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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
Balancekg 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.

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.

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. 10Table 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 (1415), 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−151.343.732.8
Energy use in N product manufacturingUreaGJ t N−18.98.07.0
AN3.51.60
N2O emission in AN manufacturekg N2O t HNO3-18.01.90.5
  • *Coal bed methane recovery is reported to be 15–23% in China (1415); 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 (520), 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−10.0980.04§
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).

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.

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].

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 (1435). 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).

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.

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.

References

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http://www.pnas.org/content/110/21/8375.full?sid=bf683b85-cd85-4ea6-ac89-e0bd130bc9af#sec-7

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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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먼저 아래는 1990~2012년 사이 세계의 곡물 생산량과 재고율을 보여주는 표이다.



이를 한눈에 알아보기 쉽도록 다른 그래프로 살펴보자.





위 그래프에서 보이는 바와 같이 세계의 곡물 생산량은 꾸준히 증가하는 추세이나, 해에 따라 기후변화의 영향이 심해지면 생산량이 조금씩 감소하기도 한다(http://blog.daum.net/stonehinge/8728062).

그런데 생산량이 꾸준히 느는 것과 관계없이 재고율은 점점 떨어지는 경향을 볼 수 있다.

이는 빠르게 증가하고 있는 세계의 인구 때문인데, 현재 70억의 인구가 앞으로 2050년이면 90억을 돌파할 것으로 예상되어 곡물 생산량을 현재의 수준보다 70% 정도를 증가시켜야 한다고 전망한다.

그래야만 인간들이 서로 싸우지 않고 사이좋게 지낼 수 있을 것이라는 이야기이다.



그렇다면 현재 세계의 토지가 어떻게 이용되는지 살펴보자. 인간이 이용하는 토지를 크게 초지와 농지로 나눌 수 있다. 



초지에서는 당연히 목축이나 축산 등을 중심으로 하고, 농지에서는 농업이 주를 이룬다. 물론 두 가지 형태가 혼합되어 나타나는 곳도 있을 것이다. 과거에는 농지에는 정주민이, 초지에는 유목민이 깃들어 살았다.


이 가운데 방목을 하는 곳만 따로 분리하면 아래와 같다.



역시 중앙아시아 쪽과 호주 및 미국에서 가축을 방목하는 데에 많은 토지를 사용하고 있다. 이렇게 세계의 토지 가운데 약 75%가 고기를 생산하는 데 사용되고 있다. 이를 줄이지 못하면 기아문제니 식량문제니 하는 문제를 해결하기 어려운데, 일단 가장 쉬운 방법은 고기 소비를 좀 줄이는 것이다. 


그럼 축산농가는 무엇을 먹고 사느냐고? 그 대신 축산농가는 대량생산이 아닌 양질의 고기를 생산하는 데 초점을 맞출 수 있겠다. 그로 인하여 줄어드는 판매량은 양질의 고기가 갖는 가격 프리미엄으로 보상받는 길이 있다. 그러면 자연히 동물복지나 공장식 축산으로 인한 환경문제도 해결될 수 있다. 그런데 문제는 '생존'. 저놈이 나와의 암묵적 합의를 어기고 대량으로 싸게 후려치면 그때부터는 다시 싸움판으로 변할 가능성이 존재한다. 그래서 정책과 제도, 법이 필요한 법. 정부의 중재, 통제하는 역할이 중요하다.



다음으로는 인간이 이용하는 주요한 세 가지 작물의 재배지역을 살펴보자. 그것은 밀, 옥수수, 벼이다.


먼저 세계의 밀 재배지역이다.



역시 유럽과 서아시아, 중앙아시아, 중국 화북지방, 미국과 호주 등지에서 널리 재배, 이용한다




다음은 세계의 옥수수 재배지역. 



옥수수의 원산지 중미와 브라질, 아르헨티나 및 미국 중서부의 옥수수 벨트, 발칸반도 일대와 아프리카 사하라 이남, 중국 화북지방 및 만주에서 널리 재배하는 모습이다.



