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전통농업의 효율성

효율적이지 않은 미국의 바이오에탄올 생산

복잡한 농업경제도 에너지 측면에서 보면 생각보다 깔끔하게 정리할 수 있다. 온난화 대책에 효과가 있다고 하는 바이오에탄올을 예로 보자.

미국의 농지에서는 3000평에서 약 6톤의 옥수수를 수확하고, 이를 가공하여 처리하면 1240ℓ의 에탄올을 얻는다. 하지만 원료인 옥수수를 심어 재배·수확하는 데에는 3000평에 약 1325ℓ의 화석연료가 들어간다. 옥수수를 부수고 가공·처리하는 데에도 에너지가 든다. 92%의 물과 8%의 에탄올을 분리하는 데에는 최대 3단계의 증류 과정이 필요하고, 가솔린과 혼합하고자 99.8%의 순수한 에탄올을 제조하는 데에도 더욱 많은 처리나 에너지가 필요하다.

“결국 에탄올을 제조하는 데에는 실제로 에탄올에 포함된 것보다도 약 70%나 더 많은 에너지가 필요합니다. 왜 에탄올을 제조하면서 에탄올이 아니라 화석연료가 쓰이고 있는지를 알 수 있습니다.”

코넬대학 농업생명과학부의 데이비드 피멘텔David Pimentel은 말한다. 에탄올을 제조하고자 미국은 대기업에게 연간 약 10억 달러의 보조금을 주는데, 그것만 부담하는 것이 아니다. 에탄올 생산의 경제 분석에서는 환경에 악영향을 끼는 점도 간과하기 일쑤다. 

“미국에서 옥수수를 재배하는 곳에서는 잘 관리된 농지라도 12배나 빠르게 토양침식이 진행되고, 관개용 지하수도 자연히 함양되는 양보다 25%나 빠르게 퍼 올리고 있습니다. 옥수수를 재배하는 환경은 급속하게 나빠지고 있습니다.”

게다가 미국에서는 옥수수의 약 70%가 가축이나 가금류의 사료가 되고 있기에, 옥수수가 에탄올 제조에 쓰인다면 옥수수 값이 오르고, 그에 따라서 고기·우유·달걀의 값도 오른다.

“에탄올 제조용 보조금을 위해 세금을 내는 것에 더해, 소비자는 시장에서도 꽤 비싼 식품비를 지불하게 됩니다.”

미국인들의 자동차는 평균 연간 1,6000km나 달린다. 가솔린과 섞지 않고, 순수하게 옥수수로 만든 에탄올만으로 달리게 하는 데에는 약 3220ℓ의 연료가 필요하다. 여기에는 7명의 미국인을 먹일 수 있는 4.4ha(13200평)의 농지가 요구된다. 미국에 있는 자동차 모두를 100% 에탄올 연료로 움직이는 데에는 미국 땅의 97%에 원료가 되는 옥수수를 재배해야 한다. “결국 옥수수는 에탄올 생산을 위해 재생가능한 원료라고 생각할 수 없습니다.”

마르크스주의가 놓친 절호의 기회

‘추출하기 위한 에너지’가 ‘얻을 수 있는 에너지’보다 커져 버렸고, 자원의 가치가 없어지는 것. 이를 EROI(Energy Return on Investment)라고 부른다. 그리고 농업의 생산성을 에너지 측면에서 분석한 시초는 피멘텔 교수의 1973년 논문인 “식량 생산과 에너지 위기(Food Production and the Energy Crisis)”일 것이다.

