@農자료창고

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

콩科 작물을 응용할 줄 알아야 농업에 성공한다!

값비싼 비료 가격을 절약하고 유기농업을 위해 퇴비와 함께 주목받고 있는 것이 '콩과 작물(한해살이와 여러해살이)'이다. '콩과 작물'이 공기의 질소를 체내에 흡수시키는 능력이 있다는 것은 이미 잘 알려져 있으나, 그밖에도 많은 능력이 있다는 것은 별로 알려져 있지 않았다.
일본의 진보성향 농업전문지 「現代農業」(1946년 창간)에서는 '콩과 작물'의 잘 알려져 있지 않은 여러 기능을 소개했다. 그 내용을 알아본다.

Ⅰ. 「콩科 작물」의 능력은 광범위하다.

※ 콩 박사에게 듣는 콩科 작물의 콩 지식

콩과 작물이 갖고 있는 질소고정력은 어느 정도인가? 어떤 구조인가? 질소고정 이외의 콩과 작물의 효용은?  콩 박사에게 들어본다.

「콩科 작물」의 생물고정질소는 공업 생산의 2배 이상

Q : 박사님. 콩과 작물에 의한 공중질소 고정이라는 것은 어느 정도의 양인지요. 식물(작물)종류에 따라서도 다르겠지요?

답 : 대두를 예로 들면, 과거의 연구에 따라 숫자에 폭이 있는데, 적게는 10a에 10kg 정도, 최대는 45kg라는 보고가 있습니다. 그 외 콩과 작물의 최대치는 강낭콩 17kg, 땅콩 21kg, 잠두콩 33kg라고 하니까, 대두의 질소고정 능력은 콩과 작물 가운데서 꽤나 높은 편입니다. 단, 대두보다는 클로버가, 클로버보다는 알팔파가 질소고정량이 더 많다고 알려져 있습니다. 그 외 녹비로 잘 쓰는 콩과 작물로는 세스바니아가 5.9~26.7kg, 크로타라리아가 12.5kg라는 연구도 있습니다.
대기의 성분에서 79%가 질소이고, 20%가 산소, 1%가 불활성가스입니다. 질소가 80%를 차지합니다. 지구의 규모로 볼 때 이 질소가스에서 인간이 에너지를 소비하여 공업적으로 생산하는 질소비료는 연간 8,000만 톤입니다. 그에 비해 콩과 작물 등 생물에 의해 대기에서 고정되는 질소는 18,000만톤이나 된다고 추정됩니다. 어떻습니까? 이것을 비료로 살리면 안 된다는 법은 없지 않습니까!


콩 농사 다음에 벼를 심었을 때 벼가 쓰러지는 것은 질소고정 때문?

Q : 분명히 앞그루 대두 다음에 고시히카리를 심으면 잘 쓰러진다고 하는데요?

답 : 그렇지 않습니다. 앞그루 대두 다음 벼가 쓰러지는 것은 대두로 인해 흙이 비옥해졌지만 그 원인은 아니지요. 대두를 수확하면 토양의 질소는 감소합니다. 왜냐하면 대두는 공중질소를 고정하여 체내에 흡수하는데, 그것은 대두가 쓰는 질소의 30~70%이고 나머지는 땅에서 흡수합니다. 더구나 흡수한 질소 가운데 70%는 콩으로 보내니까 기타 비료분을 보충하지 않고 콩을 수확한 다음 벼를 심으면 땅은 피폐해질 수밖에 없습니다.

Q : 그렇다면 왜 고시히카리는 쓰러질까요?

답 : 대두를 기르기 위해 논을 밭으로 만들면 논일 때는 느리던 흙 속의 유기물 분해속도가 빨라지기 때문입니다. ‘건토乾土 효과’라는 것이지요. 무논일 때는 유기물의 분해보다 축적 쪽이 강해서 ‘정기 예금’처럼 축적되었던 질소가 밭이 되면서 ‘자유입출금 통장’이 됩니다. 즉 단백질 등 이용하기 어렵던 형태의 성분이 질소분해가 진행되어 아미노산, 암모니아, 초산 등 쓰기쉬운 질소로 변하기 때문에 대두 농사 다음에 벼농사 때는 흡수가 잘 됩니다. 밭 상태가 계속되어 예금을 다 쓰고 나면 건토 효과도 없어집니다. 보충하지 않으면 논밭은 피폐해질 뿐입니다. 하지만 콩과 작물을 녹비로 쓰면 상황은 달라집니다. 공중질소 고정으로 콩과 작물이 비축한 질소가 유기물로서 흙 속으로 들어가니까 토지는 비옥해집니다.

질소비료가 많으면 근립균 활동은 저하

Q : 공중질소 고정이란 것이 대단한 힘이네요. 그런데 콩과 작물은 어떻게 공기의 질소를 체내에 흡수할 수 있을까요?

