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미국의 저널리스티 마이클 폴란(Michael Pollan) 씨가 2008년 4월 예일 대학에서 강연하고 있다.



고기를 먹는 행위는 지구에 해로운가? 점심으로 고민하는 햄버거는 주로 공업형 농업 체계에서 사육된 소로 만들어진다. 그건 지구의 기후가 한계점에 이르도록 하는 탄소에 기반한 물질인 석유로 재배된 엄청난 양의 옥수수를 먹여 사육된다. 공업형 농업에서 석유는 트랙터만이 아니라 파종, 수확, 옥수수 가공에 사용되는 여타의 농기계를 움직이는 원료가 된다. 또한 수확량을 최대로 하기 위해 사용되는 화학비료의 주요 성분이기도 하다. 


특히 소고기를 먹는 것은 환경파괴적이다. 소는 옥수수 사료를 몸무게로 전환시키는 효율이 닭이나 돼지보다 떨어진다. 그래서 다른 가축보다 더 많은 양의 사료를 소비한다. 그 결과 공업형 농업 체계에서는 1칼로리의 소고기를 생산하는 데 55칼로리의 화석연료를 사용한다. 한편 유엔 식량농업기구에 따르면, 가축 생산은 인류의 연간 온실가스 배출 가운데 적어도 25%를 차지하는 농업 부문의 탄소발자국 대부분을 발생시킨다.


거대한 탄소발자국에도 불구하고, 농업 부문은 기후정책 논의에서 늘 간과된다. 지난주 오바마 대통령의 기후변화에 대한 연설에서, 농민들이 어떻게 더 극단적인 날씨에 적응해야 하는지에 대해서는 언급했지만 농업에 대해선 다루지 않았다.  


아마 공업형 농업의 환경문제에 대한 비판에서 마이클 폴란 씨보다 더 영향력 있는 사람은 없을 것이다. 2006년 그는 <잡식동물 분투기>에서 어떻게 기업의 이윤과 정부의 잘못된 정책 및 편의에 중점을 두는 행위가 미국인에게 저렴하지만 건강에 해로우며, 또 그걸 생산하는 데 필요한 토양과 공기, 물에 대해서 언급하지 않고 있는지에 대해 밝혔다. 


그런데 요즘 폴란 씨는 그의 새로운 책 <Cooked: A Natural History of Transformation>에서 좀 더 낙관적인 이야기를 전하고 있다. 공업형 농업 체계의 잘못을 드러내는 대신 인간과 지구 모두를 위해 작동하는 농업을 만들기 위한 급진적인 새로운 방식을 제안한다.


그의 전망에서는 기술이 핵심이다. 그는 “기술 의 의미가 무엇인지 생각해야 합니다. 그것이 단지 장비와 지적재산권을 의미합니까? 그러한 정의로 제한할 경우, 엄청나게 농업생산성을 높이고 탄소를 격리시키도록 토양을 관리하며 식량을 재배하는 방법 같은 여러 놀라운 기술들이 제외될 것입니다.” 왜 케케묵어 보이는 “기술”인가? 왜냐하면 “기술은 우리 문화에서 너무 매력적이며, 사람들은 기술에 대한 대가를 치르길 바라기” 때문이다.

올바른 기술과 함께 폴란 씨는 육식이 실제로는 지구에 좋을 수 있다고 믿는다. 그렇다. 제대로 가축을 사육하면 지국온난화를 줄일 수 있다는 것이다. 그건 폴란 씨나 세계 혼농임업센터의 데니스 게리티 전 사무총장, 워싱턴에 있는 밀레니엄 연구소의 한스 헤렌 씨 등과 같은 전문가들이 설파하고 있는 패러다임 전환의 한 요소일 뿐이다. 그들은 새로운 농법이 우리 문명에 의해 배출되는 온실가스를 줄일 뿐만 아니라, 더 중요하게는 이미 배출되어 있는 가스의 총량도 줄일 수 있다고 본다. 


“어떻게 농사짓느냐에 따라 농장은 탄소를 격리하거나 방출할 수 있습니다”라고 폴란 씨는 말한다. 현재 미국과 세계에 있는 농장 대부분은 탄소를 배출하고 있다. 이건 주로 화학비료와 화석연료의 사용만이 아니라 파종 전의 쟁기질에 의해서도 그렇게 된다. “쟁기질하자마자 탄소가 배출됩니다.” 왜냐하면 노출된 흙이 저장하고 있는 탄소를 대기 중으로 날아가도록 하기 때문이다. 


탄소 배출을 막는 방법의 하나는 무경운 농법이다. 쟁기질하는 대신, 기본적으로 땅을 그대로 두고 흙에 작은 구멍을 내서 씨앗을 심는 것이다. 그런데 개선된 농업 체계는 탄소의 배출을 최소화할 뿐만 아니라, 대기에서 탄소를 추출하여 저장하여 격리시킬 수도 있다. 그래서 탄소가 지구온난화에 기여하지 못하도록 한다. 


탄소 격리는 지구온난화를 제한하려는 목표로 기후 체계에 인간이 개입한다는 용어인 지구공학의 한 형태이다. 이건 계속되는 정치적 나태함에 직면하여 가속화되는 기후변화로 인해 관심이 증대되고 있는 분야이다. 지난달, 대기 중 탄소의 양이 400ppm을 돌파하며, 260만 년 전 플라이오세 시대 이후 최고 수준을 기록했다(당시에는 세계의 해안 도시들 대부분이 물에 잠길 정도로 현재보다 해수면이 9m 더 높은 온난기였음). 한편, 연비 낮은 차를 운전하는 것부터 석탄을 태우고 숲을 파괴하는 인간의 활동으로 대기의 탄소는 1년에 약 2ppm씩 증가하고 있다.  


지구공학은 400ppm은 그대로 두더라도 문제가 되는 2ppm만이라도 해결하자며 자동차 대신 자전거를 타고, 천연가스보다 바람으로 전기를 생산하는 등의 지구온난화에 대한 "해결책"을 이야기한다. 확실히 연간 2ppm이라는 배출 증가율을 줄이는 일은 절대적으로 필요하다. 허나 그걸로는 충분치 않다. 400ppm에서도 이미 지구온난화는 기록적인 날씨를 출현시키고 있다. 지난해 미국에서만 해도 50년 만의 최악의 가뭄이나 가장 뜨거운 여름으로 고통을 받았고, 가장 큰 허리케인이었던 샌디가 휩쓸고 지나갔다. 세계적으로는 기후와 관련된 극단적 기상재해가 훨씬 증가했다. 


무엇보다 연간 온실가스 배출량을 없애도 기후 체계의 관성 때문에 세계의 기온은 계속 오를 것이고, 기후의 영향은 앞으로도 심해질 것이다. 아마 앞으로 그 영향을 줄일 수 있는 유일한 방법은 근본적으로 현재 400ppm에 이르는 대기의 이산화탄소를 몰아내는 것이다. 


폴란 씨에 따르면, 광합성은 “우리가 가진 최고의 지구공학 방법이다.” 그건 또한 지금까지 논의된 지구공학 계획 대부분과 뚜렷하게 다른 방법이기도 하다. 태양 에너지를 차단하기 위해 우주에 거대한 거울을 설치한다거나 성층권에 엄청난 양의 에어로졸을 살포한다는 등 허무맹랑한 공상과학의 이야기 같은 계획들 말이다. 


이와 대조적으로 광합성은 확실하게 작동한다. 사실 약간 과장해서 말하면 광합성은 인간이 지구에서 생존할 수 있는 가장 큰 원인이다. 식물은 이산화탄소를 흡입하여 우리가 호흡하는 데 필요한 산소를 배출하는 것과 함께 우리가 먹는 먹을거리도 공급한다. 


고기를 먹는 것과 함께 이 모든 일을 어떻게 하는가? 폴란 씨가 긍정적으로 기대하는 부분이 바로 여기다. “격리의 대부분은 땅속에서 일어납니다.”


“초지가 있으면 거기에 사는 식물들은 태양 에너지를 잎과 뿌리에 거의 같은 양을 변환시킨다. 반추동물(예를 들어 소)이 초지에서 풀을 뜯으면 풀의 길이는 90cm에서 7cm로 잘린다. 식물은 새로운 평형상태를 찾기 위해 이 변화에 반응한다. 바로 반추동물에게 뜯겨 잃은 줄기와 잎의 양에 맞먹는 막대한 양의 뿌리를 죽인다. 그렇게 죽은 뿌리에 선충과 지렁이, 여타 토양생물이 달려들고, 그들이 토양에서 뿌리를 탄소로 바꾼다. 이것이 바로 지구의 흙이 생성된 방법이다. 위에서 아래로가 아니라, 아래에서 위로 말이다.”

결론적으로, 세계의 기후정책과 개인의 식단 선택은 모두 공업형 농업으로 고기를 생산할 때에만 커다란 탄소박자국이 생긴다. “풀을 먹인 고기를 먹는다면, 탄소발자국을 가볍게 하고 마이너스로 할 수도 있다”고 폴란 씨는 말한다. 


전부는 아니지만, 폴란 씨의 분석 가운데 일부는 올해 초 TED에서 강연하며 사람들의 관심을 불러일으킨 초지의 전체론적 관리를 주장하는 짐바브웨의 생물학자 Allan Savory 씨의 이야기와 비슷하다. 새이버리 씨에게는 Slate에 기사를 쓴 텍사스 주립대학의 역사학자 James McWilliams 씨와 같은 반대자들이 있다. 맥윌리암 씨는 전체론적 방목에 대한 가장 종합적인 학술적 분석에서는 그 방법이 식물의 성장을 개선하거나 함축적으로 탄소를 격리시키지 않는다는 것을 밝혔다고 한다. 새이버리 씨와 지지자들은 맥윌리암 씨가 인용한 그 연구는 전체론적 관리의 규정된 방법을 따르지 않았기에 아무것도 증명하지 못했다고 주장한다. 


그 일환으로, 폴란 씨는 옥수수 사료를 먹이다가 적절히 소를 방목하는 것으로 전환하면 여러 혜택이 따른다고 강조한다. 탄소 격리는 토양비옥도와 보수력을 개선하여, 수확량과 가뭄, 홍수 등에 대한 탄력성을 높인다. 폴란 씨는 “나는 매우 특정한 종류의 지구공학 신자입니다. 그것이 생명의 모방에 기반해 있을 때 말이죠”라고 말한다. 즉, 그것은 자연을 모방하는 것이다. “최첨단 기술의 개입보다는 자연을 모방하는 것이 기후변화와 토질, 식량안보와 같은 여러 문제를 해결하는 묘책이 될 수 있습니다.”