마지막으로 세계의 벼 재배지역. 



역시 벼, 곧 쌀밥 문화권은 아시아 지역을 중심으로 형성된다. 미국과 남미, 유럽과 서아프리카의 일부 지역에서도 재배하기는 하지만 아시아에 비해서는 미미한 수준. 


벼와 관련하여 빼놓을 수 없는 것이 있다. 그 옛날부터 물꼬 싸움으로 치고받았다는 것처럼 바로 '물'이다. 특히나 관개를 하는 농지의 비율을 살펴보자.



역시 벼농사 지대에서 관개용수를 많이 사용하는 것을 확인할 수 있다.

그런데, 벼농사 지대 이외의 곳에서도 꽤 많은 관개용수를 사용하는 곳을 볼 수 있다. 바로, 미국과 중동 쪽이다. 이런 곳에서는 지나친 지하수 사용으로 지하수 고갈 등과 같은 또 다른 문제를 야기할 수 있다. 


관개용수의 남용과 함께 시너지 효과(?)를 일으킬 요소가 있으니, 그것은 바로 질소비료의 남용이다. 관개용수에 질소비료가 녹아 지하수와 강, 바다, 호수로 흘러들어가면 그 유명한 녹조 현상이 발생한다. 이것이 바다에서는 적조로 나타난다. 이렇게 녹조 현상이 심각한 곳에서는 수중생물들이 쓸 수 있는 산소가 없어져 아무것도 살지 못하는 '죽음의 구역(Dead Zone)'이라는 곳이 만들어진다. 


그렇다면 어디에서 질소비료를 많이 사용하는지 아래의 지도를 살펴보자.



미국과 유럽 같은 선진국에서 질소비료를 많이 사용하는 것을 확인할 수 있다. 역시 비료는 돈이 살 수 있는 金肥이기에 그러할 것이다. 상대적으로 가난한 사람들이 많은 아프리카와 남미 같은 곳에서는 질소비료의 사용량이 그렇게 많지 않다는 것이 그를 반증한다.


또한 인도와 중국, 한국 같은 벼농사 지대에서도 질소비료의 사용량이 많은 편이다. 이런 곳에서는 물이 오염될 위험이 높다. 실제로 한국에서는 해마다 여름이면 녹조와 적조 현상으로 골머리를 앓고 있다.  





여기서 잠깐! 마지막으로 현재 뜨거운 감자로 떠오르고 있는 유전자조작(GM) 작물의 재배 현황에 대해서 살펴보고 끝마치겠다.



1996년 처음으로 상업적 도입이 시작된 이후, 유전자조작 작물의 재배면적은 꾸준히 빠르게 증가하고 있다. 

2012년에는 최초로 개발도상국의 재배면적이 선진국의 재배면적을 초과하기 시작했다. 이는 브라질의 약진이 가장 큰 역할을 했다(이에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하라 http://blog.daum.net/stonehinge/8728035).

현재 28개국에서 재배하고 있는데, 앞으로 이는 더욱 확대될 전망이다. 슬프지만 인정해야 하는 현실...


과연 유전자조작 작물이 그 지지자들의 주장처럼 곡물 생산량을 획기적으로 증가시킬 수 있을지가 관건이다.

물론 녹색혁명이 시작될 당시 F1 종자에 대해서도 그런 의견이 있었을 것이다. 그것처럼 유전자조작 종자도 무언가 성취할 가능성이 높다.

그때가 되면 우리는 또 다른 세상을 맛보게 될 것이다. 악몽이 될지, 길몽이 될지는 뚜껑을 열어봐야지.


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농민이 농지에 인공 질소비료를 뿌리고 있다. 