답 : 지금까지 여러 번 이름이 나왔던 근립균 활동 때문입니다. 콩과 작물이 흙 속에서 뿌리를 내릴때 근처에 있던 근립균이 내는 신호를 감지하고 근모根毛 끝이 작동합니다. 이것이 ‘어서오십시오’라는 뿌리의 신호를 받고 근립균은 근모를 통해 콩과 작물의 뿌리를 통해서 속으로 들어갑니다. 그러면 뿌리에 글자 그대로 ‘근립根粒’이 생기며 근립균은 이 안에서 콩과 작물이 광합성으로 만든 당분을 흡수하면서 ‘니토로게나제’라는 효소를 방출하여 공기의 질소를 암모니아로 바꾸어 나갑니다.
단 토양에 질소비료가 많으면 근립균 활동은 저하되고 맙니다. 뿌리에 들어가는 근립균이 적어질 뿐만 아니라, 근립이 있어도 질소비료가 많은 환경이 되면 질소고정을 하지 않게 됩니다. 아마 콩과 작물자체가 토양의 질소비료 양에 맞추어 통제하는 것 같습니다. 토양에 질소비료가 많으면 콩과 작물은 공중질소 고정보다 토양에서 흡수하는 쪽을 선택합니다. 역으로 말하면 콩과 작물의 질소고정력을 살리려면 질소비료는 그다지 주지 않는 것이 좋습니다.

물에 강하고, 가뭄에도 강한 콩과 작물

Q, 콩과 작물의 질소고정력을 높이려면 그밖에 어떤 것을 주의해야 할까요.

답, : 근립으로의 질소고정은 호기好氣성 호흡으로 에너지를 얻을 필요가 있습니다. 그렇기 때문에 통기성이 중요하지요. 즉 산소가 필요합니다. 하지만 너무 습한 상태에 강한 콩과 작물도 있습니다. 세스바니아의 경우, 근립 외에 공중질소를 고정하는 ’경립莖粒’이 줄기에 생깁니다. 그렇기 때문에 뿌리가 물에 젖어 있어도 질소고정은 됩니다. 줄기로 질소고정이 되기 때문에 토양에 질소가 많아도 질소고정 능력이 저하되지 않는다는 특성도 있습니다. 세스바니아는 생육이 왕성하여 키가 3m를 넘을 정도입니다. 그렇기 때문에 유기물을 많이 확보할 수 있으며 뿌리도 깊이 자라는 것은 물런 밭의 물빠짐 효과도 높입니다.
난지暖地형 콩과 작물인 프아진비도 내습성耐濕性이 강합니다. 그렇기 때문에 최근에는 사료용 벼와 섞어 뿌려 단백질 함량이 높은 조사료를 만드는 연구도 하고 있습니다.

Q 반대로 가뭄이라면 어떨까요?

답 : 수분이 적어지면 질소고정력은 떨어집니다. 대두를 재배할 때 꽃이 필 때부터 익을 때는 벼 이상으로 수분이 필요합니다. 논두렁에 콩이 잘되고 두둑 사이에 물을 대어 대두가 잘된다고 하는 것도 여름 가뭄에 의한 질소고정력 저하를 피하기 때문입니다. 가뭄에 대한 강약은 콩과 작물의 종류에 따라 차이가 있습니다. 대두는 약하지만 땅콩, 잠두콩, 병아리콩 등은 비교적 강합니다.
통기성과 수분을 적절하게 할 수 있다면 질소고정력도 높아집니다. 조금전 대두가 지력을 뺏는다는 말을 했을때 대두가 쓰는 질소 가운데 질소고정 유래由來 몫은 30~70%라고 했는데, 이는 일본의 경우입니다. 일본보다 대두를 많이 심는 브라질은 70~90%를 공중질소로 메우고 있습니다. 일본의 대두도 앞그루였던 논이 가진 관수 기능을 활용하면서 통기성도 좋게 하고 질소고정능력을 더욱더 끌어올리면 수확을 올릴 수 있습니다.


C/N 비율로 추측할 수 있는 콩과 작물의 질소비료 효과

Q : 녹비로 갈아엎을 때 조심해야 할 것은?