폴란 씨는 “오픈 소스 탄소 격리”라는 접근법을 요구한다. 그는 그것을 가장 잘 적용하는 방법을 찾기 위해 더 많은 연구가 필요한데, 전망은 낙관적이라고 강조한다. 대기의 탄소를 추출하고 땅속에 저장하기 위한 광합성의 활용과 방목법의 개량이 “먹고 살면서 동시에 지구를 구할 수 없다는 제로섬”의 최악의 관점을 털어내도록 할 수 있다고 말한다. “또한 작지 않은 앞으로의 과제에 관한 우리의 정신을 고취한다.”


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Abstract

Synthetic nitrogen (N) fertilizer has played a key role in enhancing food production and keeping half of the world’s population adequately fed. However, decades of N fertilizer overuse in many parts of the world have contributed to soil, water, and air pollution; reducing excessive N losses and emissions is a central environmental challenge in the 21st century. China’s participation is essential to global efforts in reducing N-related greenhouse gas (GHG) emissions because China is the largest producer and consumer of fertilizer N. To evaluate the impact of China’s use of N fertilizer, we quantify the carbon footprint of China’s N fertilizer production and consumption chain using life cycle analysis. For every ton of N fertilizer manufactured and used, 13.5 tons of CO2-equivalent (eq) (t CO2-eq) is emitted, compared with 9.7 t CO2-eq in Europe. Emissions in China tripled from 1980 [131 terrogram (Tg) of CO2-eq (Tg CO2-eq)] to 2010 (452 Tg CO2-eq). N fertilizer-related emissions constitute about 7% of GHG emissions from the entire Chinese economy and exceed soil carbon gain resulting from N fertilizer use by several-fold. We identified potential emission reductions by comparing prevailing technologies and management practices in China with more advanced options worldwide. Mitigation opportunities include improving methane recovery during coal mining, enhancing energy efficiency in fertilizer manufacture, and minimizing N overuse in field-level crop production. We find that use of advanced technologies could cut N fertilizer-related emissions by 20–63%, amounting to 102–357 Tg CO2-eq annually. Such reduction would decrease China’s total GHG emissions by 2–6%, which is significant on a global scale.

The Haber–Bosch process is one of the greatest inventions in modern human history. It enables industrial-scale production of ammonia from atmospheric N2 using energy. From ammonia, various synthetic nitrogen (N) fertilizers are manufactured, without which nearly half of the world’s population would not be alive today (1). However, synthetic N fertilizer has become “too much of a good thing” because much of the N applied to cropland escapes the agricultural system and becomes a pollutant, which disrupts terrestrial and aquatic ecosystem functions and contributes to global climate change. The environmental cost is considerable, between €70 billion and €320 billion per year just for the European Union according to a recent 5-y European nitrogen assessment (2). This 200-member expert panel considered N emission reductions a central environmental challenge in the 21st century and called for a global interconvention N protocol to address the issue. Indeed, coordinated global efforts are particularly critical when dealing with N-related greenhouse gas (GHG) emissions, because such emissions and their impacts recognize no borders.

China is central to the issue. This is not only because China is the largest emitter of fossil-fuel CO2 into the atmosphere (3) but because China has become a dominating force in the international N fertilizer market. In the past 2 decades (1990–2009), 61% of the world’s increase in N fertilizer production and 52% of the increased N consumption occurred in China (4). In 2010, China produced 37.1 terrogram (Tg) of N (Tg N; agricultural consumption of 28.1 Tg N, industrial use of 4.7 Tg N, and export of 4.3 Tg N). This accounted for >30% of world’s total and exceeded the combined N fertilizer use in North America (11.1 Tg N) and the European Union (10.9 Tg N) in 2009 (4). Furthermore, China’s N fertilizer production and utilization have distinct characteristics. N fertilizer relies heavily on coal as the main source of energy in its production. Coal has a greater carbon footprint than other forms of energy, such as natural gas (Table S1). China’s N fertilizer industry is fragmented, consisting of hundreds of small plants with a production capacity only a third to a quarter of typical facilities in developed countries (Table S2). These small enterprises often operate using outdated technologies with relatively low efficiency and high emissions. Perhaps the most striking difference between China and the developed economies is how fertilizer is used in the field. In contrast to the generally mechanized and integrated crop-soil-nutrient management practices widely adopted in developed countries, Chinese farmers hand-apply fertilizer to millions of small plots (Table 1), often resulting in gross overapplication (5). We believe that any global effort in N management must include strong participation by China, and quantifying the carbon footprint of China’s N fertilizer chain requires the consideration of conditions specific to China.


Table 1. Survey results of farmers’ practices regarding N fertilizer use in China
ItemsUnitRiceWheatMaizeFruitsVegetables
No. of farmers interviewed4,2184,5544,5226,8633,889
Synthetic N applicationkg N ha−1209 ± 140*197 ± 134*231 ± 142*550 ± 381*383 ± 263*
N applied as urea, %51%51%50%31%31%
N used as a single application, %9%26%13%16%22%
N used before planting, %50%60%49%—11%
N used by hand-broadcasting, %96%88%36%21%8%
Manure Nkg N ha−115 ± 48*15 ± 55*18 ± 52*42 ± 99*56 ± 145*
Crop yieldt ha−17.2 ± 1.8*4.9 ± 2.0*7.4 ± 2.7*36.7 ± 19.7*36.0 ± 36.1*
Aboveground uptakekg N ha−112212316212883
Balance†kg N ha−11028987464356

  • This table comprises data taken from responses to a questionnaire survey conducted in 2009 (details are provided in SI Text).

  • ↵*Number following a ± symbol is an SD.

  • ↵†Balance = Synthetic N + Manure N − Aboveground Uptake.

Here, we quantitatively evaluate GHG emissions for China’s N fertilizer chain through a life cycle analysis beginning from fossil fuel mining as the industry’s energy source to postapplication of fertilizers in the field. To do these analyses, we used survey data of 230 fertilizer plants (Table S2) and synthesized literature data of 853 field measurements (Table S3), from which emission factors were derived. We then calculated annual GHG emissions from 1980 to 2010 using statistical data from the China Nitrogen Fertilizer Industry Association (Fig. S1) and estimated future emissions in 2020 and 2030 assuming a 1% annual increment (the same as in the past decade) in N fertilizer demand. Next, we explore emission reduction potential by identifying efficiency gaps between current technologies used in China and more advanced technologies available and by adjusting future N demand based on principles of rational N use that have been proven effective in developed countries and in China. We also discuss socioeconomic factors and propose policy changes that can help curb N-related GHG emissions and assist in moving toward low-carbon agriculture.

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Results and Discussion

Emission Factors Along the N Fertilizer Chain.

 

For every ton of N produced and used on cropland in China, an average of 13.5 t of CO2-equivalent (eq) (t CO2-eq) is emitted (Fig. 1). The largest emission along the chain comes from ammonia synthesis (weighted average of 5.1 t CO2-eq, 37.8% of 13.5 t). This is partly due to the energy-intensive nature of the chemical engineering process that requires high temperature and pressure and partly due to the low energy efficiency of coal as the main energy source. Coal-based facilities have an emission factor of >5 t CO2-eq t NH3-N−1 compared with <3 t CO2-eq t NH3-N−1 for natural gas-based plants (Table S4). For the same energy source, large-scale facilities emit slightly less GHGs per unit of N than medium- or small-scale facilities (Table S4). The next phase involves converting ammonia into various N fertilizer products; the processes have a weighted emission factor of 0.9 t CO2-eq t N−1 but a wide range from 0.3 to 5.7 t CO2-eq t N−1 (Table S5). Thereafter, transport and distribution of the N products have an emission factor averaging 0.1 t CO2-eq t N−1.


Fig. 1.


Life cycle assessment of GHG emissions from manufacturing and field use of N fertilizer in China and weighted emission factors of main processes (system boundaries are described in the main text). Atmospheric nitrogen (N2) is combined with hydrogen using energy from fossil fuels. The produced NH3 is reacted with CO2, nitric acid, hydrochloric acid, or phosphoric acid to produce different N fertilizer products. These fertilizers are transported by various means before being applied to croplands. The solid line represents the materials and N fertilizer flow. The broken line represents GHG exchanges between the fertilizer chain and the atmosphere.

Coal supplies 86% of the energy consumed in the above processes. Methane emissions associated with coal mining have a global warming effect of 11.4 g CO2-eq MJ−1 (106 J), compared with <2 g CO2-eq MJ−1with natural gas or oil (Table S1). We calculated a weighted emission factor of 2.2 t CO2-eq t N−1 for the mining and transport of fossil fuel used in the N fertilizer industry (including 1.8 t CO2-eq t N−1 from mining of the energy used for ammonia synthesis and 0.4 t CO2-eq t N−1 for that used in N product manufacturing). This is 16% of the overall emissions of 13.5 t CO2-eq t N−1. Neglecting this component would lead to substantial underestimation of China’s N fertilizer carbon footprint.

At the end of the chain are GHG emissions from agricultural fields receiving N fertilizers. Weighted for the quantities of N fertilizer used on upland crops and paddy rice systems, the emission factor is 5.2 t CO2-eq t N−1, including direct emission of N2O (4.3 t CO2-eq t N−1) from nitrification and denitrification in soil and indirect emissions (0.9 t CO2-eq t N−1) calculated from N2O emission via N deposition (associated with ammonia volatilization), nitrate leaching, and runoff. Our direct emissions are slightly greater, but indirect emissions are substantially less than Europe-based estimates (Table S3). In China, the dominant use of ammonium-based products, together with excessive N application, leads to substantial direct emissions of N2O (5). As for indirect emissions, China’s ammonia loss exceeds that in Europe because of surface spreading and overapplication of ammonia-based N products, but nitrate leaching loss is only a fraction of Europe’s (Table S3) because of less nitrate-based products and lower rainfall in most regions of China (6,7). Our calculations show that upland crop systems emit more GHGs than paddy rice fields, 5.9 t vs. 2.8 t CO2-eq t N−1 (Table S3), which is comparable to Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) values (6.2 vs. 2.9 t CO2-eq t N−1).

The overall emission factor we obtained (13.5 t CO2-eq t N−1) is greater than the estimate for the European N fertilizer chain (weighted average of 9.7 t CO2-eq t N−1; ref. 7), mainly because of higher emissions associated with coal mining as well as ammonia synthesis and fertilizer manufacture from a general lack of technological advancement in China (discussed elsewhere in this paper). Our results also differ from two previous studies involving China’s N fertilizer-chain carbon footprint estimates. one estimated emissions at 9.6 t CO2-eq t N−1 (8), and the other estimated emissions at 15–31 t CO2-eq t N−1 (9). Their numbers were derived from limited data and did not include life cycle analyses.

Past, Present, and Future Emissions.