최근 Nation 기사에서, 아름다운 Elizabeth Royte 씨는 수압 분쇄 또는 프랙킹과 식량 공급 사이의 직접적인 관계에 대해 캐냈다. 요컨대, 화학물질을 섞은 액체로 암반을 파괴하여 천연가스를 추출하는 것은 오염된 물을 남긴다 —그리고 오염된 물이 우리가 먹는 작물과 가축에 들어갈 수 있다. 

그러나 식량/프랙킹의 관계에는 우리가 알던 것 말고 다른 사실도 있음이 최근에 알려졌다. 미국 농업은 인공 질소비료에 지나치게 의존하고, 질소비료는 천연가스를 연료로 하는 가공을 통해 합성된다. 미국의 천연가스 공급이 프랙킹을 통해 더욱더 공급되면, 농민들이 사용하는 질소비료도 프랙킹을 통한 천연가스에서 더욱더 생성될 것이다. 만약 대형 농업이 화학비료의 수요를 충족시키고자 값싼 프랙킹 가스에 매혹된다면, 화석연료 산업은 프랙킹 사업에 대한 규제를 깔아뭉개고 반대측과 맞설 강력한 동맹을 얻을 것이다. 

프랙킹한 질소비료(N으로 알려진)의 성장에 대한 잠재력은 엄청나다. 2000년대 기존의 미국 천연가스의 공급원이 고갈되어 가격이 치솟을 때, 미국의 화학비료 산업은 주로 트리니다드토바고처럼 기존의 천연가스가 여전히 상대적으로 풍부한 해외로 나가 채취했다. (이에 대해 2010년  Grist의 기사를 참조) 2009년 미국 농무부 문서의 아래 도표는 2000년대 국내의 질소비료 생산이 얼마나 빨리 변화했는지 보여준다. 



질소비료의 시대: 2000년대 질소비료 생산이 미국의 천연가스 가격의 상승으로 해외로 이전됐다. Source: USDA



한편, 프랙킹 붐은 미국의 천연가스를 갑자기 풍부하게 만들었다 —그리고 가격을 끌어내렸다. 현재 미국 천연가스의 비티유(Btu) New York Times에서 최근 보고했듯이, 2008년보다 75% 이하의 비용이 든다. 한편, 질소비료의 가격은 높은 작물 가격으로 강한 수요가 꾸준하여 높은 수준으로 유지되고 있다. 그러한 상황 —낮은 투입재 가격에 최종 생산품에 대한 높은 가격이 더해지는— 은  미국 시장에서 호황을 누리는 값비싼 질소비료를 생산하기 위해 값싼 미국의 천연가스를 활용하는 기업의 잠재적 노다지 광맥을 의미한다. 오늘날, 베네수엘라 해안 저편에 위치한 미국의 주요 질소 수입원인 섬나라 트리니다드토바고는 2000년대 초반의 미국과 같은 상황에 놓여 있다: 기존에 쉽게 채굴하던 천연가스의 공급이 다하고 있다. 2012년, 국제통화기금(IMF)는 현재의 채굴속도로는 그 국가에서 2019년까지만 채굴할 수 있을 것이라고 추산했다.

Kay McDonald가 다음 글(http://blog.daum.net/stonehinge/8727580)에서 표현했듯이 별로 놀랍지 않은데, 산업이 프랙킹 붐의 이득을 취하러 미국으로 되돌아오기 시작하고 있다. McDonald는 천연가스 수송관에 인접한 아이오와주에서 이집트 회사인 Orascom이 14억 달러의 새로운 대형 질소비료공장 건설사업을 9월에 발표한 사실을 지적했다. Wall Street Journal 따르면, "값싼 미국의 천연가스 공급과 세계의 가장 중요한 식량 공급자라는 국가의 역할"이 미국 시장으로 이집트의 거인을 끌어들였다.


