탄소농사의 의미와 국제 동향
최 우 정 * 1)
1. 머리글
탄소중립은 기후변화 시대의 최대 화두이다. 탄소중립에 수반되는 변화는 석기에서 청동 기, 그리고 철기시대로의 발전, 더 가깝게는 증기기관 발명(1차)과 생산의 기계화(2차)-자동 화(3차)-무인화(4차) 등 산업혁명에 버금갈 정도로 세계 경제와 사회시스템에 큰 영향을 줄 것으로 예상된다. 탄소중립 목표는 온실가스 배출 저감과 온실가스 흡수가 병행되어야 달성할 수 있다. 세계 각국은 기후변화정부간협의체(IPCC)의 지침에 따라 온실가스 배출량 을 부지런히 산정하고 더 나아가 감축 방안을 수립하기 위해 노력하고 있다. 하지만, 가이드 라인에 포함되지 않은 소위 잃어버린 배출원(Missing sources)이 존재하고, 기술적·경제적 이유로 온실가스를 제대로 흡수할 수 없다면 진정한 탄소중립은 불가능하다.
토양은 대기 이산화탄소(CO2)의 2배 이상의 탄소를 저장하고 있다. 이 탄소는 수천-수만 년간의 지질학적 규모로 형성된 것이지만, 지금 이 시각에도 토양으로부터 탄소가 방출되고 있는데, 그 양은 화석연료 사용으로 인해 배출되는 CO2의 50%에 달한다<그림 1>. 이렇게 방출되는 토양 CO2를 고려하지 않으면, 계산기에서는 탄소중립이 가능할지 몰라도 지구 탄소 순환계에서는 진정한 탄소중립이 성립될 수 없다. 또한, 토양은 향후 수십 년간 인간 활동에 의해 배출되는 온실가스의 20~35%를 매년 저장할 수 있다.1)
이 글에서는 지구 탄소순환 시스템에 기반하여 현재 온실가스 배출량 산정 방식의 한계를 지적하고, 토양탄소 저장을 통한 온실가스 흡수 필요성을 살펴본다. 그리고 농업 분야에서
* 전남대학교 지역·바이오시스템공학과 교수, 교육부 지정 Brain Korea 21 기후지능형 간척지농업 교육연구팀장, 전남대학교 기후변화대응농생명연구소장([email protected]).
1) Minasny B. et al. (2017)
기후변화에 대응한 탄소농사의 의미를 식량 생산, 수질 오염 등 환경 오염 최소화, 온실가스 배출 저감 및 흡수의 측면에서 고찰하고, 관련된 국제적 동향을 살펴본다.
2. 지구 탄소 순환과 토양 탄소
2.1. 지구 탄소 순환
탄소(C)는 원자번호 6번으로 화학반응에 참여할 수 있는 최외각 전자가 4개이다. 탄소는 다른 원소(H, O, N 등)와 공유결합하여 사슬형 및 고리형의 다양한 화합물(DNA, ATP 등)을 형성할 수 있는 유일한 원소이다. 따라서, 탄소는 생명체의 뼈대와 같은 원소라고 할 수 있다. 탄소는 대기-육지-해양을 끊임없이 순환하면서 생태계 유지에 필요한 물질과 에너지 를 실어나른다<그림 1>.
<그림 1> 지구 탄소 순환
단위: 십억 탄소 톤
자료: Houghron(2007).
그 첫 번째 단계는 광합성이다. 광합성은 빛 에너지, 대기 중 이산화탄소(CO2), 그리고 토양에서 흡수한 수분과 양분을 이용하여 생태계에 필요한 물질과 에너지를 생산한다. 또한,
그 과정에서 생명체의 호흡에 필요한 산소(O2)가 생성되며, 더 나아가서 O2를 원료로 하여 자외선으로부터 생명체를 보호하는 오존(O3)층이 형성된다. 따라서, 모든 생명의 진화와 발전, 그리고 생태계는 광합성에 절대적으로 의존한다.
화석연료가 본격적으로 사용되기 이전, 탄소는 육지의 식물-토양, 그리고 해양을 선순환 하였다. 땅속 깊숙이 매장되어 있는 화석연료는 지구 탄소 순환에 참여하지 못하였다. 이 시기에는 해양의 CO2 흡수 능력에 의해 대기 CO2는 오히려 감소되었을 것으로 예상되지만, 실제로는 점진적으로 증가한 것으로 평가되어, 소위 “Missing C source”의 존재를 알 수 있다. 반면, 산업혁명 이후 화석연료 사용에 의해 평균적으로 매년 63억 톤의 탄소가 방출되 어 대기 중 CO2-C는 연평균 3~4억 톤씩 지속적으로 증가하여 지구온난화의 원인이 되고 있다<그림 1>.