 

Estimated N fertilizer-related GHG emissions in China totaled 131 Tg CO2-eq in 1980 and increased steadily to 452 Tg CO2-eq in 2010, with an average increase of 10.7 Tg CO2-eq⋅y−1 (Fig. 2). This steep increase results directly from N fertilizer production and consumption trends (Fig. S1). In recent years, N-related GHG emissions account for about 7% of total emissions from China (6,100 Tg CO2-eq in 2004, the most recent data available; ref. 10; Table S6). Assuming a 1% annual increment in agricultural demand for N while maintaining the same export (4.3 Tg N) and industry use (4.7 Tg N) as in 2010, China’s N fertilizer demand for agriculture would amount to 33 Tg N in 2020 and 36 Tg N in 2030. Associated GHG emissions would reach 517 Tg CO2-eq and 564 Tg CO2-eq, respectively. To put these numbers in perspective, total national GHG emissions from France and Germany in 2009 from all sources were 458 Tg N and 937 Tg CO2-eq, respectively (11).


Fig. 2.


GHG emissions associated with the N fertilizer chain in China. Emission amounts for 1980–2010 were calculated using emission factors (Fig. 1) derived from a 2005 survey and annual N production and consumption records. Emission estimates for 2020 and 2030 consider four scenarios: scenario 1, business-as-usual; scenario 2, improved manufacturing technologies; scenario 3, improved manufacturing technologies plus controlled N use; and scenario 4, improved manufacturing technologies with reduced N use on croplands.

N fertilizer has played an indispensable role in doubling crop yields in China during the past 3 decades (12) and is estimated to have contributed to a net gain in soil organic carbon of 85 Tg per year (13). Nevertheless, our data show that N fertilizer-related GHG emissions are several times greater in magnitude than soil organic carbon gains. For China to reduce the gap between GHG emissions and soil carbon sequestration and to move toward low GHG emission agriculture, it is necessary to examine the entire N chain to identify potential emission reductions.

Potential Mitigation.

 

Technological innovation can have a large impact on emission reduction, particularly at the beginning of the N fertilizer chain involving coal mining, ammonia synthesis, and N product manufacturing. For each of these sectors, we compare current technologies used in China with more advanced ones and also with the best technologies available worldwide to estimate emission reduction potential (Table 2).

  • i) Methane emissions from coal mining operations have a large global warming effect, and their recovery is only 15–23% in China (14, 15), compared with 35% with more advanced recovery technologies or 60% with the best system available (16). Adopting one or another of these would lower the emission factor from the current 0.24 t CO2-eq t−1 coal to 0.20 or 0.14. The emission reduction benefit would extend beyond the N fertilizer industry because coal constitutes 70% of the total energy supplies in the entire country (12).

  • ii) Coal-fired electricity power plants in China have a heat conversion efficiency of 37–38% with the current subcritical engine units. Emerging technologies can increase the efficiency to 41–42% with supercritical units and to 46–48% with ultrasupercritical units (17). Adopting these new engine units would lower the carbon footprint for electricity from the current 1.12 kg CO2-eq kilowatt-hour (kWh−1) to 1.08 or 1.03 kg CO2-eq kWh−1. Again, the benefits would be applicable across the whole economy, and not just in the N fertilizer industry.

  • iii) The process of making NH3 from atmospheric N2 is energy-intensive; current technologies in China have an efficiency averaging 51.3 gigajoule (GJ) t NH3-N−1, compared with 43.7 GJ or 32.8 GJ t NH3-N−1 with more advanced or the best technologies worldwide (18). Adopting the superior technologies would lower the emission factor from 5.1 to 3.2 or 2.4 t CO2-eq t NH3-N−1.

  • iv) Urea is the main product, and its energy consumption could be lowered from 8.9 to 8.0 or 7.0 GJ t N−1using better or the best available technologies. More dramatic impacts on emissions could potentially be achieved with ammonium nitrate (AN) production. China’s AN production facilities mostly use 1960s’ technologies, which consume 3.5 GJ t−1 N compared with 1.6 GJ t−1 N or even less with modern technologies (18). Moreover, AN manufacturing involves converting NH3 into HNO3, and the conversion process emits N2O, currently at 8.0 kg N2O t HNO3-1 in China, whereas an N2O-abatement technology used elsewhere has lowered the emissions to 1.9 N2O t HNO3−1, or even 0.5 kg N2O t HNO3-1 with the best technology (18). At present, AN is a minor product in China’s N fertilizer portfolio (Fig. S1), but if the composition of N products is changed from ammonium-based to nitrate-based (see discussion below), adopting more efficient technologies at the manufacturing stage will be essential.


Table 2. Energy use and GHG emissions from N fertilizer manufacture
ItemsUnitCurrently in ChinaAdvanced technologyBest technology
Coal mining CH4 recovery%20*35*60*
Thermal efficiency at coal-fired power plants†%37–3841–4246–48
Energy use in NH3 synthesisGJ t NH3-N−151.343.7‡32.8‡
Energy use in N product manufacturingUreaGJ t N−18.98.0‡7.0‡
AN3.51.6‡0‡
N2O emission in AN manufacturekg N2O t HNO3-18.01.9‡0.5‡

  • ↵*Coal bed methane recovery is reported to be 15–23% in China (14, 15); we take 20% as the average. Recoveries for advanced and best technologies are from a US Environmental Protection Agency publication (16).

  • ↵†Data are from a study by Zhou (17).

  • ↵‡Data are from a report by the International Fertilizer Association (18), with advanced technologies being the world average and the best technologies being those that operate at the highest energy efficiency.

Combining all four components discussed above, we estimate the emission factor for the N fertilizer industry in China can be reduced from the current 8.3 t CO2-eq t N−1 (2.2 for energy mining + 5.1 for ammonium synthesis + 0.9 for N product manufacture + 0.1 for fertilizer distribution; Fig. 1) to 5.8 or 4.7 t CO2-eq t N−1with more advanced or the best technologies (Table S7). In performing these analyses, we did not include “carbon capture and storage” technologies currently being tested in Europe and America (19) because these are still a long way from commercial use.

At the end of the N fertilizer chain, there is also considerable scope to reduce emissions resulting from application of fertilizers in the field. Adopting science-based fertilizer application practices is critically important (5, 20), as discussed in subsequent paragraphs. Here, we present some technological- and management-related options (Table 3). First, nitrate-based fertilizers are associated with less N2O emission than urea or ammonium-based fertilizers (21) because most N2O is generated from the nitrification process, at least in relatively low-rainfall regions, such as the North China Plain (22). This contrasts with many other regions in the world (and probably other regions in China), where denitrification appears to be the dominant process generating N2O. Nitrate-based fertilizers also generate less ammonia loss than ammonium-based products (23). Therefore, adjusting the current N product makeup (with 97% being ammonium-based) may help reduce overall N2O emissions in some regions. However, such a product shift must be preceded by upgrading the AN manufacturing technologies as mentioned previously; otherwise, N2O emissions during HNO3 production may exceed potential emission reductions downstream in the field. Second, urea is the main N product in China, and its surface-spreading is associated with considerable N loss via ammonia volatilization (5). Adopting subsurface application can greatly decrease ammonia volatilization, and therefore reduce indirect N2O emissions (24). Still, possible tradeoffs exist. There may be greater N2O emissions from nitrification and denitrification of subsurface-applied urea (25). The net effect on emissions will need to be evaluated for different regions, cropping systems, and management practices. Lastly, enhanced efficient fertilizers (including products with surface coatings or incorporating inhibitors of nitrification or urease activity) can improve N use efficiency and substantially reduce GHG emissions; a decrease of 77% in N2O emissions from using nitrification inhibitors (22) or 60% in NH3 losses from using urease inhibitors (24) has been reported. The downside of these products is the increased cost incurred (26), making them prohibitive for widespread adoption in grain crops unless incentives are introduced through subsidies or other measures as a means of enhancing environmental services.


Table 3. N losses following fertilizer application
ItemsField typeUnitCurrently in ChinaAdvanced technologyBest technology
N2O emissionUplandkg N2O-N kg N−10.01050.01*0.007†
Paddy0.00410.003*0.003*
NH3 lossesUplandkg NH3-N kg N−10.1290.1*0.02‡
Paddy0.1790.1*0.1*
NO3− lossesUplandkg NO3-N kg N−10.098—0.04§
Paddy0.014——

  • ↵*Data are from a publication by the IPCC (37) (i.e., IPCC default values, which were mostly derived based on developed economies).

  • ↵†Data are from a study by Bouwman et al. (21), assuming replacement of urea with Ca(NH4)(NO3)3.

  • ↵‡Data are from a report by the International Fertilizer Association (23), assuming replacing urea with Ca(NH4)(NO3)3.

  • ↵§Data are from a study by Li et al. (39), based on experimental results using nitrate inhibitors.

Gross overapplication of N fertilizers in China has been well-documented, with a nationwide range of 30–60% above agronomically sound and environmentally sensible recommendations (5). The extent of N overuse is further illustrated by a large-scale survey we conducted recently with >13,000 grain producers and >10,000 fruit and vegetable farmers (Table 1). Excessive N use is widespread: Grain crops receive 220–270 kg N ha−1 but remove only 120–160 kg N ha−1, fruits and vegetables receive 400–600 kg N ha−1but remove only 83–130 kg N ha−1 (Table 1). The current situation is a result of numerous interacting economic, social, psychological, and policy factors, as discussed in a subsequent section of this paper.

At the national level, total N removal in aboveground crop parts amounted to 16.4 Tg in 2005 (27) and 17.2 Tg in 2010, and it will be 19.0 Tg by 2020 and 21.0 Tg by 2030 assuming a 1% annual increment in crop yield. Our recent work based on long-term intensively managed cropping systems in China shows that the optimum N rate for a crop approximates aboveground crop N removal (28). Applying this N balance concept would suggest that N fertilizer use nationally could be reduced by 42% from current use. Interestingly, the suggested 42% reduction is in line with direct experimental evidence that in two major grain-producing regions (the Yangtze Basin and the North China Plain), N rates can be reduced by 30–60% with no yield loss (5). Also, a rough balance between N fertilizer input and crop removal has been the case in general in developed countries (29).

To integrate the mitigation potentials discussed above and to evaluate their impacts on GHG emissions in coming decades, we performed scenario analyses (detailed data are provided in Table S7), and the results are summarized in Fig. 2. Scenario 1 is business-as-usual, maintaining current technologies and practices and assuming a 1% annual increment in domestic N fertilizer use (as in the past decade). GHG emissions would be 517 and 564 Tg CO2-eq for 2020 and 2030, respectively. Scenario 2 assumes upgrading industrial technologies to the more advanced level by 2020 and to the best level by 2030 while maintaining the 1% annual increment in N demand. This would result in a net reduction of 102 Tg CO2-eq by 2020 and 161 Tg CO2-eq by 2030 compared with scenario 1. Scenario 3 includes the same technological advances as in scenario 2 but keeps N fertilizer at the 2010 level (i.e., no further increase; the rationale for this scenario is discussed later). This would further increase the net reduction (from the base scenario 1) to 155 Tg CO2-eq for 2020 and to 243 Tg CO2-eq for 2030. Scenario 4 integrates the technological advances in fertilizer manufacture with more rational N application to crops (achieved using the N balance approach discussed earlier), decreasing N fertilizer use by 21% in 2020 and 42% in 2030 (i.e., a two-step approach to reduce excessive N use). The net reduction (from the base scenario) would be 222 CO2-eq for 2020 and 357 Tg CO2-eq for 2030, respectively. There is considerable scope to replace some N fertilizer with livestock manure and probably through better integration of biological N fixation into cropping systems. Thus, further emission reductions are possible, but an in-depth analysis is beyond the scope of this paper.