그리고 난 뒤 미국의 화학비료 거인 CF Industries는 11월에 루이지애나와 아이오와에 있는 기존의 질소비료공장의 확장사업에 38억 달러를 투자한다고 발표했다. MarketWatch "낮은 천연가스 비용과 높은 곡물 가격의 이득을 취하기 위한" 움직임이라고 보고했다. 같은 달, 미국 소유의 농산업 기업인 CHS는 노스다코다에 질소비료 공장을 세우기 위해 12억 달러를 투자하겠다고 발표했다. Associated Press의 기사는 그러한 사업에서 잠재적 이윤을 맛본다고 했다: "천연가스 가격이 현재 28세제곱미터에 약 2.50달러이다. 그러한 가격에서, 1톤에 약 800달러에 팔리고 있는 암모니아 1톤을 만들기 위해 약 82달러의 천연가스가 든다."

현재, 이러한 투자를 이끌고 있는 초과 이윤에 대한 약속이 없다는 데에 주의해야 한다. 에너지 가격은 매우 유동적이고, 그 산업은 미래의 이익에 대한 희망에 수십 억을 내놓는 것에 수반되는 위험에 조심해야 한다. 납세자로 들어가자: 이러한 사업은 국가, 주, 지자체 차원에서 공공자금으로 서명되고 있다. 아이오와 공장의 확장에 대한 보상으로, CF Industries은 주 정부로부터 7000만 달러 이상의 세제혜택 받았고, Woodbury County로부터 공장 건물에 대하여 20년에 걸쳐 1억 6100만 달러의 재산세를 감면받았다고 Sioux City Journal 보고한다. 루이지애나 역시 기업의 확장에 대해 몇 백만 달러의 세금을 깎아줄 것이다.

Orascom이 건설하는 아이오와의 공장 같은 경우  주 정부의 경제적 재해복구를 돕기로 한 연방정부의 대출프로그램을 통하여 자금지원을 받고 있다 —아이오와의 2008년 홍수. Orascom에게 민간 시장보다 훨씬 낮은 이율을 허락한 대출프로그램은 사실상 보조금이다 —그 기업이 건설에 대한 이자 지급에서 3억 6000만 달러를 절약할 것 같다고 Des Moines Register는 보고했다. 그리고 아이오와주가 그 사업에 허용한 세금감면액은 최고 1억 달러이다.

납세자들은 이러한 사탕과 교환하여 무엇을 얻고 있는가? 내가 볼 때, 별로 없다. 공업형 농업의 인공 질소비료에 대한 지나친 의존이 일련의 환경오염 문제를 일으킨다: 과다한 질소가 하천으로 흘러가고 결국 미시시피강으로 흘러들어 바다 생물을 파괴하는 엄청난 적조의 먹이가 된다; 이산화탄소보다 300배 강력한 온실가스인 아산화질소를 배출한다; 그리고 토양의 유기물을 파괴한다.


그들이 프랙킹의 확산과 그에 대한 강한 규제에 압력을 가하듯이, 우려하는 시민들은 대형 석유회사만큼 강력하고 돈이 많은 경쟁자에게 의지할 수 있다: 대형 농업. 벌써 근본적으로 대형 농업 회사의 로비스트로 활동하는 미국농업협회(Farm Bureau Federation)는 논란의 여지가 있는 에너지원을 지지한다: "농업협회는 수압 분쇄의 사용을 포함하여 석유와 천연가스의 탐사와 생산에 대한 추가적인 방법을 지지한다"고 2012년 10월 정책성명에서 선언했다. 그러나 농업협회와 그 농산업 동맹들은 프랙킹 규제에 대한 싸움에서는 많은 역할을 하지 않고 있다. 비료산업이 값싼 미국의 천연가스에 의존하게 됨으로써, 상황이 변할 듯하다. 보조금을 받는 새로운 대규모 사업으로 질소의 사용을 지지하기보다, 공공정책은 질소가 덜 필요한 농법을 촉진하는 길을 모색할 수 있다. 한 가지 분명한 전략은 다양화이다. 가장 많이 심는 미국의 작물인 옥수수는 다른 작물보다 질소를 많이 필요로 한다. 아이오와 주립대학 Leopold Center의 연구자들이 작성한 2012년의 논문은 전형적인 중서부의 옥수수-콩 작부체계에 질소를 고정시키는 덮개작물에 더하여 "작은 곡물(귀리나 밀 등)"을 추가하여 확장함으로써, 농민들이 질소 수요를 80% 이상 줄일 수 있음을 보여주었다(이에 대해서는 다음을 참고하라 http://blog.daum.net/stonehinge/8726899) (또한 국내에서도 논에서 보리를 재배해 갈아엎는 것으로 수확량이 오른다는 연구결과도 있다 http://blog.daum.net/stonehinge/8725911). 그러한 변화를 촉진하는 정책들에 투자하는 것이 장기적으로 프랙킹 가스에 의존하는 쪽으로 나아가는 화학비료산업에 보조금을 지급하는 것보다 훨씬 현명한 일일 것이다. 