2.2. 지구 탄소 순환에서 토양 탄소의 의미
지구의 토지 면적은 약 130억 ha이고, 그중 약 10%(14억 ha)가 농경지이다.2) 매년 광합성 을 통해서 약 590억 톤의 탄소가 식물 잔사로 전환되고, 그중 550억 톤이 직접 분해되어 다시 대기로 환원된다. 따라서, 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)에서는 식물 잔사 분해에 의한 CO2배출은 탄소 순환 과정 일부로 판단하여 지구 온실가스 배출량 산정에서 인정하지 않는다. 광합성-분해를 통한 CO2의 순환은 가역적(Reversible) 과정으로 탄소중립으로 판단할 수 있다. 하지만, 수백-수천 년간 안정적으로 토양에 존재하고 있는 토양 유기물의 분해로 방출되는 CO2는 다시 토양 유기물 로 전환되기 어려운 비가역적(Irreversible) 과정3)으로 이해하는 것이 타당하다. 토양 유기물 분해에 의해 방출되는 탄소의 양은 매년 35억 톤으로 이는 화석연료 사용으로 방출되는 탄소의 절반 이상이다<그림 1>. 따라서, 현재 화석연료에 집중된 온실가스 배출 저감과 신재생에너지 개발이 성공하더라도 토양 유기물에서 방출되는 CO2가 “Missing C source”로 작용하여 실질적인 탄소중립 목표 달성이 어려울 가능성이 매우 크다. 비록 IPCC는 인간 활동에 의해 배출되는 온실가스만을 인정하여 토양에서 방출되는 CO2를 고려하고 있지 않지만,
2) FAO statistics.
3) 화학 반응은 정반응과 역반응으로 구분되며, 역반응이 일어나지 않는 경우를 비가역적 반응이라고 말함.
토지이용 등 인간의 농업활동 등에 의해 방출되는 CO2는 포함시키는 것이 타당하다.4) 토양은 형태적으로 뚜렷이 구분되는 층위(Profile)을 갖고 있다<그림 2>. 토양은 수천-수만 년의 지질학적 기간 동안 토양의 재료가 되는 모재(Parent materials)(C층)로부터 출발하여 식물잔사에 형성되는 유기물층(O층), 유기물층과 무기물층의 혼합(A층), 그리고 토양 내 물질의 용탈5)에 의한 B층의 순서로 생성된다. 보통 O층과 A층의 유기물 함량이 높지만, 토양의 종류에 따라 유기물의 함량은 달라진다. 예를 들면, 우리나라에 가장 널리 분포하고 있는 인셉티솔(Inceptisols)은 유기물이 적어서 밝은 색을 띠는 반면, 유기물이 많은 대표적 토양인 몰리솔(Mollisols)은 어두운색을 보인다.
<그림 2> 토양의 대표적 단면
(a) 대표적 토양 층위 (b) 유기물이 적은 토양(Inceptisols) (c) 유기물이 많은 토양(Mollisols) 자료: Brady and Weil(2006).
산림과 영구 초지 등 자연 식생지 토양에서는 유기물이 안정적으로 존재하지만, 식량 생산을 위해 토지를 개간·이용하는 순간부터 토양 유기탄소는 지속적으로 감소한다. 1838년 부터 운영된 영국 Rothamsted의 장기포장 실험에 의하면, 영구 초지를 경작하면 초기 20년 의 기간 동안 약 40%의 토양 탄소가 손실되는 것으로 나타났다<그림 3>. 이와 같은 토양 탄소 손실은 대부분 경운 등에 의한 토양 교란에 의한 것으로, 토양 유기탄소 장기 보존에서
4) 더 나아가서, 인간 활동에 의한 온난화에 의해 토양 유기물 분해가 가속화되는데, 이렇게 발생되는 온실가스가 인간활동과 상관없다고 볼 수 있는지도 추가적인 논의가 필요함.
5) 물질이 토양 깊이에 따라 수직으로 이동하는 현상을 의미함.
경운 등 영농 활동의 부정적 영향을 잘 보여준다. 이와 같이 대기로 방출된 CO2는 온실가스 로 작용한다. 즉, 토양 유기물 분해에 의해 대기로 방출된 CO2는 지구온난화 측면에서 화석 연료 연소에 의해 방출된 CO2와 동일하다. 따라서, 기후변화 완화를 위해서는 토양 유기물 보존에 대한 적극적인 노력이 요구된다.
<그림 3> 영국 Rothamsted 장기포장의 경작 년 수에 따른 토양 탄소 함량
자료: Johnston(1973).