그럼 농업 생산을 에너지 측면에서 처음으로 분석하려고 시도한 사람은 누구일까? 세르게이 포돌린스키Sergei Podolinsky(1850~1891)라는 우크라이나 출신의 의사가 그다. 당시 포돌린스키는 프랑스의 몽펠리에에서 살고 있었기에, 프랑스의 농업 통계를 가지고 삼림·자연 목초지·인공 목초지·밀밭의 생산성을 비교했다. 포돌린스키는 사료나 짚의 에너지를 3750㎉/㎏, 밀을 2550㎉/㎏이라 하고, 노동력도 말 645㎉/時, 인간 65㎉/時라고 ㎉로 환산하여 1880년 에너지의 입력/출력비를 계산했다. 그리고 그 결과에서는 인력이나 축력이 농업에 투하되는 만큼 면적당 수확량도 늘어나고 있다. 이를 통해 포돌린스키는 노동력에 따라서 ‘지구의 에너지 축적량’이 늘어날 수도 있을지 모르겠다고 생각했다.

이 논문은 잘못되었다. 포돌린스키는 탈곡에서 소비하는 증기기관의 에너지를 고려하지 않았다. 구아노에 대해서도 언급하고, 볼리비아·페루 동맹군과 칠레 사이에서 벌어진 초석 전쟁(1879~1884)도 의식하고 있었지만 비료를 에너지로 환산하지는 않았다. 그럼에도 불구하고 포돌린스키는 그 뒤에 확립된 농업 에너지 수지와 기본적으로 같은 방법론을 이미 이용하고 있었다.

그럼 포돌린스키는 왜 농업 생산을 에너지란 측면에서 분석하려고 한 것일까? 그것은 포돌린스키가 열역학의 관점에서 경제 법칙을 밝히려고 최초로 시도한 ‘사회주의자’였기 때문이다. 이듬해 1881년에 발표한 기사에서 포돌린스키는 노동가치설을 자연과 에너지, 그리고 경제의 순환과 통합하려고 했다. 노동가치설(labour theory of value)이란 인간의 노동이 가치를 만들고, 노동이 상품의 가치를 결정한다는 이론이다. 하지만 한쪽에서 열역학도 발표했다. 프랑스의 니콜라스 레오나르도 사디 카르노Nicolas Leonard Sadi Carnot(1796~1832)가 열이 고온에서 저온으로 이동할 때 일이 발생한다는 점에 주목한 것은 1824년이었고, 이 이론을 발전시킨 폴란드 출신의 물리학자 루돌프 클라우시스(1822~1888)는 1850년에 열역학 제1법칙, 1865년에는 열역학 제2법칙을 정식화하고, 엔트로피란 개념도 확립했다. 포돌린스키는 자신이 카르노나 클라우시스의 뒤를 좇고 있는 것을 예민하게 자각하고 있었다.

포돌린스키는 태양에너지의 흐름과 석탄 형태로 저장된 에너지를 쓰는 것의 차이에서도 언급했는데, 노동이 중요한 것은 땅속에 축적된 기존 에너지를 전환하는 데 있는 것이 아니라 태양에너지의 축적량을 늘리는 데 있다고 했다.

“탄광 노동자들의 에너지 생산성은 농민들의 그것보다는 많다. 하지만 석탄의 에너지는 일시적이다. 석탄으로 만든 일은 열에너지의 형태로 반드시 우주로 날아가 버린다.”

그렇게 포돌린스키는 쓰고 있다. 그리고 이런 결론을 내렸다.

“과학적 사회주의는 모든 천연자원의 부족을 극복해 무제한적인 물질적 확대를 가능하게 한다고 상정하고 있다. 그래서 사회주의 모델은 실패하고 있다.”

포돌린스키는 경제 성장을 발목 잡는 것은 생산 관계가 아니라, 물리학과 생태학 법칙의 한계에 있다고 결론을 내렸다. 열역학 법칙을 조건으로 더욱 큰 체계에 묻혀 있는 하위체계인 경제를 고려한 것이다. 그리고 그 결론을 엥겔스에게 전했다.

하지만 포돌린스키에 대한 프리드리히 엥겔스의 반응은 차가웠다.

“해머, 나사 또는 바늘의 에너지 가치를 생산비로 계산하는 것은 불가능하다. 경제 관계를 물리적으로 표현하는 것은 도저히 불가능하다.”