diversifying-corn-soybean-rotations.pdf

출처 http://goo.gl/758Aj

diversifying-corn-soybean-rotations.pdf
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미국을 비롯한 많은 나라에서 지금 생산정점이다 뭐다 하면서 비싸지는 석유를 대신하는 에너지원으로 셰일가스에 주목하고 있다. 한국에서도 2020년까지 천연가스의 20%를 셰일가스로 확보하겠다는 계획을 세우고 있다(http://blog.daum.net/stonehinge/8726741). 가까운 중국과 일본의 경우는 우리보다도 성큼 앞서 달려가고 있다(http://blog.daum.net/stonehinge/8726024).


그런데 문제는 프랙킹으로 인한 환경오염 문제다(셰일가스가 야기하는 환경오염 문제에 대해서는 다음을 참조 http://blog.daum.net/stonehinge/8727440). 이 문제를 다루는 데에만 많은 이야기가 필요하니 일단 넘어가도록 하자. 


이 글은 그보다는 미국의 셰일가스 개발과 사용이 어떻게 농산업, 특히 비료업과 이어지는지 분석하는 아주 재미난 글이다. 이 글을 통해 간접적으로나마 화학비료의 생산이 어떤 방식으로 이루어지고, 경제에는 어떤 영향력을 미치는지 살펴볼 수 있다. 한마디로 정리하자면, 프랙킹-셰일가스-질소비료-옥수수-에탄올의 연결망을 잘 보여준다. 


아주 거대한 그림을 잘 설명하고 있는 좋은 글이지만, 오역과 의역이 난무하니 이상한 부분은 과감히 지적해주시길... 아니면 원문을 직접 보시는 걸 권한다.

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2006년 미국에서 프랙킹 기술이 발전한 이후, 미국의 에너지 상황은 시장이 적응하지 못할 정도로 급속히 바뀌었다.  지금까지 점차 천연가스를 대규모로 공급해 석탄 대신 전력 발생을 위해 사용했고, 이것이 산업용과 주택용 에너지 비용의 절감을 가져왔다.

현재의 천연가스 생산 수준은 다른 나라의 훨씬 비싼 에너지 가격과 비교하여 미국 산업에 경쟁력을 안겨주기에 제조업의 촉진을 돕는다. 아래의 2012년 평균 가격에서 보이는 최근 천연가스의 공급과잉은 수요와 공급 균형이 생산비와 평형을 이룸으로써 앞당겨질 예상이다. EIA에 따르면, 결과적으로 전력 발생을 위한 석탄 사용은 앞으로 몇 년에 걸쳐 몇 % 정도  후퇴할 것으로 예상된다.

프랙킹을 통한 현재의 천연가스 생산속도가 지속불가능하다고 생각하는 회의론자가 있지만, 다른 사람들은 몇 십 년은 이이질 것으로 예상한다. 천연가스(또는 수출용 LNG)의 국내 사용이 증가하는 것은 경제적 생존력을 보장하는 데 도움이 될 것이지만, 프랙킹 지역의 물과 토지가 오염된다는 윤리적이고 환경적인 과제는 남아 있다.