Overall, the magnitude of potential reductions associated with the various scenarios, ranging from 102 to 357 Tg CO2-eq, represents a 1.7–5.9% reduction in China’s total GHG emissions from all sources (2005 value). This is significant nationally and globally because the feasible emission reductions from improvements in the N fertilizer chain in China are similar in magnitude to the total national reduction goals for 2020, from all sources, sought by several countries [e.g., Germany (365 Tg), France (158 Tg), and the United Kingdom (235 Tg)] (30).

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General Discussion

Our analysis, using a life cycle assessment approach, demonstrates that it is essential to include the manufacturing component of the N fertilizer chain (even extending to methane emissions from the mining of coal as an energy source for N manufacture) because these parts of the chain constitute 61% of total emissions (Fig. 1) and provide considerable scope for substantial GHG reductions (scenario 2). China’s N fertilizer industry consists of ∼500 companies, as opposed to >200 million individual farmers at the “utilization” end of the chain; thus, it should be easier in the short to medium term to achieve changes in the manufacturing processes through technological innovation and government action. Large capital investment is required for this transformation. one possible solution is for the Chinese government to reallocate the large subsidies, roughly US $7.46 billion during 2008–2009 alone (31), provided to the fertilizer industry through tax breaks and energy subsidies, for technological upgrading of fertilizer plants. Another option is through international intervention via mechanisms, such as carbon trade/credits to accelerate technological advancement. More detailed discussion of the issue and a cost–benefit analysis are beyond the scope of this paper, but we hope this analysis stimulates international interests in upgrading the N fertilizer production chain in China.

China has to grow food to feed >20% of the world’s population with only 9% of the world’s arable land. Consequently, food security remains the top priority above other concerns unlike the case in developed economies, where national-scale food security is not a major concern (32). This is the basis for scenario 3, where we consider maintaining N fertilizer use at the 2010 level without further increases. This means putting an end to the 50-y trend of increased N production and use. This is not to be taken lightly, because to many, decision makers and farmers alike, continuous growth in agricultural output is thought to depend on increasing fertilizer input. Although still undesirable environmentally, this scenario is probably more likely than scenarios with fertilizer use reductions, given China’s political and societal modes.

Clearly, minimizing N fertilizer overuse at the end of the chain is vital. This would not only enhance N fertilizer efficiency and lower emissions in fertilized fields but, more importantly, decrease the total amount of N fertilizer demand. The latter means emission reductions involving the entire N fertilizer chain. Various factors contribute to the excessive N use in China. First, fertilizers have been kept at artificially low prices through heavy government subsidies (31), which obscure the financial burden resulting from excessive N use. Second, there is the absence of an effective and functional extension system that can reliably and systematically deliver science-based recommendations and techniques to hundreds of millions of farmers, although such recommendations have been developed for all major crops and cropping systems in China (33). Third, the land is farmed in small parcels, averaging <0.1 ha per household, which hinders the development and adoption of technologies for mechanized fertilizer application with better control and precision. Fourth, rapid economic development in China has led to the phenomenon of “part-time farmers” because many rural people, especially better educated younger people, are moving into nonfarm work, and this is often more important for household incomes than farming. Consequently, classic models of agricultural extension and assumptions of increasing technical understanding by farmers may no longer be applicable. Improving delivery of technical information at the farm level to enhance N fertilizer use efficiency has value but has been demonstrated to be slow in altering farmer behavior. We propose that alteration of policies related to fertilizer production will be more effective in delivering the necessary changes. Current N fertilizer-related policies were devised decades ago, with the aim of increasing N application for enhanced crop production (SI Text). These policies now need to be revised to address both food security and sustainability issues. The huge subsidies to maintain low fertilizer cost for farmers should be replaced with programs that promote environmental services without threatening national food security. For example, incentive programs are needed to improve the management and enhance the utilization of large amounts of livestock manure generated in the nation, which, in turn, would allow substantial reduction of chemical fertilizers (27). Also, payments can be made to cover the additional cost of nitrate-based fertilizer and enhanced efficient fertilizers in situations in which there is clear evidence that these will increase N use efficiency and decrease the amount of N needed. Furthermore, financial support to promote the development of a contractor sector for fertilizer application can be beneficial. Such contractors can (i) purchase machinery for subsurface urea application, decreasing ammonia losses; (ii) apply N at the “right time,” overcoming the labor shortage problem; and (iii) comprise a professional group to receive technical information on N fertilizer management.

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Conclusions

N fertilizer has been and will continue to be indispensable for China’s quest to produce sufficient food to meet its growing demands. However, decades of excessive N use have contributed to a variety of environmental problems, including large GHG emissions and serious water pollution. Our life cycle analysis shows the significance of the carbon footprint associated with the N fertilizer chain in China. GHG emissions tripled from 1980 to 2010, with the amount growing from 131 to 452 Tg CO2-eq⋅y−1, and, if unabated, to 564 Tg CO2-eq⋅y−1 by 2030. China needs a combination of reforms in the fertilizer industry and changes in management practices and technologies at the farm level to minimize excessive N use in the field. Our scenario analysis indicates it is feasible to reduce GHG emissions by 20–43% from a “business as usual” scenario by 2020 if an appropriate range of mitigation measures are introduced covering both N fertilizer manufacture and its agricultural use. The corresponding reduction by 2030 is 29–63%. Such reductions are in the range of 1.7–5.9% of current national total emissions from all sources. A reduction of this magnitude makes a highly significant contribution to national goals of moving toward a low-carbon economy and is highly significant globally. Minimizing N fertilizer overuse will also deliver “multiple wins” [e.g., improved water quality (with benefits for fish production), enhanced air quality (with associated benefits for human health), less acidification of the soil, improved income for farmers, greater spending power in the rural economy].

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Materials and Methods

Life Cycle Assessment Approach for N Fertilizer Chain.

 

We used a life cycle assessment approach to estimate GHG emissions due to the main components of the N fertilizer chain in China, primarily using Chinese-specific parameters rather than IPCC tier 1 default values. According to the International Organization for Standardization’s International Standard ISO 14042 (34), the life cycle of N fertilizer should be conducted from “cradle to grave.” Therefore, we include GHG emissions associated with mining of fossil fuel used for fertilizer production, transport of fossil fuel, fertilizer synthesis, fertilizer transport and distribution, and gaseous emissions (direct and indirect) when fertilizers are applied to farmland (Fig. 1).

GHG Emission from Fossil Fuel Mining.

 

Two published studies have estimated the GHG emission factors (CO2, CH4, and N2O) in Chinese energy production systems (coal, natural gas, oil, and electricity) using a life cycle assessment approach (14, 35). We used these China-specific emission factors in our study (details are provided in Table S1).

GHG Emission from Ammonia Synthesis.

 

Ammonia is the primary material from which various N fertilizer products are produced. Ammonia synthesis is a major contributor to GHG emissions because of the large energy requirement for its manufacture. The Chinese Nitrogen Fertilizer Industry Association (CNFIA) surveyed 230 companies (Table S2), which account for 40% of the total N fertilizer industry in the nation, including all the large- and medium-scale plants. The survey collected information on the total energy consumption between 2002 and 2005. We have adopted the raw material consumption rate of the ammonia industry determined by this survey and classified the industry into eight categories to estimate different GHG emission factors associated with ammonia synthesis (Table S4).

GHG Emission from N Fertilizer Manufacture.

 

As is the case with NH3 synthesis, a range of different processes are used in the manufacture of specific fertilizer products. We included five N fertilizer products in this study: urea; AN; ammonium bicarbonate (ABC); ammonium chloride; and compound fertilizers containing N, phosphorus, and potassium (NPKs). We used the specific energy consumption rate of each product determined by the CNFIA survey and by Fan et al. (36) and estimated a GHG emission factor for each (Table S5). The CO2 fixed during the production of urea and ABC is emitted later into the atmosphere when the fertilizers are applied in the field; thus, it was not included in the calculations.

GHG Emission from Transporting Energy and N Fertilizer Products.

 

We obtained the average transportation distances by train and truck in China for coal, crude oil, and N fertilizer from the National Bureau of Statistics of China (12). We adopted the IPCC (37) default emission factors for N2O, CH4, and CO2 for energy combustion by internal-combustion engines for vehicle transportation (Table S8). Combining these values, we estimate GHG emission factors for energy and fertilizer transportation (details are provided in SI Text).

GHG Emission from Postapplication Field.

 

The GHG emissions caused by N fertilizer applied to croplands are mainly in the form of N2O, including direct and indirect emissions. We classified Chinese agricultural land into two groups: upland fields and paddy fields. We compiled all published field measurements in China (a total of 853) and summarized the results using a meta-analysis method to derive direct and indirect N2O emission factors. Direct emission factors for upland fields and paddy fields were obtained from a study by Gao et al. (38), which includes 456 N2O emission measurements in China (195 paddy fields and 261 upland fields). Indirect emissions include N2O resulting from N deposition (associated with NH3 volatilization) and NO3− leaching. We summarized 397 published field measurements (138 paddy fields and 259 upland fields) from 47 literature sources. We used IPCC (37) values for the proportion of those losses emitted as N2O (Table S8). Then, we calculated the GHG emission factors for paddy fields and upland fields, respectively (Table S3).

Total GHG Emissions from N Fertilizer Production and Utilization.

 

We calculated annual total GHG emissions from N fertilizer production and consumption in China from 1980 to 2010. The emission factors for the various sectors (energy mining and transport, NH3 synthesis, fertilizer manufacture, N products distribution, and N application) were multiplied by the respective quantities of the materials to derive the amounts of sector-specific emissions, which were then summed for each year (details are provided in SI Text).

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Acknowledgments

We thank Huiyun Liu of the CNFIA for her help in data collection. This study was funded by the China 973 Program (Grant 2009CB118608), the Innovative Group Grant of the Natural Science Foundation of China (Grant 31121062), the Sino-United Kingdom Low Carbon Agriculture project (Grant FCO-C02/62.1001), and the United Kingdom-China UK-China Sustainable Agriculture Innovation Network (SAIN) program; it was also supported by the UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council.