엥겔스는 포돌린스키의 시도를 마르크스와도 논의했는데, 마르크스도 열역학 제2법칙에는 비판적이라 침묵했다. 이리하여 가장 빨리 농업을 에너지 측면에서 분석한 사람이 사회주의자였음에도 불구하고 마르크스주의는 생태학적 사회주의를 구축하는 절호의 기회를 놓치고 말았다.

전통농업의 에너지 효율

1940년대 이후 생태계의 에너지 흐름을 연구하기 시작한 것은 생태학자들이었다. 이 일은 피멘텔에게도 전승되었다. 한편에서 인류학자들도 전통농업의 에너지에 주목한다. 예를 들면, 로이 라파포트Roy Rappaport의 연구(Pigs for the Ancestors, 1967)는 뉴기니의 에너지 생산성을 밝혔다. 그러면 피멘텔의 연구 성과를 아래에 정리하자.

부대밭(火田) 농업 체계  2ha/人  8:1

초기 부대밭 농업 체계는 20년 간격으로 농업을 행했다. 양분을 다 쓸 때까지 약 2년 정도 농사를 짓고, 그 뒤에는 묵은 땅으로 되돌린다. 20년 이상 묵히고 갈지 않으면 양분과 생산성이 회복되기에 지속가능하다. 부대밭 농업에서는 도끼나 괭이 같은 농기구를 제조하는 데에만 화석에너지가 쓰이는데, 이것들은 숯으로도 만들 수 있기에 기본적으로는 태양에너지에 의존하는 것만으로도 가능하다. 그밖에 필요한 투입 자재는 10.4㎏/ha의 옥수수 종자뿐이다. 약 1944㎏/ha의 옥수수 생산에 드는 노동력은 약 1144시간이고, 이는 연간에 성인이 일하는 전체 노동시간의 약 60%에 해당한다. 농민은 약 3000㎉/日의 식량을 소비하고, 식량을 요리하는 데에는 약 6000㎉/日의 땔감이 필요하다. 따라서 이 체계의 입력/출력비는 8.4:1이 된다. 이와 관련하여 옥수수 생산에 필요한 약 1200시간/ha의 노동력은 다른 지역의 작물, 그중에서도 곡류라도 전형적으로, 현재 중국에서는 미국의 집약적인 곡물 생산보다 면적에 비하여 더 많은 화학비료나 농약을 쓰고 있는데, 거기에서도 약 1200시간/ha의 노동력이 곡물 생산에 필요하다.

그렇더라도 한 사람을 먹이는 데에는 최저 2ha, 5인 가족이면 10ha의 농지가 드는데, 이 체계는 1ha의 농지에서 식량을 생산하는 데에 10ha의 토지가 필요하다. 현재 세계의 인구를 약 60억으로 환산하면, 지구에는 0.25ha/人 이상의 농지밖에 없다. 부대밭 농업은 지속가능하지만, 거기에 필요한 토지의 1/8밖에 없다. 결국 농지의 부족이 이 기술의 제약으로, 현재나 미래의 농업으로 유용하게 퍼지는 데에는 한계가 있다.