프랙킹의 물 수요는 내가 살고 있는 콜로라도에서는 직접적으로 농업용수와 경쟁하게 된다. 유정 하나에 총 1000만 갤론 이상의 물이 필요할 것이다. 이러한 유정에서 반환되는 물은 심하게 오염되어 있다. 여기 콜라라도 북부에서, 일부 깊이 있는 대수층은 이러한 오염된 물을 저장하는 데 사용되고 있으며, 그것이 대수층을 영원히 오염된 상태로 만들고 있다. 이러한 대수층이 현재 사용하는 물보다 더 깊이 있긴 하지만, 그것이 앞으로 가뭄이 들면서 사용될지도 모를 일이다.

천연가스는 오늘날 산업형 농업 체계에서 필수적인 역할을 한다. 질소비료는 공기에서 수수와 질소에 천연가스를 사용하여 최종적으로 암모니아의 형태를 만든다. 이 암모니아는 질산암모늄과 요소 같은 여러 질소비료의 원료로 사용된다. 이러한 농축 제품은 액체비료의 형태로 만들기 위해 물에 희석할 수도 있다. 

1960~2005년 사이 농업의 산업혁명과 함께 미국 농업에서 연간 화학적 질소비료의 사용은 455% 증가했다. 옥수수는 재배면적당 가장 많은 질소를 필요로 하는 작물인데, 2006년 이후 미국의 에탄올 정책으로 옥수수 재배면적이 늘어나면서 질소비료에 대한 수요도 증가했다.

천연가스는 암모니아 생산의 생산비 가운데 70~90%를 차지하는 주요한 원료이다.  화학적으로 1톤의 암모니아를 만드는 데에는 약 3300만 영국열량단위(mm Btu)의 천연가스가 필요하다. 농업용 질소비료에 대한 세계의 수요는 2013년 1억900만 메트릭톤으로 예상된다.  북미가 전체의 약 13%를 소비한다. 

2000년 이후 비싼 천연가스 비용 때문에 미국에서는 수입한 암모니아를 쓰는 게 더 이득이었다. 그 결과, 미국의 많은 소규모 암모니아 공장들이 문을 닫았다. 2000~2006년 사이 미국의 암모니아 생산은 44% 감소했고, 미국의 암모니아 수입은 115% 증가했다. 아래의 그래프에 보이듯이, 2009/10년 미국은 트리니다드토바고, 캐나다, 러시아, 이집트, 베네수엘라 및 기타 국가에서 질소를 수입했다. 



암모니아 생산 공장은 아래의 2006년 지도에서 보듯이 천연가스 공급지 근처에 위치하고 있다. 또한 공장은 많은 양의 물을 필요로 한다. 화학비료는 중서부의 옥수수 지대에서 가을과 이듬해 봄에 매우 짧은 시간 안에 소비된다. 수요가 집중되는 이 기간에 많은 양의 화학비료를 처리하고 옮기려면 수송관,  바지선, 철도가 필요하다.  따라서 최근 미시시피강의 수위가 낮아지면서 바지선이 제대로 다니지 못하는 걸 농민들이 걱정했다. 



천연가스 공급을 증가시켜 활용하자는 논리는 우리 스스로 질소비료를 더 생산하자는 데에 있다. 미국 농무성에 따르면, 2011년 우린 미국 농업에 사용할 54% 또는 1079만 톤(기록상)의 질소비료를 수입했다.  .



그래서 2012년 몇몇 기업에서 질소비료를 생산하기 위한 새로운 공장을 건설, 확장하겠다고 발표한 일은 그리 놀랍지 않다. 새로운 공장은 새로운 천연가스 공급지인 프랙킹 지역에 건설될 것이다. 이러한 고가의 공장 건설사업이 위험은 하지만, 전년 동기 8% 오른 1톤에 887달러에 이르는 현재 미국의 암모니아 비료 가격이라면 큰 수익을 낼 잠재성이 있다. 