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Footnotes

  • 1W.-f.Z. and Z.-x.D. contributed equally to this work.

  • 2To whom correspondence should be addressed. E-mail: zhangfs@cau.edu.cn.

  • Author contributions: W.-f.Z., D.P., and F.-S.Z. designed research; W.-f.Z., Z.-x.D., P.H., X.-T.J., D.P., D.C., D.N., Y.-L.L., and X.-P.C. performed research; W.-f.Z., Z.-x.D., P.H., Y.Z., and L.W. analyzed data; and W.-f.Z., Z.-x.D., D.P., D.C., and K.G.C. wrote the paper.

  • The authors declare no conflict of interest.

  • This article is a PNAS Direct Submission. J.S. is a guest editor invited by the Editorial Board.

  • This article contains supporting information online at www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1210447110/-/DCSupplemental.

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2013년 4월18일, 영국 서퍽에 있는 농지에서 바람으로 일어나는 토양침식의 모습.  사진: Alamy



새로운 보고서는 증가하는 세계 인구를 먹여살리려면 앞으로 40년 동안 식량 생산을 2배 이상으로 늘려야 할 것이라 한다. 그러나 세계의 식량 수요는 급격하게 증가하고 있으며, 여러 위기로 인한 제약이 늘어나고 있는 상황에 직면한 지구의 식량 생산력으로는 수십 억 명이 기아에 빠질 수 있다. 

유엔은 세계의 인구가 이번 세기 중반까지 현재 70억에서 93억으로 늘어날 것으로 예상한다. 지난주 세계자원연구소(WRI)에서 발표한 보고서에 따르면, 이렇게 늘어난 인구를 위해 적절한 식사를 보장하려면 "이용할 수 있는 세계의 식품 열량이 2006년 수준에서 약 60%까지 늘어나야 할 것이다." 현재 식량 손실과 폐기 비율을 감안하면, 2050년 평균 일일 음식 요구량과 이용할 수 있는 식량 사이의 차이는 약 "1인당 하루 900칼로리(kcal) 이상이 될 것이다."

보고서는 이 과제의 뿌리에 복잡하고 상호연결된 환경적 요인들이 놓여 있음을 확인한다. 그중 대부분이 공업형 농업 자체에서 발생한다. 온실가스 배출의 약 24%가 농업에서 발생한다. 거기에는 가축이 배출하는 메탄, 화학비료에서 오는 아산화질소, 농기계와 화학비료의 생산 및 토지 이용의 변화로 인해 발생하는 이산화탄소가 포함된다.

보고서에서는 공업형 농업이 기후변화의 주요 공헌자임을 밝힌다. 그 결과 더 집중적인 "폭염과 홍수, 강수 주기의 변화" 등이 발생해 "세계의 작물 수확량에 부정적 결과는 불러온다."

실제로, 세계의 농업은 모든 담수 사용의 79%를 차지할 정도로 물을 매우 집약적으로 이용한다. 농지에서 일어나는 양분의 유실은 "죽음의 구역"을 만들고, "세계 연안의 수역을 악화시키며", 기후변화는 작물 재배 지역에 계속해서 물 부족 현상을 강화시켜 식량 생산에 어려움이 닥칠 것이다. 

보고서는 또 다른 관련 요인들에 대해서도 경고한다. 지역적인 건조와 온난화로 인한 산림파괴, 연안 지역의 농경지에 영향을 미치는 해수면 상승, 늘어나는 인구로 인한 물 수요의 증가가 그것이다. 

하지만 보고서에서는 근본적인 문제가 토지에 대한 인간 활동의 영향이라고 지적하며, 이렇게 추정한다. 

"... 토양 황폐화는 세계의 작물 재배 지역 가운데 약 20%에 영향을 미친다."

지난 40년에 걸쳐, 약 20억 헥타르의 토양 -지구 면적의 15%에 해당(미국과 멕시코를 합친 것보다 큰 지역) - 이 인간 활동을 통해 황폐해졌고, 세계 농경지의 약 30%는 비생산적인 땅이 되었다. 그런데 침식으로 상실된 1mm의 겉흙이 만들어지려면 평균 100년이란 시간이 걸린다.

그러므로 사실상 토양은 재생불가능한, 급속하게 고갈되고 있는 자원이다. 

시간이 다 되어가고 있다. 보고서에서는 보수적으로 봐도 12년 안에 북남미, 동서 아프리카, 유럽 중부, 러시아만이 아니라 중동과 동남아시아 등 주요 식량 생산지역에서 심각한 물 부족으로 난리가 날 것이라고 추정한다. 

그러나 안타깝게도 보고서에서는 또 다른 중요한 요인을 간과하고 있다. 그것은 석유와 식량 사이의 뗄 수 없는 관계이다. 지난 10년 동안 식량과 연료의 가격은 밀접한 상관관계를 지녔다. 이는 우연이 아니다.

지난주 다섯 가지 농상품 -옥수수, 밀, 쌀, 콩, 팜유-를 조사한 세계은행의 새로운 보고서는 석유 가격의 상승이 식량 가격이 상승하는 데 가장 큰 기여를 했다는 사실을 확인했다. 회귀분석을 통해 특정 요인의 영향을 조사하고자 설계된 대수를 기반으로 하는 그 보고서는, 소비 수준이나 농상품 투기에 비례하여 이용할 수 있는 세계의 식량 재고량보다 석유 가격이 훨씬 더 중요하다고 결론을 내렸다. 따라서 세계은행은 식량 가격의 인플레이션을 잡는 핵심으로 석유 가격의 움직임을 제어하는 것이 좋다고 권고한다. 

석유와 식량 가격의 연결은 전혀 놀라운 일이 아니다. 미시간 대학의 연구는 산업화된 식량체계의 모든 주요 지점 -화학비료, 농약, 농기계, 식품가공, 포장, 운송- 이 석유와 가스 투입재에 매우 의존한다고 지적한다. 실제로 미국 경제를 지탱하는 화석연료의 19%가 식량체계로 가는데, 이는 자동차에 이어 두 번째이다.

1940년으로 돌아가면, 화석연료 에너지 1칼로리에 식량 에너지 2.3칼로리가 생산되었다. 현재 그 상황은 역전되었다. 1칼로리의 식량 에너지를 생산하기 위해 화석연료 에너지 10칼로리가 들어간다. 운동가이자 작가인 Michael Pollan 씨는 뉴욕타임스에서 이렇게 말했다.

"다르게 표현하면, 우리가 산업화된 식량체계를 통해 무언가를 먹을 때 우린 석유를 먹고 온실가스를 분출하고 있는 셈이다."

그러나 현재 고유가의 상태에 머물러 있다. 올해 영국 국방부의 평가에 따르면, 앞으로 30년 안에 1배럴에 500달러까지 오를 수 있다.

이러한 모든 요소가 점점 자멸적이게 되는 공업형 식량체계와 멈춤없이 증가하고 있는 세계 인구 사이의 수렴점으로 빠르게 접근하고 있다.

그런데 그 수렴점은 꿀벌의 치명적인 감소와 같은 예측하지 못한 일로 훨씬 빨리 올 수도 있다.

지난 10년에 걸쳐, 미국과 유럽의 양봉업자들은 연간 30% 이상의 벌떼가 사라지고 있다고 보고해 왔다. 그런데 지난 겨울 많은 미국의 양봉업자들은 40~50% 이상 사라지는 일을 경험했다. 일부 보고에서는 80~90%라고 한다. 전 세계에서 먹는 식량의 1/3이 수분매개체, 특히 꿀벌에 의존한다는 것을 감안할 때 이 현상이 세계의 농업에 미칠 영향은 치명적일 수 있다.  여러 연구에서는 농약, 기생진드기, 질병, 영양, 집약적 농법, 도시 개발 등 공업형 방식에 필수적인 요소들을 비판하고 있다.

그러나 특히 오랫동안 널리 사용된 살충제를 지목하고 있는 증거들이 있다. 예를 들어 유럽 식품안전청(EFSA)은 영국 정부의 유감에도  네오니코티노이드의 역할을 강조하여, 유럽연합에서 세 가지 일반적 살충제를 부분적으로 금지하는 것을 정당화하고 있다. 

현재 그에 대해 지난주 최신 과학적 경고가 발표되어, 유럽 식품안전청은 꿀벌에게 "매우 심각한 위험"을 가하는 또 다른 살충제인 피프로닐fipronil에 주목한다. 또한 연구에서는 수분매개체에 대한 위험을 포괄적으로 평가하는 것을 금지하고 있는 과학적 연구의 큰 정보격차를 지적했다. 

즉, 세계의 식량 상태는 이미 우리를 타격하고 있으며 앞으로 긴급조치가 없으면 더 심해질 위기와 긴밀히 연관된 최악의 상황에 직면해 있다.

그에 대한 답이 없는 것은 아니다. 지난해 과학자인 John Beddington 경 -17년 안에 식량과 물, 에너지 부족이란 최악의 상황에 대해 경고했던- 이 의장을 맡았던 지속가능한 농업과 기후변화에 대한 위원회는 더욱 지속가능한 농업으로 변화하도록 일곱 가지 구체적이고, 증거에 기반한 권고사항을 설정했다.

그러나 지금까지 정부는 그와 같은 경고를 무시해 왔다. 최근 리즈 대학의 연구는 아시아, 특히 인도와 중국, 파키스탄, 터키에서 앞으로 10년 안에 기후로 인한 심각한 가뭄이 옥수수와 밀 생산량을 엄청나게 저해하여 세계의 식량위기를 촉발할 것이라는 것을 밝혔다. 

토양침식, 토양 악화, 석유 가격, 벌의 군집붕괴, 인구 성장이란 요소가 갖는 의미는 극명하다. 산업문명은 잠식되고 있다. 방향을 바꾸지 않는다면, 앞으로 10년 안에 세계의 식량 종말을 시작으로 역사에서 침몰할 것이다. 


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N. 질소. 원자번호 7. 무색무취이지만 인간의 위장을 가득 채운다. 농업의 동력이자, 많은 이가 굶주리는 세계에서 풍요의 핵심이다. 

이 독립적인 요소 없이, 그리고 다른 가스와 결합하지 않으면, 광합성 조직은 제대로 기능하지 못한다. 단백질을 형성할 수 없고, 식물이 자랄 수 없다. 옥수수, 밀, 벼 등 인류가 생존을 위해 의존하는 빠르게 자라는 작물은 모든 식물 가운데 가장 질소에 굶주려 있다. 사실 그러한 작물은 자연이 제공하는 양보다 더 많이 요구한다.