유기 가축 농업  4ha/人  4:1

그럼 부대밭 농업에서 쓰는 1144시간의 인력을 소의 힘으로 치환해 보자. 소를 약 200시간/ha 부리면 인력은 380시간/ha까지 줄고, 인력 에너지는 20,1000㎉가 된다. 소를 약 200시간 일하게 하는 데에는 150㎏의 옥수수와 300㎏의 사료가 든다. 사료는 한계경작지 2ha의 목초에서 얻을 수 있는데, 옥수수는 1944㎏/ha의 수확량에서 차감하게 된다. 또한 소똥의 약 20%(2000㎏)는 목초지나 옥수수밭에 거름으로 주고, 5인 가족의 배설물도 옥수수밭에 거름으로 준다. 또 옥수수는 토끼풀이나 살갈퀴 등과 같은 콩과의 풋거름작물과 돌려짓기하고자 필요한 토지가 1ha 늘어나지만, 옥수수 재배에 필요한 최소한의 질소(60㎏/ha)가 공급되어 토양침식을 줄이고, 토양의 유기물도 늘어난다. 이 체계에서 옥수수 생산에 필요한 총 투입 에너지는 170만㎉/ha이기에, 1944㎏/ha의 수확에서 입력/출력비는 4.1:1이 된다. 에너지에서는 부대밭 농업의 절반 이하로 떨어지는데, 이 체계를 지속가능하게 유지하는 데에 필요한 면적은 약 4ha가 된다.

혼농임업 체계  3ha/人  4:1

다음으로 유기 가축 농업에 질소고정 수목을 조합한 혼농임업 체계를 생각해 보자. 1ha의 토지 가운데 0.5ha에 옥수수, 0.5ha에 콩과의 수목 레우카에나Leucaena를 심는다. 옥수수는 상술한 유기 가축 체계보다 배의 밀도로 심는데, 같은 수확량 1944㎏/ha를 얻을 수 있다. 레우카에나와 옥수수의 경쟁은 옥수수를 심기 전에 레우카에나를 베고, 8cm의 그루터기로 되돌려 잡아 놓는다. 레우카에나는 해마다 4500㎏/ha의 부산물을 생산하고, 그 가운데 잎과 잔가지가 2500㎏/ha이고 이 안에 질소가 약 2/3 포함되어 있다. 이를 토양에 돌려주면 유기 가축 체계와 같은 양의 질소 약 60㎏/ha를 거름으로 줄 수 있다. 이 체계에 쓰이는 총 에너지는 약 170만㎉이고, 입력/출력비는 4.1:1과 같다. 다만 이 체계를 지속가능하게 유지하는 데 필요한 면적은 3ha가 된다. 더욱이 잎과 잔가지는 질소 이외의 양분을 제공할 뿐만 아니라, 토양 유기물이 되어 보수력을 높인다. 또 등고선 모양으로 레우카에나를 심어 잎과 잔가지로 멀칭을 하면 토양침식이 1년에 1t/ha로 억제된다. 나머지 2000㎏은 땔감으로 수확하는데, 이는 1세대의 땔감 수요의 약 80%를 해결한다.

집약형 기계화 체계  3:1

미국 이외의 선진국에서 행해지는 트렉터 동력을 쓰는 농업에서는 상술한 인력이나 축력의 체계와 비교해, 노동 투입량이 불과 10시간까지 줄어든다. 그렇지만 이 적은 투입 노동력을 보조하고자 농기계와 화학비료와 농약이 쓰인다. 미국에서 옥수수를 생산하는 데에는 평균 약 1000만㎉/ha, 1000ℓ/ha의 석유가 필요하다. 옥수수 수확은 8000㎏/ha로 늘어나는데, 입력/출력비는 2.8:1로 떨어진다.

집약형 기계 생산을 더욱 지속가능하게 전환

그러면 옥수수를 더 지속가능하게 생산하는 것으로, 생태적으로 더욱 건전한 기존 기술을 쓴 체계를 생각해 보자. 첫째로 콩 등의 적절한 작물을 옥수수와 돌려짓기한다. 이것으로 선충이나 옥수수의 병, 잡초 문제를 줄인다. 집약적인 옥수수 생산에서의 평균적인 해충 피해 손실은 12%인데, 돌려짓기하면 3.5%까지 준다. 농약도 필요하지 않고, 수확량은 약 8% 늘어난다. 둘째로 가축과 지피작물을 더한다. 수확한 뒤에 살갈퀴(겨울남) 등의 콩과 작물을 도입하면, 토양침식이나 잡초 문제가 줄고, 토양 양분도 유지된다. 외양간두엄의 활용이나 지피작물을 갈아엎고, 노동 투입량은 10~12시간/ha 늘어나는데, 수확량이 8000㎏/ha에서 8640㎏/ha로 늘고, 총 에너지의 양도 집약형 체계의 1000만㎉/ha보다도 꽤 줄어 370만㎉로 해결된다. 또 집약 체계에서는 약 17t/ha나 있는 토양침식을 1t/ha 이하까지 줄인다. 1t/ha 토양침식율은 대부분의 농업 조건에서는 토양의 재생율과 비슷하다. 이 개선된 체계에서는 집약형 기계 체계보다도 다음과 같은 장점이 있다.