3. 온실가스 배출 특성
3.1. 세계와 우리나라의 온실가스 배출 특성
교토의정서에서는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6)를 직접온실가스로 규정하였다. 2018년 기준 토지이용, 토 지이용변화 및 임업(Land Use, Land Use Change, and Forestry, LULUCF)을 제외한 우리나 라의 온실가스 총배출량은 약 7억 3,000만 톤(CO2eq)이고, LULUCF의 온실가스 흡수량을 반영한 순배출량은 약 6억 9,000만 톤으로 전 세계 배출량(약 535억 톤)의 1.3%에 해당한다. 온실가스 종류별 비율은 우리나라가 CO2(91%), CH4(4%), N2O(2%), F-가스(3%)이고, 전 세계 적으로는 CO2(76%), CH4(16%), N2O(6%), F-가스(2%)이다<그림 4>. 따라서, 우리나라는 다른 나라에 비해 이산화탄소(CO2)의 비율은 높지만, 메탄(CH4)과 아산화질소(N2O)의 비율은 낮 은 편이다. 한편, 우리나라 농업의 온실가스 배출 비율은 약 3%로, 전 세계 토지이용 및
농림 분야 비율(24%)에 비해 매우 낮다.
이상의 온실가스 종류별 비율에서 토양 호흡6)에 의해 배출되는 CO2는 배제되어 있다. 따라서, 토양 호흡을 고려하면 실제 대기 중 온실가스 중 CO2의 비율과 우리나라 농업분야의 온실가스 배출 비율은 더 높을 것으로 예상된다.
<그림 4> 우리나라와 세계의 온실가스 배출 특성
자료: 환경부 온실가스종합정보센터(2020), IPCC (2014), 미국 EPA.
3.2. 우리나라 농업 분야 온실가스 배출 특성
농업의 비에너지 분야 온실가스 배출원은 축산과 작물 재배로 구분되며, 온실가스는 CO2
를 제외한 CH4과 N2O만을 포함한다<표 1>. CO2는 대부분 호기적 조건에서 생성되는 반면, CH4과 N2O은 주로 혐기적 조건에서 의해 생성된다.7)
6) 동물이 산소를 들여 마시고 이산화탄소를 내뱉는 과정처럼 토양 미생물이나 식물의 뿌리도 호흡을 함.
2018년 기준 농업 분야 온실가스 총배출량은 2,120만 톤(CO2eq.)으로 국가 총배출량의 2.9%를 차지하며, 축산과 경종 부문의 비율은 각각 44.4%와 55.6%이다. 온실가스 종류별로 는 CH4과 N2O가 각각 57%와 43%로 평가된다. 과거 30여 년간 총배출량은 큰 변화가 없지 만, 벼재배에 의한 CH4 방출은 논 면적 감소와 저탄소 물관리 확대에 의해 점진적으로 감소하는 추세이다<그림 5>. 축산 부문의 장내 발효와 가축분뇨 처리에 의한 온실가스 배출 은 가축 사육두수가 증가함에 따라 상승 추세이다. 한편, 농경지 토양의 온실가스 배출량은 500만 톤(CO2eq.) 내외로 큰 변화가 없다.
<표 1> 농업 분야 온실가스별 배출원과 기작
배출 부문 배출원 온실가스 배출기작
축산 장내발효 CH4 소화기관의 혐기적 발효
가축분뇨 처리 CH4, N2O 분뇨의 혐기적 분해
경종(작물재배)
벼재배 CH4 유기물의 혐기적 분해
농경지 토양 N2O 화학비료, 분뇨, 작물잔사의
불완전 질산화와 탈질
작물잔사 소각 CH4, N2O 잔사의 불완전 연소
자료: 환경부 온실가스종합정보센터(2020).
<그림 5> 우리나라 농업 분야(축산, 경종) 온실가스 배출량 변화
자료: 환경부 온실가스종합정보센터(2020).
7) 산소가 충분한 조건을 호기적, 부족한 조건을 혐기적이라고 함.
하지만, 이와 같은 온실가스 배출량은 IPCC 동물(Tier) 1의 기본 배출계수를 적용한 경우 가 많아서, 우리나라 축산과 경종의 특성을 정확하게 반영하기 어려운 것으로 평가된다.8) 예를 들면, 장내발효(CH4), 가축분뇨 처리(CH4, N2O) 부문의 온실가스 배출량은 Tier 1에 의존하여 결국 가축 사육두수에 의해서만 총배출량이 결정되기 때문에 가축사양, 가축 사육 환경, 분뇨처리 방식 및 환경 등의 영향은 반영되지 못하고 있다. 벼재배 부문에서는 CH4
기본 배출계수에 물관리 방법별 보정계수(0.4-1.00)를 적용하여 Tier 1의 한계를 보완하고 있다. 하지만, 볏짚 등 유기물 사용시 강화된 보정계수(2.5)를 적용하고 있어 논 토양의 볏짚 환원에 의해 CH4 발생이 증가하는 부정적인 면만을 강조하고 있다. 이는 볏짚 환원의 긍정적 기능(탄소 저장, 토양 유기물 및 양분 증진, 지력 향상, 물리성 개선)을 외면하고, 논을 식량 생산 기능 대신 CH4 발생원으로만 바라보는 편협된 시각이라는 관점도 있다. 기후변화를 기후과학으로만 바라볼지 아니면 식량 안보 등 인류 생존의 다원적 관점에서 접근해야 할지에 대한 논의가 필요한 시점이다.