현대화학으로 들어가자. 거대한 공장들이 대기 중에서 불활성 질소가스를 붙들어 천연가스의 수수와 화학적 결합을 시켜 식물들이 갈구하는 화합물을 만든다. 1년에 수억 톤 이상이 사용되는 질소비료는 풍성한 수확을 만들어낸다. 그것 없이 인간의 문명은 지금과 같은 모습으로 존재할 수 없다. 지구의 토양만으로는 70억 명이 늘 그렇듯이 먹는 충분한 식량을 기를 수 없다. 사실, 인간 육체의 근육과 장기 조직에서 발견되는 질소의 거의 절반이 비료공장에서 시작된 것이다. 

그러나 이 현대의 기적은 대가를 요구했다. 호수와 하천으로 유출된 질소가 야생동물의 숨통을 막고 있으며, 지하수를 오염시키고, 심지어 지구의 기후를 따뜻하게 만들고 있다. 굶주린 세계에서 수억 명의 입이 질소가 풍부한 단백질을 바라고 있는 지금, 비옥한 농지에 대한 우리의 수요를 이기고 깨끗한 물과 공기가 얼마나 살아남을 것인가?

질소의 딜레마는 음식을 사랑하지만 공급이 부족해질까 걱정하는 중국에서 가장 생생히 볼 수 있다. 일상적 관광객에게 그러한 우려는 이상해 보였다. 겉보기에는 모든 거리에 진수성찬이 마련되어 있다. 나는 난징 외곽의 식당에서 찐 생선, 튀긴 양갈비, 국화잎과 달걀국, 고구마로 만든 국수, 튀긴 브로콜리,  쌀밥 등 경이로운 음식의 행렬을 보았다. 

“늘 이렇게 잘 먹습니까?”라고 농학자 Liu Tianlong 씨에게 물었다.

소년처럼 미소를 띠다가 잠시 어두운 얼굴이 되었다. “아니요.” “내가 어렸을 때는 하루 세 끼만 먹어도 족했지요.”

Liu 씨는 1959~1961년 3000만 명이 굶어죽었다고 추산되는 중국의 대기근이 있었던 무렵에 어린 시절을 보냈다. 가뭄의 탓도 있었지만, 마오쩌둥의 변덕 때문에 대참사가 일어났다. 마오쩌둥의 대약진 정책은 농업을 집단화하고 농민들이 중앙집권적인 관청에 자신의 수확을 넘기도록 강제했다.

기근은 지나갔지만, 식량난은 농민이 다시 자기의 수확물에 대한 통제권을 되찾은 1970년대까지 이어졌다. “겨우 2년 만에 식량이 남게 되었다”고 장쑤성의 작은 마을에서 어린 시절을 보내며 당시 상황을 지켜본 Deli Chen 씨가 회상한다. Chen 씨는 현재 호주 멜버른 대학의 토양학자이다. 

하지만 중국의 새로운 농업 경영인들에게 또 다른 장벽이 생겼다. 농지의 제한이 그것이다. 중국의 인구는 1970~1990년 사이 3억 명이 증가했고, 중국의 전통적인 농업은 이들을 부양하려고 애썼다. 

난징 북서부 마을의 나이가 들었지만 기운찬 농부 Song Linyuan 씨는 예전에 1500평의 농지를 최대한 비옥하게 만들고자 집에서 나오는 쓰레기는 물론 돼지와 닭의 똥도 모아서 퇴비를 만들었다고 기억한다. 이러한 노력으로 아마 매년 농지에 수백 킬로그램의 질소를 넣었을 것이다. 그는 1200평당 1200~1500kg의 벼를 수확했다. 

그 양은 세계 어느 곳보다도 뛰어난 수확량이다. 그러나 현재 그는 그보다 2배 이상인 1200평당 3260kg을 수확한다. 많은 농민들이 꿈만 꾸던 수확량이다. 

차이는 무엇인가? 그는 “더 나은 비료이다”라고 한다. 우린 농민들에 둘러싸여 가게에 앉아 있었다. Song 씨의 대답에 사람들이 웅성거렸다. 일부는 비료가 핵심이라는 말에 동의했지만, 다른 사람들은 종자가 더 중요하다고 이야기했다. 실제로 두 가지 기술은 서로 얽혀 있다. 1950~1960년대 육종가들이 개발한 다수확 벼와 밀 품종이 더 많은 질소를 사용할 수 있게 만들었다. 

중국 정부는 그 작물들이 잘 자란다는 것을 확인했다. 1975~1995 사이 수백 개의 질소공장을 세웠고, 화학비료의 생산이 4배로 늘어 중국은 세계 최대의 생산자가 되었다. Song 씨는 현재 요소비료의 형태로 자신의 농지를 채워 예전보다 약 5배 많은 질소를 사용한다. 이는 1200평당 약 240kg의 질소를 넣는다는 것을 의미한다. 채소를 재배하는 농민들은 이보다 더 많이 사용한다. 일부 농민은 3000평당 1~2톤까지 질소를 넣는다. 그들 중 이것이 해롭다고 생각하는 사람은 거의 없다. 화학비료의 환경에 대한 영향을 묻자, “아니요, 오염은 없어요”라고 Song 씨는 말한다.

과학자들은 다르게 이야기한다. 집약적으로 관리되는 농지에서 “질소비료는 30~60% 정도 남용되고 있다”고 베이징 중국농업대학의 Xiaotang Ju 씨는 말한다. “오용입니다!” 농지에 뿌려진 질소 화합물은 달갑지 않은 방식으로 우리의 환경을 바꾸고 있다.  질소의 일부는 농지에서 직접적으로 씻겨가 하천으로 들어가거나 공기 중으로 달아난다. 일부는 곡물의 형태로 인간이나 가축이 섭취하지만, 하수나 세계의 농장에서 사육하는 돼지와 닭의 분뇨로 환경으로 배출되기도 한다. 

Deli Chen 씨는 어린 시절 물고기를 잡던 때를 회상한다. “강이 아주 맑았다. 강바닥까지 그대로 보였지.” 1980년쯤에는 “어디에서도 물고기를 볼 수 없었다.” 부영양화 현상으로 인하여 식물성 플랑크톤이 급증하면서 물이 뿌옇게 변했다. 최근 중국에서 전국의 40곳의 호수를 조사한 바에 따르면, 그 절반 이상이 지나친 질소나 인으로 문제가 발생하는 것으로 나타났다. (인 성분을 함유하고 있는 화학비료는 호수에서 조류의 성장에 책임이 있다고 지적되곤 한다.) 중국에서 세 번째로 큰 담수호인 타이 호는 가장 잘 알려진 사례이다. 이곳에서는 정기적으로 유해 남조류가 발생한다. 2007년 장쑤성 우시 인근의 도시에 사는 200만 명이 이로 오염된 물을 공급받기도 했다. 미시시피 강에서 흘러간 비료 성분이 멕시코만의 어업을 파괴하는 것과 같은 식으로 과도한 영양분이 중국 연안 지역의 어업에 피해를 주고 있다. 조류와 식물성 플랑크톤이 발생하여 죽어 분해되면서 산소를 너무 사용하여 만들어진 죽음의 구역으로 인해 물고기들이 질식하고 있다.

물론 먹을거리에 대한 우리의 수요에게만 책임이 있는 것은 아니다. 자동차와 발전기를 가동할 때 산화하여 대기 중으로 질소산화물이 방출되고, 그 화합물은 빗방울과 함께 땅으로 돌아와 화학비료와 똑같은 작용을 일으킨다. (이는 타이 호의 질수 부하 가운데 약 1/4을 차지한다.) 그러나 전 세계적으로 판매되는 화학비료가 매년 인간 활동이 생산하는 질소의 약 70%를 담당한다. 

토양에서 질산염을 먹는 박테리아는 이러한 파괴적인 형태의 질소를 대기의 약 80%를 구성하고 있는 원래의 상태로 전환시킬 수 있다. 하지만 이 과정에서 박테리아가 강력한 온실가스인 아산화질소를 소량 방출하기에 양날의 검이다. “영양분의 과부하 문제를 해결하는 것이 나의 꿈이다”라고 헤라클레스의 과제에 전념하는 과학자 네트워크의 일원인 Xiaotang Ju 씨는 말한다. Zhu Zhaoliang 씨는 1998년 중국의 공산당 대회에서 농업의 오염 문제가 지닌 심각성에 관해 강의하여 모두를 놀라게 했다. 당시 중국 공산당의 대표 장쩌민은 농업이 그렇게 심각한 오염을 일으킬 수 있는지 전혀 몰랐다고 응답했다. 

이러한 과학자들이 농민들과 함께 더 적은 화학비료로 수확량을 감소시키지 않고 생산비도 아끼면서 농사지을 수 있다는 것을 입증하기 위하여 작업을 시작했다. 그들은 퇴비의 사용을 홍보하고, 식물이 실제로 필요로 하는 양의 합성 화학비료를 주도록 농민을 교육하고 있다. 하지만 그들은 거의 진전되지 않았다고 인정한다. 가장 큰 장애물은 대부분의 중국 농민들이 비정규직이라는 점이다. 그들은 화학비료의 사용을 줄임으로써 돈을 절약하는 데에 별 관심이 없다. 그보다 더 중요한 일은 시간을 절약하고 일자리를 유지하는 것이어서, 효과는 신속하지만 비효율적으로 화학비료를 준다. 

식량난에 대한 공포가 여전히 중국인의 머릿속에 남아 환경에 대한 우려를 씻어내고 있다.  중국 농업정책센터의 이사 Huang Jikun 씨는 정부 관료에게 그들의 우려가 잘못이라고 설득하고자 여러 번 시도했다. “난 그들에게 중국은 어느 때보다 더 많은 식량을 확보하고 있다고 이야기했다.” 그러나 관료와 농민들은 더 적은 비료를 사용하면 수확량이 떨어지는 위험이 있다고 생각하는 듯하다. 

중국은 —그리고 다른 나라들도— 앞으로 더 많은 질소를 사용할 가능성이 높다. 인구는 계속해서 늘어나고 있으며, 더 많은 사람들이 육식을 즐기고 있다. 돼지나 소를 먹이기 위해서는 지금의 몇 배나 되는 농업 생산이 사람들을 직접적으로 먹이는 것보다 가축에게 사용되어야 한다. “중국인들이 서구 사회처럼 식습관을 바꾼다면, 환경 압력은 훨씬 높아질 것이다”라고 Xiaotang Ju 씨는 음침하게 말한다. “우린 이 문제를 해결해야 한다. 그렇지 않으면 정말로 큰일이 날 것이다.”

아이오와 주 서부의 작은 마을 Harlan 외곽에 있는 농장에서 해결의 단초를 엿볼 수 있다. 여기에서는 90마리의 소를 방목하고, 수백 마리의 돼지가 땅을 헤집으며, 알팔파와 옥수수, 콩, 귀리, 보리를 심는 농지로 둘러싸여 있다.

