 자신의 부분적 토지 동등비에서 큰 감소를 겪을 수 없다. 부정적 간섭은 그러한 혼합이 이로워지도록 작용할 수 없다. 이런 상황은 토지 동등비 값의 사용에 문제를 일으킬 수 있다. 왜냐하면 단일 작물의 비율이 전체 토지 동등비 값에 기반한다는 것이 언제나 명백한 건 아니기 때문이다. 사이짓기 상황에서 간섭은 왜곡된 부분적 토지 동등비로 이어지는 홑짓기의 비율과는 매우 다른 수확량 값을 생산할 수 있기 때문에, 파종 비율로만 비교할 수 없다. 

이러한 여러 상황을 인지하는 일은 두 가지 이유에서 중요하다. 첫째, 주어진 결합에 대한 연구가 농법에 근거를 두도록 보장하는 데에 도움이 된다. 둘째, 수확량의 이점이 고려되고 있는 상황에 적절한 근거가 확실하고 양적인 측면에서 평가되도록 보장한다. 결국, 최고로 기능을 하는 사이짓기 양식은 농민과 연구자 모두의 기준을 충족시키는 것이다. 특정한 여러 작물을 비교할 수 있는 더 많은 기준을 두려면, 수확량 이외의 수치를 토지 동등비를 계산하는 데 사용할 수 있다(Andersen et al. 2004). 이런 측정에는 단백질 함량, 전체 바이오매스, 에너지 함량, 소화할 수 있는 양분 함량, 또는 금전적 가치 등이 포함된다. 그러한 계산이 작물이 농업생태계에 기여할 수 있는다양한 기여도를 평가하기 위한 유사한 지표를 사용할 수 있게 한다. 예를 들어, 동물 사료의 생산을 위한 콩과식물/목초 혼합의 경우 두 가지의 50:50 사이짓기가 2년에 걸쳐 평균 1.36의 건조물질 사료 토지 동등비를, 그리고 같은 기간 동안 1.52의 사료 품질에 대한 토지 동등비 조단백질 추정치를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이런 결과는 혼합에서 더 많은 바이오매스가 생산되었을 뿐만 아니라, 품질 또한 증진되었음을 나타낸다(Seyedeh et al. 2010).