농경지 토양 부문의 N2O 배출량은 작물별 국가 고유 배출계수를 적용하여 산정된다. 하지만, 주요 작물별(고추, 콩, 감자, 봄배추, 가을배추) 화학비료 질소량을 농촌진흥청의
「작물별 비료사용 처방 기준(농촌진흥청, 2017)」으로 적용하였기 때문에, 실제 N2O 배출량 과는 차이가 있을 것으로 판단된다. 하지만, 이는 우리나라의 작물별 비료 사용량에 대한 신뢰할 수 있는 통계 자료 부재의 현실을 반영한다.
따라서, IPCC 보고서와 우리나라의 국가온실가스 인벤토리 보고서에도 명시되어 있듯이,
현재의 농업분야 온실가스 배출량 산정은 매우 큰 불확도를 내재하고 있다. 에너지와 산업공 정 등 대부분 화석연료 연소에 의해서 발생하는 온실가스는 발생원과 배출계수가 명확하여 온실가스 산정의 정확도가 높은 반면, 농업 분야 특히 비에너지 부문에서 온실가스는 확산 (또는 비점) 형태로 배출되어 온실가스 배출량 산정의 정확도가 낮을 수밖에 없다. 따라서, 농업 부문에서는 온실가스 배출 저감 노력과 함께 온실가스 배출량 산정의 정확도를 높이기 위한 동물(Tier) 2 또는 3 수준의 노력이 요구된다.
8) IPCC에서는 온실가스 배출계수를 3 수준으로 평가함. 동물(Tier) 1은 전 세계 평균적 기본 계수, 동물(Tier) 2는 각국에서 산정한 계수, 동물(Tier) 3는 다양한 조건에 특이적인 배출계수임. Tier 1과 2가 더 정확하지만, 계수 산정에 더 많은 노력 이 필요함.
4. 탄소중립과 탄소농사 (Carbon farming)
4.1. 탄소중립을 위한 탄소농사의 의미와 필요성
탄소중립은 화석연료 사용과 토지이용 등 인간의 활동에 의해 직·간접적으로 배출되는 온실가스를 줄이고, 더 나아가서 배출량만큼을 흡수하여 순배출량이 “0”이 되는 상태를 의미한다. 현실적으로는 산업혁명 이전과 비교하여 2100년까지 온도 상승을 1.5°C로 억제 하기 위해서는 전 세계적으로 2050년까지 탄소중립을 실현해야 한다는 의미이다.9) 탄소중립을 위해서 화석연료를 대체할 수 있는 재생 또는 탄소중립 에너지(태양광, 풍력, 수력 등, 바이오가스) 자원과 에너지 저장 장치 개발 등 산업과 에너지 분야의 탈탄소화는 물론 잔류온실가스를 흡수할 수 있는 탄소포획·저장·이용(Carbon capture, storage, and utilization, CCSU) 기술 개발이 추진되고 있다<그림 6>. 하지만, 공학적인 CCSU 기술은 기술 수준과 비용, 그리고 안전성의 측면에서 어려움이 있으므로 또 다른 저비용의 온실가스 흡수 기술이 병행 개발되면 탄소중립에 도움이 될 것은 분명하다.
<그림 6> 공학적 및 생물학적 탄소 저장
자료: https://www.nature.org and https://carbonremoval.economist.com.
자연생태계의 탄소흡수 및 저장능력은 농업생태계보다 뛰어나지만, 인위적인 관리가 어 렵다는 한계가 있다. 반면, 농업 분야는 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 온실가스 배출 원으로 취급되고 있지만, 인위적인 노력과 관리를 통해 온실가스 배출을 줄이고 더 나아가
9) 2016 파리기후협약
흡수를 늘릴 수 있다. 농업(특히 경종)은 기본적으로 CO2를 유기물로 전환하는 광합성 산업 이다. 앞에서 논의한 바와 같이, 일반적으로 광합성 산물은 곧이어 다시 CO2로 분해되어 대기로 방출되기 때문에 경종 분야에서 CO2는 온실가스로 인정되지 않는다. 하지만, 경종 활동 과정에서 당해연도 광합성 산물인 작물 잔사만 분해되는 것이 아니라 지질학적 연대 규모의 토양생성 및 발달과정에서 토양에 안정화되어 있던 유기물도 분해되어 CO2로 방출 된다는 점은 고려하지 못하고 있다.
탄소중립을 위한 농경지 토양 탄소 관리의 중요성은 농경지의 탄소순환과 수지(Balance) 연구에서도 확인할 수 있다. 미국의 한 옥수수 농장에서 단위 면적(ha)당 탄소 흐름을 조사한 결과, 연간 광합성량 7,500kg 중 토양에 유입되는 탄소량은 1,475kg(작물 잔사 1,200kg + 분뇨 275kg)이고, 토양의 탄소 손실량은 1,805kg(토양 호흡 1,625kg +토양유실 및 용탈 180kg)으로 토양의 순탄소 손실량은 330kg으로 추산된다<그림 7>.