Ron과 Maria Rosmann 씨는 적어도 공장에서 생산되는 질소비료는 자신들의 농지에 뿌리지 않는다. 그 대신 대두와 알팔파, 클로버 같은 질소를 고정시키는 뿌리혹박테리아가 있는 콩과식물을 덮개작물로 가을에 심어서 생물학적으로 질소를 공급한다. 이 덮개작물은 봄철 옥수수를 심기 전에 갈아엎어 토양으로 집어넣는다. 그 질소의 일부는 옥수수가 이용하고, 그걸 돼지들에게 먹인다. 그 대부분은 결국 분뇨가 되어 다시 농지로 돌려주고 모든 것이 다시 순환된다. 다른 많은 유기농업 농민들과 달리 Rosmann 씨는 이웃에서 퇴비를 사들이지 않는다. 

“우리의 목표 가운데 하나는 닫힌체계를 유지하는 것입니다.” “우리는 유기농업이 해야 하는 일에 대한 모델입니다.”

우린 옥수수밭으로 걸어갔다. 옥수수가 우리 머리 위로 자라 있었다.  “이 옥수수를 보세요” Rosmann 씨가 기뻐했다. “우린 여기에서 5100kg의 옥수수를 수확했습니다.  많은 반대자들이 유기농업으로는 세계를 먹여 살리지 못한다고 말했지요. 난 그것이 거짓이라고 봅니다. 이 작물들을 보세요!”

그러나 Rosmann 씨의 방법은 그들 자신의 희생으로 수행된다. 이러한 방식의 농법은 더 많은 일을 해야 한다. 생물학적 효과는 질소공장보다 훨씬 느리게 작동한다. 알팔파처럼 토양의 질소 저장을 강화하는 작물은 많은 돈을 벌거나 질소에 굶주린 옥수수처럼 많은 사람들을 먹이지 못한다. 

이는 비단 미국만의 문제가 아니다. 중국보다 1인당 농지가 6배 이상인 미국은 사람들이 기꺼이 그에 대해 지불하려 한다면 환경을 보호하기 위해 덜 생산적인 작물을 심는 사치를 부릴 수 있다. 이 방법은 Rosmann 씨가 하는 것처럼 작동한다. 그는 정부에서 환경 보조금의 일부로 적은 직불금을 받고 자신의 유기농산물을 비싼 가격에 판매한다. 

그러나 모든 사람이 그 가격을 지불할 것인가? 그의 방법이 세계에서 가장 인구가 많은 국가를 먹여 살릴 수 있을까? 난징의 토양학 연구소에 있는 사무실에서 Zhu Zhaoliang 씨는 이 질문을 받고 크게 웃었다. “유기농업은 중국을 위한 해결책이 아니다”라고 단호하게 말한다. 

그러나 질소 오염을 줄이면서 뛰어난 수확을 올리는 것은 중도일 수 있고, 세계의 가장 활발한 연구 분야 가운데 일부는 그 방향으로 나아가는 길을 가리키고 있다. 정확히 3000평 크기의 농지들이 미시간 주립대학의 Kellogg 생물실험소의 일부를 구성한다. 20년 동안 이 농지에서는 관행농부터 유기농까지 네 가지 방식을 나란히 놓고 비교하기 위하여 옥수수와 콩, 밀을 매년 똑같은 주기로 재배하고 있다. 농지에 들어가거나 나가는 모든 것을 세심하게 측정한다. 강우량, 비료, 토양에서 방출되는 아산화질소, 지하수로 침출되는 물, 마지막으로 수확량까지. 

이 장기 실험의 설정을 도운 미시간 주립대학의 Phil Robertson 씨는 이 농지를 안내해 주었다. 그는 새롭고 “매우 놀라운” 자료를 공개하고 싶어 좀이 쑤셔 했다. 표준적인 경운과 시비 권장량에 따라 작물을 심은 각 농지는 지난 11년에 걸쳐 미시간 주의 지하수로 1200평당 210kg의 질소를 방출했다. “그래서 우리가 넣은 비료의 약 절반이 손실되었다”고 Robertson 씨는 말한다. 이 손실은 중국의 일반적인 양보다 훨씬 적다. 그러나 이보다 수억 평에 이르는 미국의 농지를 감안하면, 부영양화된 미시시피 강과 지하수로 인해 멕시코만에 엄청난 죽음의 구역을 만드는 오염을 발생시키기에 충분한 양이다. 

상업적인 화학비료나 퇴비를 넣지 않은 Robertson씨의 유기농 실험 농지는 그 양의 1/3만 손실되었다. 하지만 이 농지에서는 곡물이 20% 덜 생산되었다. 매우 흥미롭게도 적은 양의 화학비료를 넣었지만 겨울철 덮개작물을 심은 “저투입” 농지가 최고의 결과를 낳았다. 평균 수확량은 관행농 농지만큼 높지만 질소 유출은 유기농 농지 수준으로 매우 감소되었다. Robertson 씨는 미국의 농민들이 이 정도 수준으로 질소 손실을 줄일 수 있다면 습지와 하천을 깨끗하게 복원할 수 있을 것이라고 생각한다. 하지만 중국에서는 많은 농민들이 변화하기 어려울 수 있다. 가족의 생계가 걸려 있기에 적은 양보다 많은 양의 화학비료를 사용하는 것이 더 안전해 보일 수 있다. “현재로서 좋은 청지기가 되는 일은 불공평한 경제적 결과를 가져온다”고 Robertson 씨는 말한다.

아프리카의 경우에는 상업적 화학비료의 남용 문제가 사치스러워 보인다. 아프리카의 농민들은 평균적으로 1200평당 3kg이라는 아주 적은 양의 화학비료만 사용한다. 퇴비나 콩과작물 같은 대안적인 방법도 부족한 실정이다. 

아프리카 농촌 마을의 대부분은 악순환의 고리에 빠져 있다. 기아에 대한 두려움으로 그들은 최대의 열량을 제공하지만 토양에서 영양분을 앗아가는 경향이 있는 벼나 옥수수 같은 작물에 집중한다. 악화된 토지는 점점 수확량이 줄어들게 되고, 그로 인해 농민들은 화학비료 같은 어떠한 자원을 살 만한 재정적 여유도 없는 상태가 되고 있다. 그리고 상업적 화학비료에 대한 수요가 매우 적다 보니까 아무도 지역에서 그것을 생산하려 하지 않기에, 수입하여 매우 비싸다. 

많은 전문가들에 따르면, 아프리카의 토양은 채굴되고 있다.  자연적인 비옥함의 저장고 —지난 세월에 걸쳐 분해된 뿌리와 잎이란 유기물에 저장된 영양분— 가 그것을 대체하기보다 해마다 더 많은 질소와 인, 칼륨을 농업으로 추출함으로써 줄어들고 있다. 이는 땅의 의존하여 먹고 사는 사람들을 서서히 떠나게 만든다. 세계은행에 따르면, “장기적으로 재앙의 시나리오”라고 한다. 

사하라 사막 이남의 아프리카에서 평균 곡물 수확량은 1200평당 약 408kg으로, 중국 평균의 1/5 수준이다. 이 상황을 지켜보는 거의 모든 사람들이 아프리카의 농민들이 그 수확량과 생활을 개선하기 위해서는 더 많은 질소가 필요하다는 데에 동의한다. 그러나 그와 관련하여 격렬한 논쟁이 일어나고 있다. 

콜럼비아 대학 지구연구소의 Jeffrey Sachs 같은 사람들은 농업 생산을 증가시키려면 더 많은 상업적 화학비료가 필요하고, 가난한 아프리카의 농민들이 그것을 살 여유가 없다면 부유한 나라에서 그것을 제공해야 한다고 믿는다. 여러 아프리카 국가의 80곳의 마을에서 Sachs의 새천년 마을 프로젝트로 개량종 종자와 화학비료가 전달되었다. 그리고 그들의 자료에 따르면, 이 프로젝트는 큰 영향을 미치고 있다. 탄자니아와 케냐, 말라위의 새천년 마을에서 곡물 생산이 단숨에 2배가 되었다. 

2006년 말라위 정부는 전국 농민의 약 절반에게 값싼 화학비료를 제공하기 시작했다. 비록 많은 이가 부채를 안게 되었지만, 옥수수 생산량이 2배가 되었다. 그러나 이 프로그램은 미래에 대한 불안을 낳고 있다. 화학비료 보조금은 1970~1980년대 많은 아프리카 국가에서 시도되었지만 부정부패로 값비싼 대가를 치렀기에 그다지 호의적이지 않다. 말라위의 현형 보조금 프로그램은 이미 위기에 봉착했다. 그에 대한 정부의 재정이 고갈되고 있다. (아프리카에서 확산되고 있는 화학비료를 활용하는 '녹색혁명' 이야기와 그 문제점에 대해서는 르완다의 사례도 흥미롭다 http://blog.daum.net/stonehinge/8724800 )

“아프리카는 막대한 양의 화학비료를 살 여유가 없다”고 미시간 주립대학의 작물학자 Sieglinde Snapp 씨는 말한다. 그녀는 더욱 지속가능한 방법은 질소고정 식물을 활용하는 것이라 한다. 말라위에서 수천 가구의 가족농이 그들의 농지에소 일부 옥수수를 대체하여 질소를 고정하는 비둘기콩과 땅콩 등을 재배하기 시작했다. 이는 지역의 병원, 농민, 농업연구자들에 의해 시작된 10년의 역사를 지닌 실험의 일부이다. (말라위에서 실시되고 있는 보존농업에 대한 영상 http://blog.daum.net/stonehinge/8726441)

비둘기콩이 토양을 더 비옥하기 만들기에, 다음 농사철의 옥수수 수확량이 더 늘어났다. 더 적은 땅에 옥수수를 심어도 그것이 보상되었다. “더 적은 옥수수가 곧 더 많은 옥수수이다”라고 Snapp 씨는 말한다. 또한 비둘기콩이 영양가와 단백질이 더욱 풍부한 식사를 제공한 것은 덤이었다. “그러나 이것이 하루아침에 이루어진 것은 아니다”라고 Snapp 씨는 말한다. “콩과작물을 어떻게 활용하는지에 대한 교육이 이루어졌다. 병원이 함께 참여하여 그에 20년이 걸렸다. 사람들이 자신의 요리법을 바꾸었다.” (이와 비슷한 사례로 아프리카의 건조지역에서 콩과식물인 '무군가'라는 나무를 활용하여 혼농임업의 방식으로 농업 생산량을 증진시킨 실험이 존재한다 http://blog.daum.net/stonehinge/8723812)

Snapp 씨의 의견은 이 전 세계적인 과제에 몰두하는 많은 사람들에게 반향을 일으켰다. 중국 농업에 가장 필요한 일이 무엇이냐고 묻자 토양학자인 Zhu Zhaoliang 씨가 곧바로 “더욱 규모화”하는 것이라 대답했다. 이는 더 크고, 더 능숙하게 농장을 관리하는 것을 의미한다. 아이오와에서 Ron Rosmann 씨는 질소를 넣지 않는 농사는 “더 많은 관리와 노동력, 세세한 부분에 대한 관심이 필요하다. 우리는 일종의 광신자이다”라고 표현한다. (이러한 대안적인 농법 또는 전통농업의 사례를 발굴하여 활용함으로써 지역 공동체와 농업을 부활시킨 사레들은 <농업이 문명을 움직인다>에 다양하게 소개되어 있다 http://blog.daum.net/stonehinge/8728255)

100년 전 화학자 프리츠 하버가 처음으로 공기에서 질소를 포착하는 방법을 알아냈을 때, 합성 화학비료는 농업의 가장 중요한 영양분을 무한정으로 공급하여 식량난을 해결하는 지름길 같아 보였다. 그러나 질소에 대한 새로운 한계가 나타나고 있다. 이 시간 인류와 지구를 구하기 위한 혁신은 화학 실험실에서 발명되지 않을 수 있다. 세계 곳곳에 있는 농민들과 농지에서 시작되고 있을지 모른다. 