1) 토양침식을 억제한다.

2) 소형 트렉터를 쓰는 것으로 연료 소비를 줄인다.

3) 돌려짓기로 무농약 재배를 할 수 있다.

4) 가축의 거름으로 질소 비료 모두 해결한다.

5) 칼륨 양분의 대부분을 대체한다.

6) 지피작물로 재배하지 않는 동안의 손실을 억제한다.

저에너지 투입으로 고에너지 수확량

면적당 수확량만 보자면 전통농업은 근대농업만큼 생산적이지 않다. 하지만 이는 무엇을 비교의 기준으로 평가하는지에 따라 다르다. 노동에 따른 생산성으로 보면, 트렉터로 작업하는 대규모 농장만큼 유리하다. 하지만 트렉터나 화학비료에 쓰이는 화석연료를 생각하면, 투입 에너지에 따른 수확량은 전통농업 쪽이 뚜렷하게 높다. 피멘텔이 계산했듯이 에너지 효율에서는 전통적인 부대밭 농업보다도 낮다. 근대농업은 생산물 이상으로 대량으로 에너지를 소비한다.

서양의 농민들은 생산성을 중시해 주로 많은 수확량을 목표로 했다. 하지만 전통적인 농민들의 목표는 다르다. 전통적인 농민들은 생산성보다도 안정성이나 지속성을 중시했다. 작물도 어느 한 작물을 중시하기보다도, 작물 사이의 균형을 취하여 택했다. 그리고 낮은 투입 자재로 체계의 높은 안정성과 지속성을 유지해 나아가고, 받아들일 수 있는 만큼의 수확량을 얻는다는, 저마다의 목표를 달성하고 있었다. 전통농업은 서양의 분석에서 중시되는 기준만이 아니라, 체계의 안정성이나 지속성과 관련된 생산성이라는 전통적인 농민들 자신만의 중요한 기준으로 평가되는 것이라 할 수 있다.

그리고 지금, 이 전통농법을 다시 평가하자는 움직임도 나타나고 있다. 국제적인 농민과 소농의 운동, 비아 깜페시나이다. 비아 깜페시나에는 라파엘 알제리아Rafael Alegría, 조제 보베José Bové, 조아오 페드로 스테딜Joao Pedro Stedile 등의 유명한 활동가가 있는데, 4월 17일을 ‘소농의 날’로 정했다. 그리고 피크 오일만이 아니라, ‘피크 인산燐酸’도 주장하고 있다. 그리고 비아 깜페시나는 근대농업의 EROI가 낮고, 농업이 에너지의 ‘생산자’가 아니라 ‘소비자’가 되고 있는 것을 자각하고 있다.

“지구온난화에 직면한 가운데 단작으로 농업연료(agrofuels)를 생산하는 등, 잘못된 해결책이 추진되고 있다. 그것은 식량 주권을 엉망으로 만들어 버렸다. 공업형 농업이 기후변동의 주요한 원인이고, 세계의 식량을 수송하며, 기계화·집약화·농약 사용·단작과 공업형 농업을 하게 만드는 것으로 종의 다양성이나 농업의 탄소저장력을 파괴하고, 농업을 에너지의 생산자에서 소비자로 변하게 한다.”

그런데 이 과격한 주장은 뜻밖의 장소에서 평가받고 있다.