<그림 7> 농경지의 탄소 흐름
단위: kg/ha/yr
자료: Brady and Weil(2006).
탄소 330kg은 휘발유 526L(연비를 10km/L로 가정하면, 5,260km 운행)가 연소될 때 방출 되는 탄소와 동일하다. 따라서, 현재와 같은 고투입 집약 농업에서는 토양 탄소 함량은 필연적으로 감소할 수밖에 없고, 감소된 토양 탄소만큼 대기 CO2 농도는 증가한다. 반면,
저투입 지속 농업을 통해서 기존의 토양 탄소를 보존하고, 새롭게 유입되는 작물 잔사에 포함된 탄소배출을 억제하여 토양 탄소 함량이 증가한다면, 그만큼 대기 CO2 농도는 감소할 것이다. 또한, 농경지에 저장된 탄소에 해당하는 만큼 에너지나 산업 분야에서 배출되는 탄소를 상쇄할 수 있다. 따라서, 농경지의 탄소 저장은 농업과 농촌을 뛰어넘어 다른 산업과 도시에도 파급효과가 있으므로 그 공익적 가치를 인정해야 한다. 농업은 농산물의 시장거래 를 통해 가격이 형성되고 가치가 실현된다. 벼농사와 고추농사를 통해 생산된 쌀과 고추를 시장거래하여 경제적 이익을 창출하듯이, 농업의 대기 CO2 저장 가치를 인정하여 탄소중립 에 소요되는 사회경제적 자본의 일부를 탄소농사에 투자하여 경제적으로 지원하는 것이 탄소농사의 작동 메커니즘이다. 이것은 전기자동차에 막대한 보조금을 지원하는 것과 같은 이치이다.
4.2. 탄소농사 기술
탄소농사의 목적은 안정적 식량 생산을 통한 부가가치 창출 과정에서 배출되는 온실가스 배출을 감축하고 더 나아가서 대기 CO2를 토양 탄소로 안정화하여 저장하는 것이다. 따라서, 탄소농사는 농업 생산성, 경제성, 친환경성을 모두 고려하여 다면적 관점으로 접근해야 한다. 예를 들면, 오로지 탄소 배출만을 고려한다면, 농경지를 자연식생으로 환원하면 온실 가스 배출을 줄일 수 있고, 더 많은 탄소를 토양에 저장할 수 있지만, 농업의 근본적인 사명인 식량 생산 기능은 훼손될 수밖에 없다.
현재 국내외에서 제시되는 탄소농사 관련 기술은 탄소농사만을 위해 새롭게 제시된 것이 아니라, 대부분 기존의 농업의 환경훼손 기능을 최소화하면서 안정적으로 식량을 생산할 수 있는 저투입지속가능농업(Low-input sustainable agriculture) 관련 기술이다<표 2>. 즉, 온실가스 배출 저감이나 토양 탄소 증대만을 목적으로 하는 것이 아니라, 저투입 지속가능농업 자체가 기후변화에 대응한 이로운 점이 있다는 의미이다. 농경지 관리를 통해 서 토양을 건강하게 만들어서 가뭄 등 이상 기상에 잘 대응하여 생산성을 확보하고, 적정양 분 관리를 통해서 수질오염을 예방함과 동시에 온실가스 배출을 저감하고 토양 탄소 함량을 증진시키는 것이 현실적인 방향이다. 또한, 각 기술에는 농업 및 온실가스 배출 저감의 측면에서 장점과 단점이 모두 있고 효과가 상충(Trade-off)되는 경우도 있으므로, 온실가스
배출 저감과 탄소 저장의 측면과 함께 농업생산성과 환경을 모두 고려한 종합적인 접근이 필요하다.