출처 http://ngm.nationalgeographic.com/2013/05/fertilized-world/charles-text

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질소비료는 이제 농업에서 빼놓을 수 없는 요소가 되었다.

실제로 그 덕에 늘어난 생산량으로 인하여 70억이라는 세계의 인구가 먹고 산다.

그러나 아래 정보도의 설명에 따르면, 사하라 사막 이남의 아프리카 지역에서는 여전히 2억3900만 명이 화학비료를 살 수 있는 여력이 안 되어 농업생산성이 떨어지기에 기아에 허덕이고 있다. 

그런가 하면 다른 지역에서는 너무 질소비료를 많이 사용하여 토양과 수질을 오염시키고, 온실가스 배출의 주범이 되고 있다.

아래의 지도에서 보이듯이 주로 경제적으로 여유가 있으며, 극소수의 농민이 대다수의 도시민을 먹여 살려야 하는 선진국이나 인구가 지나치게 많은 인도나 중국 등지에서 그러한 일이 벌어지고 있다.

한국도 거기에서 예외가 아니다. 여름이면 발생하는 하천과 저수지의 녹조와 바다의 적조는 그러한 요인 때문에 발생하는 것이다. 꼭 4대강만이 범인이 아니라는 것이다.




오세아니아 지역은 천혜의 땅이로구나. 귀농을 한다면 호주로 하는 것도 좋겠다.



아프리카는 역시 가난하여 화학비료를 이용할 능력이 부족하다. 앞으로 아프리카에서도 화학비료의 사용량이 늘어날 텐데 어쩔 것인가?



중남미도 아직은 양호한 수준이다. 



유럽은 많이 사용하고 있구나. 가만 보면 농업이 산업화된 국가들이 문제이다.



미국은 더 말할 것도 없다. 



아시아 지역이 어마어마한 까닭은 그만큼 인구가 많기 때문일 것이다. 중국과 인도만 해도 25억 명으로 세계 인구의 약 30%를 차지하고, 거기에 기타 지역까지 합치면 세계 인구의 절반 정도가 모여 사는 곳이 바로 아시아 아닐까?

그만큼 먹고 살기 위해서 화학비료를 많이 사용하기에 이런 결과가 나타나는 것이겠지.



출처 http://ngm.nationalgeographic.com/2013/05/fertilized-world/nitrogen-flow-graphic

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By Robert Sanders, Media Relations | April 2, 2012

BERKELEY —

University of California, Berkeley, chemists have found a smoking gun proving that increased fertilizer use over the past 50 years is responsible for a dramatic rise in atmospheric nitrous oxide, which is a major greenhouse gas contributing to global climate change.

Cape Grim, Tasmania.

The Cape Grim Baseline Air Pollution Station in Tasmania, where air samples have been collected since 1978. These samples show a long-term trend in isotopic composition that confirms that nitrogen-based fertilizer is largely responsible for the 20 percent increase in atmospheric nitrous oxide since the Industrial Revolution. Photo courtesy of CSIRO.

Climate scientists have assumed that the cause of the increased nitrous oxide was nitrogen-based fertilizer, which stimulates microbes in the soil to convert nitrogen to nitrous oxide at a faster rate than normal.

The new study, reported in the April issue of the journal Nature Geoscience, uses nitrogen isotope data to identify the unmistakable fingerprint of fertilizer use in archived air samples from Antarctica and Tasmania.

“Our study is the first to show empirically from the data at hand alone that the nitrogen isotope ratio in the atmosphere and how it has changed over time is a fingerprint of fertilizer use,” said study leader Kristie Boering, a UC Berkeley professor of chemistry and of earth and planetary science.

“We are not vilifying fertilizer. We can’t just stop using fertilizer,” she added. “But we hope this study will contribute to changes in fertilizer use and agricultural practices that will help to mitigate the release of nitrous oxide into the atmosphere.”

Since the year 1750, nitrous oxide levels have risen 20 percent – from below 270 parts per billion (ppb) to more than 320 ppb. After carbon dioxide and methane, nitrous oxide (N2O) is the most potent greenhouse gas, trapping heat and contributing to global warming. It also destroys stratospheric ozone, which protects the planet from harmful ultraviolet rays.

Not surprisingly, a steep ramp-up in atmospheric nitrous oxide coincided with the green revolution that increased dramatically in the 1960s, when inexpensive, synthetic fertilizer and other developments boosted food production worldwide, feeding a burgeoning global population.

Tracking the origin of nitrous oxide in the atmosphere, however, is difficult because a molecule from a fertilized field looks identical to one from a natural forest or the ocean if you only measure total concentration. But a quirk of microbial metabolism affects the isotope ratio of the nitrogen the N2O microbes give off, producing a telltale fingerprint that can be detected with sensitive techniques.

Archived air from Cape Grim

Boering and her colleagues, including former UC Berkeley graduate students Sunyoung Park and Phillip Croteau, obtained air samples from Antarctic ice, called firn air, dating from 1940 to 2005, and from an atmospheric monitoring station at Cape Grim, Tasmania, which has archived air back to 1978.

ice core

Law Dome, Antarctica. Air trapped in the consolidated snow from this region provides historical air samples going back to 1940.

Analysis of N2O levels in the Cape Grim air samples revealed a seasonal cycle, which has been known before. But isotopic measurements by a very sensitive isotope ratio mass spectrometer also displayed a seasonal cycle, which had not been observed before. At Cape Grim, the isotopes show that the seasonal cycle is due both to the circulation of air returning from the stratosphere, where N2O is destroyed after an average lifetime of 120 years, and to seasonal changes in the ocean, most likely upwelling that releases more N2O at some times of year than at others.

“The fact that the isotopic composition of N2O shows a coherent signal in space and time is exciting, because now you have a way to differentiate agricultural N2O from natural ocean N2O from Amazon forest emissions from N2O returning from the stratosphere,” Boering said. “In addition, you also now have a way to check whether your international neighbors are abiding by agreements they’ve made to mitigate N2O emissions. It is a tool that, ultimately, we can use to verify whether N2O emissions by agriculture or biofuel production are in line with what they say they are.”

Changes in fertilizer use can reduce N2O emissions

Limiting nitrous oxide emissions could be part of a first step toward reducing all greenhouse gases and lessening global warming, Boering said, especially since immediately reducing global carbon dioxide emissions is proving difficult from a political standpoint. In particular, reducing nitrous oxide emissions can initially offset more than its fair share of greenhouse gas emissions overall, since N2O traps heat at a different wavelength than CO2 and clogs a “window” that allows Earth to cool off independent of CO2 levels.

“On a pound for pound basis, it is really worthwhile to figure how to limit our emissions of N2O and methane,” she said. “Limiting N2O emissions can buy us a little more time in figuring out how to reduce CO2 emissions.”

Finding the fingerprint of fertilized microbes

Boering was able to trace the source of N2O because bacteria in a nitrogen-rich environment, such as a freshly fertilized field, prefer to use nitrogen-14 (14N), the most common isotope, instead of nitrogen-15 (15N).

“Microbes on a spa weekend can afford to discriminate against nitrogen-15, so the fingerprint of N2O from a fertilized field is a greater proportion of nitrogen-14,” Boering said. “Our study is the first to show empirically from the data at hand alone that the nitrogen isotope ratio in the atmosphere and how it has changed over time is a fingerprint of fertilizer use.”

Just as telling is the isotope ratio of the central nitrogen atom in the N-N-O molecule. By measuring the nitrogen isotope ratio overall, the isotope ratio in the central nitrogen atom, and contrasting these with the oxygen-18/oxygen-16 isotope ratio, which has not changed over the past 65 years, they were able to paint a consistent picture pointing at fertilizer as the major source of increased atmospheric N2O .

The isotope ratios also revealed that fertilizer use has caused a shift in the way soil microbes produce N2O. The relative output of bacteria that produce N2O by nitrification grew from 13 to 23 percent worldwide, while the relative output of bacteria that produce N2O by denitrification – typically in the absence of oxygen – dropped from 87 to 77 percent. Although the numbers themselves are uncertain, these are the first numerical estimates of these global trends over time, made possible by the unique archived air dataset of this study.

One approach, for example, is to time fertilizer application to avoid rain, because wet and happy soil microbes can produce sudden bursts of nitrous oxide. Changes in the way fields are tilled, when they are fertilized and how much is used can reduce N2O production.

Boering’s studies, which involve analyzing the isotopic fingerprints of nitrous oxide from different sources, could help farmers determine which strategies are most effective. It could also help assess the potential negative impacts of growing crops for biofuels, since some feedstocks may require fertilizer that will generate N2O that offsets their carbon neutrality.

“This new evidence of the budget of nitrous oxide allows us to better predict its future changes– and therefore its impacts on climate and stratospheric ozone depletion – for different scenarios of fertilizer use in support of rising populations and increased production for bio-energy,” said coauthor David Etheridge of the Centre for Australian Weather and Climate Research in Aspendale, Victoria.

Boering’s colleagues include D. M. Etheridge, P. J. Fraser, P. B. Krummel, R. L. Langenfelds, L. P. Steele and C. M. Trudinger of the Centre for Australian Weather and Climate Research; D. Ferretti of the National Institute of Water and Atmospheric Research in Wellington, New Zealand; K-R. Kim of the School of Earth and Environmental Sciences at Seoul National University in Korea; and T. D. van Ommen of the Australian Antarctic Division in Tasmania. Park is now at Seoul National University, while Croteau is at Aerodyne Research, Inc., in Billerica, Mass.

The work was supported by UC Berkeley’s Atmospheric Sciences Center, NASA’s Upper Atmosphere Research Program, the Camille Dreyfus Teacher-Scholar Award, the Brain 21 Korea Program, a Korean government research grant through Seoul National University, and the Australian government’s Cooperative Research Centres Programme.

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