답 : 녹비분해 진행법은 C/N比(탄소율)에 의하여 결정된다는 것을 우선 염두에 두는 것이 좋습니다. C/N比가 높은, 곧 질소에 비해 탄소 비율이 높은 녹비의 분해는 늦으며 C/N比가 낮고 질소비율이 높은 녹비는 분해가 빠릅니다. 목질木質로 줄기가 탄탄한 녹비일수록 분해가 늦어집니다.
콩과 작물의 C/N比는 대개 20 이하로 낮아 분해가 빠릅니다. 갈아엎을 때 비료를 줄 필요는 없지만 주의할 것은 엎는 시기가 늦어지면 C/N比가 극단적으로 높아지는 종류가 있다는 것입니다. 예를 들면 크로타리아의 경우입니다. 꽃이 다 피고 생육이 진행된 크로타리아의 C/N比는 40이나 됩니다.
C/N比가 30을 넘으면 분해할 때 질소를 방출하지 않고 가두어 버립니다. 이러한 녹비를 갈아 엎을 때는 황산암모늄이나 석회질소로 질소를 보충하지 않으면 뒷그루 작물이 질소가 부족한 상태에 빠지게 됩니다. 다음 표는 C/N比가 어느 정도일 때 어느 정도의 질소성분(총질소량)을 함유하며, 뒷그루의 질소는 얼마나 감비되는지의 기준입니다. C/N比가 높을수록 뒷그루 작물이 이용할 수 있는 질소 비율은 떨어지게 됩니다. 또한 녹비를 갈아엎은 뒤 뒷그루의 파종과 아주심기를 할 때까지는 한달 이상 기다리는 것이 좋습니다.

콩과 작물, 섞어짓기로 생육이 잘되는 시스템

Q : 콩과 작물에는 녹비로 사용하는 것 말고 섞어짓기하면 생육이 좋아지는 현상도 있습니다. 콩과 작물이 고정한 질소는 같이 심은 다른 작물에게도 공급이 되는지요?

답 : 오이, 고구마, 대두(풋콩), 토마토, 피망, 땅콩 등 섞어짓기 효과가 있다는 예는 많이 나왔습니다. 뿌리에서 떨어진 근립, 떨어진 잎과 뿌리 등 콩과 작물인 경우는 다른 작물보다 C/N比가 낮아서 분해가 빨라 옆 작물에 거름기가 공급될 수 있습니다. 그러나 그뿐만이 아니라고 생각합니다. 지금까지 콩과 작물의 질소고정력을 중심으로 말했는데, 콩과 작물의 비료로서의 효용은 질소뿐만이 아닙니다. 예를 들어 흙 속에 고정되어 있는 인산이나 미네랄을 작물이 흡수하기 쉽게 하는 효과 등 콩과 작물의 뿌리에는 균근균이 공생하기 때문입니다.
백색클로버와 옥수수를 섞어짓기하여 옥수수 뿌리에 공생하는 균근균이 증가하였다는 보도도 있었습니다. 인산을 주지 않아도 인산을 준 것과 같은 수확량을 얻었다는 결과가 나왔습니다. 털갈퀴덩굴 다음에도 양파, 대두, 옥수수 등의 균근균의 증가율이 높았다는 연구도 있습니다.
콩과 작물과 돌려짓기, 섞어짓기하면 균근균 감수성 작물(아브라나과, 아가자과 이외)이라면 증식된 균근균 활동으로 인산의 흡수가 촉진된다고 할 수 있습니다. 특히 대두는 균근균 포자를 증식하는 능력이 강하다는 연구도 있습니다. 또한 땅콩에는 균근균 활동과는 별도로 철분과 붙은 난용難溶성 인산을 녹이는 특별한 능력이 있다는 것이 알려졌습니다.
콩과 작물로 인하여 흙 속에서 증식된 근립균이 질소고정 이외의 작용도 하고 있다는 연구도 있습니다. 콩과 작물을 벨 때 고사枯死하여 흙으로 돌아간 근립균이 콩과 작물 이외의 작물 뿌리 영역에서 증식하여 ‘식물생물植物生物 촉진근권세균促進根圈細菌(PGPR)’으로서 작물생육을 촉진한다고 합니다.

콩과 작물의 뿌리가 가져오는 수분 공급 효과

또 하나 최신 연구로 ‘식물 스프링클러’라는 기술이 개발되었습니다. 이것은 아주 재미있는 내용인데, 예를 들어 백색클로버, 알팔파, 세스바니아, 기마메 등 콩과 작물의 뿌리는 흙 속 깊은 곳에서 빨아올린 수분을 기공이 닫히는 밤에 표층의 마른 흙으로 배출한다는 것입니다. 알팔파 같은 재생력이 강한 식물이라면 지표 부분을 베어내 증산蒸散을 억제함으로써 낮에도 같은 현상이 일어나고 있는 것이 확인되었습니다. (「콩과 작물」외에 기니아그라스도 같은 작용을 합니다.)
이런 현상을 이용하면 건조한 곳에서는 뿌리를 깊이 내리는 기마메를 다른 작물에 섞어짓기함으로써 값싼 관개시설을 배치한 것과 같은 효과를 기대할 수 있습니다. 극단적인 건조지대가 아니더라도 섞어심은 클로버를 베어내 덮어주면 유기물을 덮어 수분이 공급되는 효과도 있으니 미생물의 활동이 한층 활발해질 수도 있습니다.