<표 2> 경종분야 대표적 탄소농사 기술
적용 분야 적용 기술 기대 효과 동반/상충 효과
시비 관리
NPK 균형 시비 균형 시비에 의한 작물 바이오매스 증가 수질오염 저감 가축분 퇴비
시용
난분해성 유기물 공급에 의한 토양 성질
개선 및 탄소 저장 양분공급 부족, 과잉 시용시 수질 오염 녹비 활용 질소 비료 사용량 감축에 의한 N2O 저감 비료 생산-운반 과정 중 온실가스 감
축, 혐기적 조건에서 CH4증가 완효성
비료 사용
질소 비료 시비 횟수 및 시비량 감축에 따른 N2O 저감
노동력 절감, 추가 공정에서 온실가 스 배출 우려
작물 잔사
관리 잔사 환원 토양 유기물 공급에 의한 탄소 저장 가축분야 유기물(볏짚) 자원 활용 제약
논 물관리 논물 얕게 대기,
간단 관개 산소 공급으로 CH4발생 저감 용수 절약, 벼 수량 증대, 물 관리 추 가 노력 필요, 용배수 정비 필요 경운 관리 최소경운 토양 교란 최소화에 의한 CO2저감 및 탄소
저장
토양 보존, 에너지 사용 절감, 수량 감소 우려, 재경운시 CO2방출 증가 토양 유실
방지 지표피복 토양 유실에 의한 탄소 손실 저감 피복 잔사로부터 용존유기탄소 유출
에 의한 수질 오염 우려 토지 이용
혼농임업 수목에 의한 심토층 유기물 저장 경작지 면적 감소
답전 전환 CH4발생 저감 용수 절약, 식량 안보 위협, 유기물 분해에 의한 CO2방출
토양 개량제
바이오차 온실가스 배출 저감, 토양 개량, Black carbon 저장
바이오차 제조 에너지 소요, 장기연 용 연구 결과 부족
무기
광물질 CaCO3등 탄산 침전을 통한 무기탄소 격리 산업부산물 재활용, 중금속 오염 우려 자료: 저자 정리.
예를 들면, NPK 균형 시비를 통해서 생산성을 확보함과 동시에 수질 오염도 예방할 수 있다. 가축분 퇴비를 시용함으로써 가축분뇨에 의한 수질 오염도 예방할 수 있고 토양의 물리성도 개선할 수 있지만, 가축분 퇴비의 양분 공급 능력은 낮으며 과잉 시용하게 되면 수질오염 우려가 있다. 녹비의 경우에는 질소 화학비료를 대체함으로써 질소비료 원료 수입 -제조-운송 과정에서의 화석연료 사용도 줄일 수 있지만, 녹비가 토양 미생물에 의해 쉽게 분해되기 때문에 혐기적 논에서 CH4 발생이 오히려 증가할 가능성이 매우 높다. 완효성
비료10)는 효과가 오랜 기간 지속되기 때문에 시비 노동력을 절감할 수 있고 N2O 방출량을 줄일 수 있지만, 완효성 비료 제조 과정에서 온실가스가 추가로 발생하는 문제가 있다. 한편, 최소경운은 애초 토양침식과 토양 다짐을 방지하여 토양 자원을 보존한다는 측면에서 의미가 있었지만, 현재는 토양 유기물 관리의 측면에서 장점이 크게 부각되고 있다. 하지만, 최소경운에 의해 수량이 다소 감소하는 경우가 많으며, 몇 년을 주기로 다시 경운할 경우 저장된 토양 유기물 분해가 촉진된다는 것이 단점이다. 식물 잔사를 이용한 지표 피복을 통해서 토양 유실을 저감하고 토양 유기물을 공급할 수 있으나, 식물 잔사의 분해에 의해 발생하는 용존유기탄소에 의한 수질 오염 우려가 있다. 혼농임업은 나무가 자라는 곳의 토양 유기물 증가 효과가 있지만, 경작지 면적이 줄어드는 것은 단점이다. 최근 주목받고 있는 바이오차는 화석연료에서 생산된 전기를 이용하여 바이오차를 제조하면 바이오차에 의한 온실가스 배출 저감 효과가 감소하는 단점이 있다. 또한, 바이오차는 Black carbon으로 토양에서 잘 분해가 되지 않기 때문에 농경지에 장기 연용이 어려울 수도 있다. 무기광물질 을 이용한 무기탄소 격리는 기존의 유기탄소 격리와 병행하면 토양탄소 격리 효과를 증가시 킬 수 있지만, 광물질에 함유된 중금속 등의 문제가 공존한다.
따라서, 당분간은 기존에 효과가 널리 인정된 안정적인 저투입 지속가능 농업기술(예를 들면, 적정 균형 시비, 가축분퇴비 활용 등)의 단점 또는 부작용을 최소화하여 현장에 적용하 는 것이 타당하다. 그리고, 장기적인 연구개발을 통해서 농업 특성을 고려한 맞춤형 탄소농 사 기술을 개발할 필요가 있다.
5. 탄소농사의 국제 동향
다시 강조하면, 탄소농사는 온실가스 감축이나 토양탄소 저장만을 목표로 하기보다는 저투입 지속가능한 농업 실현을 위한 하나의 방법론으로 이해하는 것이 바람직하다. FAO와 같은 국제기구를 비롯한 농업선진국에서는 온실가스 감축과 토양탄소 저장을 안정적 식량 생산, 토양 건강 회복, 수질오염 등 환경 오염 최소화, 농업 경영 개선 등 농업의 지속성을 위해 요구되는 필요조건 이행 과정의 부가적인 혜택으로 제시하고 있다.
10) 일반 비료를 물리적으로 코팅하거나 화학적으로 난용성 물질과 결합하여 물에 잘 녹지 않도록 제조한 비료를 말함.