2012년 발표된 새로운 암모니아와 요소비료 공장 프로젝트의 하나는 2015년까지 아이오와주 동남부에 건설될 것이다. 그 위치는 천연가스 수송관 옆이고, 미시시피강의 바지선이 지나다니는 곳이며, 화학비료 사용의 중심지이다. 그 공장은 이집트 기업인 Orascom 건설산업의 자회사가 될 것이고, 14억 달러가 들 것이다. 2b1 St Consulting에 따르면, 아이오와주는 그 프로젝트에 1억 달러에 달하는 세제혜택을 제공하고, 농민은 지역에서 화학비료를 구입하고 현물시장 정점을 피함으로써 1년에 7억4000만 달러를 절약할 수 있을 것으로 예상한다. 생산능력은 1년에 암모니아 200만 톤과 요소 질산암모늄 200만 톤에 이를 것이다.

또한 2012년 발표에서는 인디애나주에 10억 달러를 들여 새로이 질소비료 공장을 건설한다고 했다. 그곳은 하루에 암모니아 2420톤과 요소  3000톤을 생산한다. 

Photo credit: Ascension Business Journal.



루이지애나 도널드슨빌의 CF Industries(위의 사진)는 북미 최대의  질소 생산단지이다. 2012년 말, 그들은 이 공장에 연간 약 500만 톤의 질소를 생산하고 선적할 수 있도록 새로이 20억 달러의 자금을 지출하겠다고 발표했다. 이런 양을 생산하기 위하여 하루에 약 24만 mmBTU의 천연가스를 사용한다. 

CHS Inc.는 2012년 노스다코다 동부에 2016년 운영을 목표로 12억 달러 규모의 암모니아 공장을 건설하려 한다고 발표했다. 그곳의 생산량은 하루에 암모니아 2000톤이 될 것이다. 노스다코다에서 생산하는 천연가스의 약 1/3이 기간시설과 판매처의 부족으로 소진되고 있었다. 이 공장은 그 낭비되는 가스를 소비하는 데 도움이 될 것이다. 

기타 공장들이 어려운 승인 과정을 통과한다면 오클라호마, 텍사스, 루이지애나, 오하이오, 조지아에서 재개되거나 확장할 것이다. 그러나 일부 계획은 대규모 투자를 받지 못해 탈락할 것 같다.

결론적으로, 몇 년에 걸친 질소비료 산업의 후퇴가 반영하는 것은 에너지와 관련하여 계속된 호황과 파산의 순환을 떠올리게 한다.  2012년 우린옥수수 산업의 호황과 농민이 지불하는 암모니아 가격의 상승과 결합된 천연가스의 공급과잉을 겪었다. 이는 미국에 새로운 공장을 건설하는 위험을 감수할 만큼 이윤이 날 것이라고 비료산업의 의사결정자들을 설득했다. 앞으로 어떤 시점에 우리는 다시 한번 높은 가격에 대한 치유책은... 가격 상승이라는 점을 볼 수 있을 것이다.  

그 사이에 우리는 프랙킹으로 미친듯이 더 많은 천연가스를 채굴할 것이다. 우리는 우리가 필요로 하는 것보다 더 많은 옥수수를 재배하기 위하여 프랙킹으로 뽑은 가스를 질소비료로 전환시킬 것이다. 우리는 과잉 생산된 옥수수를 에탄올로 전환시키기 위하여 프랙킹으로 얻은 가스를 사용할 것이다. 그리고 마지막으로, 우리는 식품에 더 비싼 가격을 지불하기 위하여 우리의 자동차를 식료품점으로 몰고 가며 그 에탄올을 태워버릴 것이다. 

이건 가장 효율적인 모델의 모습이 아니다.



http://www.bigpictureagriculture.com/2013/01/u-s-will-again-produce-more-nitrogen-fertilizer-for-agriculture-311.html

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