5.1. FAO(유엔세계식량농업기구)
FAO는 기후변화 시대 지속가능농업의 방향을 기후지능농업(Climate-Smart Agriculture) 으로 설정하였다. 기후지능농업의 3가지 목적은 농업 생산성 및 농가 소득 증대(Production), 기후변화 적응(Adaptation), 온실가스 감축(Mitigation)이다<그림 8>. 기후지능농업과 이에 대한 지원이 4대 계획안에 포함되어 있다. 4대 계획은 National Adaptation Plans(기후변화 적응 정책과 현 정책을 통합하여 중장기 적응 대책 수립, NAPs), 국가별 NDSC 설정 지원 (Intended Nationally Determined Contributions, INDCs), 국가별 온실가스 감축 지원 (Nationally Appropriate Mitigation Actions, NAMAs), 그리고 국가별 목표 달성에 필요한 투자 확보 지원(Agriculture Investment Plans, AIPs)이다. 또한, 이와 같은 계획을 바탕으로 다양한 국가를 대상으로 기후지능농업 필요성과 방법론 설정 자료를 수집함은 물론, 정책지 원(이탈리아, 몰도바, 아프리카 지역), 국가 및 지방 연구소 지원(캄보디아, 몽골, 가나, 보츠 와나), 재정 지원(글로벌(지속가능한 쌀 경관 이니셔티브, SRLI), 스위스, 이집트), 기술 지원 (라오스, 키르기스스탄, 에콰도르, 조지아, 세인트루시아) 사업을 펼치고 있다.
<그림 8> FAO의 기후지능농업(Climate-smart agriculture)의 3대 목표
자료: http://www.fao.org/climate-smart-agriculture/en/.
5.2. 미국
미국의 기후지능농업에 대해서는 세계농업 제199호(미국의 농업부문 기후변화정책)에 상술되어 있다. 그 중 탄소농사와 밀접히 관련된 것은 토양 관리와 질소 관리이다. 토양 관리의 궁극적인 목적은 유한 자원인 토양의 건강 증진을 위해 무경운과 피복작물을 이용하 여 토양 유기물 함량을 증가시키고, 그와 동시에 CO2 배출을 줄이는 것이다. 질소 관리는 질소에 의한 수질 오염을 방지하고 N2O 배출 감소를 목적으로 한다. 미국의 기후지능농업은 농업법(Farm Bill)에 근거하여 자연자원보전국(Natural Resources Conservation Service,
NRCS)을 통해 기술적 및 재정적으로 지원된다. 지원은 환경개선지원제도(Environmental
Quality Incentives Program, EQIP)와 보전보장지원제도(Conservation Stewardship Program, CSP)를 통해서 이행된다. EQIP은 특정 환경문제 지역을 대상으로 1년 미만의 기간 특정 활동(피복 작물, 방목, 관개 등)에 대해 보상하는 프로그램이고, CSP는 전체 농경지를 대상으 로 한 농업환경 및 생태 보존 프로그램이다. CSP는 특히 관행적인 환경보전 활동을 보다 강화하는 방향으로 운영되고 있는데, 예를 들면 피복작물을 재배할 때 작물 품종을 다양화하 여 그 효과가 증대될 수 있도록 지원한다.
한편, 미국은 조 바이든 대통령이 후보자 시절 “토양이 탄소 저장의 다음 전선(Soil is the next frontier of storing carbon)”이라고 선언한 이후, 인디고어그리컬처(Indigo Agriculture)와 같은 스타트업 기업을 중심으로 토양 배출권 거래 시장(Soil offsets marketplaces) 구축 사업이 진행되고 있다.11) 이에 제너럴 밀즈, 켈로그, 마이크로소프트, 셀과 같은 거대기업들 또한 동참 의사를 밝힌 바 있다. 하지만, 탄소농사를 통한 탄소 거래 시장은 식량 생산 훼손 가능성은 물론 배출 저감 이산화탄소 측정의 한계, 탄소 저장의 지속성, 탄소 저장량의 이질성 등 탄소 모니터링 및 관리의 한계에 의해 답보 상태이다. 하지만, 이와 같은 한계는 이미 농업 분야 온실가스 배출량 산정에서도 드러난 것으로서 향후 사회적 합의에 의해 관련 시장이 조속히 도입될 수 있을 것으로 기대한다.
11) Temple J. 2020. Why we can’t count on carbon-sucking farms to slow climate change. MIT Technology Review (2020. 6. 3)
5.3. 프랑스
2015년 파리에서 개최된 유엔기후변화협약 당사국 회의에서 프랑스 농업부 장관이 제안
한 “4 per mille Soils for Food Security and Climate (4 per 1000 Initiative)”의 핵심 개념은 전 세계 토양의 탄소 함량이 연간 0.4%(4‰) 증가하면 인간 활동에 의해 배출되는 온실가스 를 상쇄할 수 있다는 것이다. 4‰이라는 숫자는 전 세계 토양 2m 깊이에 저장된 탄소 240억 톤에 대한 온실가스 배출량(8억 9,000만 톤)의 비율에서 착안되었다<그림 9>. 이 계획은 중앙정부, 지방정부, 사기업, 비정부기구, 연구기관 등의 자발적 참여를 전제로 하고 있어 아직 그 효과는 미미하지만, 농업 분야에서 토양 탄소 저장을 통한 기후변화 대응 필요성에 대한 세계적 공감대를 형성한다는 측면에서 의미가 있다. “4 per 1000 Initiative” 역시 식량 안보와 기후변화 모두를 고려하고 있다는 점을 확인할 수 있다.
<그림 9> “4 per mille Soils for Food Security and Climate”의 개념
자료: Minasny 등(2017).
관련 연구 결과12)에 의하면, 전 세계적으로 토양 1m에 연간 4‰씩 탄소 함량이 증가할 경우, 연간 저장 가능 탄소의 양은 20~30억 톤으로 이는 인간활동에 의해 배출되는 온실가스 의 20~35%를 상쇄할 수 있는 규모이다. 또한, 현재의 토양(0-0.3m 기준, 우리나라에 해당) 탄소 함량이 30톤C/ha 보다 낮은 경우, 연간 최대 10‰씩 탄소를 저장할 수 있는 것으로
12) Minasny B. et al. (2017)
나타났다. 비록 토양에 저장된 탄소가 영구적으로 안정화될 수는 없지만, 향후 탄소중립 목표 달성 원년인 2050년까지 획기적인 기술 개발을 위해 필요한 시간을 일정 정도 유예할 수 있음은 분명하다.
6. 맺음말
지구 탄소순환에 의하면 토양에서 배출되는 CO2가 중요한 온실가스 배출원임을 알 수 있다. 수천-수만 년간의 지질학적 규모로 생성되고 안정화된 토양 유기물이 분해되어 방출 된 CO2는 화석연료 연소에 의해 방출되는 CO2와 동일하게 지구온난화의 원인으로 작용한 다. 식량을 생산하는 과정에서 농경지 토양의 탄소 함량은 지속적으로 감소해왔는데, 이는 반대로 우리의 노력 여부에 따라 그만큼 탄소를 저장할 수 있는 공간이 있다는 의미이다. 따라서, 지속가능농업을 위한 여러 실천 기술을 도입하여 식량을 안정적으로 생산함과 동시 에 수질오염 등 환경에 대한 부정적인 영향을 최소화하고, 그와 함께 토양에서 방출되는 CO2를 저감하기 위한 노력이 필요하다. 더 나아가서 추가적으로 토양에 탄소를 저장함으로 써 에너지와 산업 분야에서 배출되는 온실가스를 상쇄할 수 있는 탄소배출권 거래에 대한 사회적 합의와 정책적 지원이 필요하다.
참고문헌
농업기술실용화재단. 2019. 농업·농촌 자발적 온실가스 감축사업 – 방법론 15건. 신한나, 2017. 미국의 농업부문 기후변화정책. 세계농업 199, 1-18.
환경부 온실가스정보센터. 2020. 2020 국가 온실가스 인벤토리 보고서. 한겨례. 2021. 2050 탄소중립을 위한 탄소농사 (2021.01.14. 발행) 농민신문. 2021. 2030, 2050 그리고 그 이후 (2021.06.23. 발행) Brady NC and Weil RR. 2006. The Nature and Properties of Soils.
FAO. 2021. Climate-smart agriculture case studies 2021 – Projects from around the world.
Rome.
Houghron RA. 2007. Balancing the Global Carbon Budget. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 35, 313-347.
IPCC. 2014. Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II, and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernment Panel on Climate Change. IPCC, Geneva, Switzerland.
Johnston AE. 1973. The effects of ley and arable cropping systems on the amounts of soil organic matter in the Rothamsted and Woburn Ley-arable experiments.
Rothamsted Experimental Station.
Minasny B. et al. 2017. Sol carbon 4 per mille. Geoderma 292, 59-86.
Temple J. 2020. Why we can’t count on carbon-sucking farms to slow climate change.
MIT Technology Review (2020. 6. 3).
Tollefson J. 2018. Clock ticking on climate action. Nature 562, 172-173.
참고사이트
식량농업기구(www.fao.org/faostat/en/#home)(검색일: 2021.07.30)
영국로탬스테드대학(http://www.era.rothamsted.ac.uk/site/rothamsted)(검색일: 2021.07.26) 미국 EPA (https://www.epa.gov/ghgemissions/global-greenhouse-gas-emissions-data)(검색
일: 2021.07.27)
미국 NRCS (https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/site/national/home/)(검색일: 2021.
07.27)
4 PER 1000 Initiative (https://www.4p1000.org/)(검색일: 2021.07.30)
