1990년부터 2013년까지 우리나라 축산부문 온실가스 배출량 평가

1. 서 론

인간의 활동에서 배출되는 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O)와 같은 온실가스(GHG; Greenhouse Gas)는 지구온난화의 주원인이다(IPCC, 2006). 화석연료 연소나 토지이용 변화로 배출되는 CO₂가 온실가스의 큰 부분을 차지하더라도 CH₄와 N₂O 역시 지구온난화에 상당한 영향을 미친다. 기후변화에 대한 정부 간 협의체(IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change) 가이드라인에서는 축산부문에서 배출되는 비에너지 부문의 온실가스를 CH₄와 N₂O로 규정하고 있다. CH₄는 장내발효와 가축분뇨처리 과정에서 발생되고, N₂O는 가축분뇨처리만 발생된다. 장내발효에 의한 CH₄는 주로 반추가축이 섭취한 사료가 미생물에 의해 발효되는 과정에서 트림이나 방귀로 배출되고, 비반추 가축에서도 소량이 배출된다. 가축분뇨 처리과정에서의 CH₄는 가축분뇨 내 유기물이 미생물에 의해 분해될 때 발생되며, N₂O는 분뇨 내 질소 성분이 질산화와 탈질화 과정을 거치면서 발생된다(FAO, 2013; IPCC, 2006).

전 세계 온실가스 배출량의 약 9%는 축산부문에서 발생하였다(IPCC, 2007). 농업 분야는 경종부문(농작물 재배)과 축산부문으로 나누어지는데, 축산부문 온실가스 배출원은 장내발효 부문과 가축분뇨처리 부문으로 다시 나누어진다. 2011년 국가 전체 온실가스 배출량 중 농업 분야의 배출량은 3.2%를 차지하였고, 축산부문 배출량은 농업분야 전체 배출량의 46.0%를 차지하였다(Yang et al., 2014).

우리나라는 2009년 국가 중기 온실가스 감축목표로 2020년까지 Business As Usual(BAU) 대비 30% 감축이라는 자발적 목표를 발표하였으나, 이 목표는 2015년에 2030년까지 BAU 대비 37%로 상향된 수준으로 수정되었다. 이러한 자발적 감축을 위해 국가 온실가스 인벤토리의 체계적 작성이 필요로 하게 되었고, 2010년 저탄소 녹색성장 기본법’이 시행됨에 따라 매년 국가 온실가스 인벤토리 보고서가 작성되고 있다. 이에 따라 국립축산과학원은 매년 축산부문 온실가스 배출량을 산정하여 국가 인벤토리 보고서를 작성하고 있으며, 최근 Yang et al.(2014)은 모든 가축의 사육두수를 계산할 때 3년간의 평균 사육두수를 계산하고, 그것을 바탕으로 하여 2011년도 축산부문 온실가스 배출량을 산정했다. 하지만 본 연구에서는 한·육우, 젖소, 돼지, 닭의 사육두수는 분기별 평균값을 연평균으로 하여 해당 연도의 사육두수로 사용하고, 그 외 가축의 경우는 3년 평균값으로 계산하였다. 1996 IPCC 지침에 따르면 계산방법이 변경되면 시계열 분석을 1990년부터 새롭게 해야 한다. 따라서 본 연구에서는 새롭게 산정된 축산부문 온실가스 배출량 시계열 추이(1990∼2013)를 조사하였다.

2. 재료 및 방법

축산부문 온실가스 배출량은 장내발효에 의한 CH₄ 배출과 가축분뇨처리과정에서의 CH₄ 및 N₂O 배출로 구분하여 산정하였다. 온실가스 배출원은 젖소, 한·육우, 양(면양), 염소(산양), 말, 돼지, 가금류(닭, 오리), 기타 가축(사슴)으로 구분된다.

활동자료로는 축종별 사육두수를 적용하였다. 분기별 자료 확보가 가능한 젖소, 한·육우, 돼지, 닭, 오리는 분기별 사육두수의 연평균 값을 적용하였고, 연간 자료 확보가 가능한 양, 염소, 말, 사슴은 3년 평균값(해당년도 및 직전 2개년까지의 사육두수)을 적용하였다.

산정 방법으로는 1996 IPCC 지침의 Tier 1 방법을 사용하였고, 산정기간(1990∼2013)의 장내발효 및 가축분뇨 부분 온실가스 배출량을 계산하였다.

2.1 장내발효

장내발효에 의한 CH₄ 배출량은 축종별 활동자료(사육두수)에 1966 IPCC 지침의 Tier 1 기본 배출계수(Table 1)를 곱하여 산정하였다. 배출계수는 1996 IPCC 지침의 각 지역별 Tier 1 배출계수가 얼마나 국가 현실에 적합한지를 고려하였다. 장내발효에 의한 CH₄ 배출량 계산식은 다음과 같다.

Table 1

CH4 emission factors for enteric fermentation (IPCC, 1996)

·장내발효 부문의 CH₄ 배출량 산정식
E_i = EF_i×popplation_i(10⁶ kg/Gg)

E_i = 가축종 i의 CH₄ 배출량(천톤 CH₄/year)
EF_i = 가축종 i의 배출계수(kg CH₄/head/year)
Populationi = 가축종 i의 사육두수(head)

2.2 가축분뇨처리

가축분뇨처리 중 발생되는 온실가스는 CH₄와 N₂O이다. 배출량은 1996 IPCC 지침을 기반으로 하여 액비화 시설(Liquid system), 퇴비화 시설(Solid storage and drylot), 기타 시설(정화처리 및 기타 자체처리, 위탁처리)로 구분하여 산정되었다.

가축분뇨처리 중 발생되는 CH₄는 장내발효 부문에서 사용된 산정식과 동일하게 축종별 활동자료에 1966 IPCC 지침의 Tier 1 기본 배출계수(Table 2)를 곱하여 산정하였다.

Table 2

CH4 emission factors for livestock manure management (IPCC, 1996)

가축분뇨처리 중 N₂O 배출량은 가축분뇨처리시설의 N₂O 배출계수, 축종별로 배출되는 연평균 질소량. 가축분뇨처리시설의 비율을 이용하여 산정하였다. N₂O 배출계수(Table 3)와 축종별로 배출되는 연평균 질소량(Table 4)은 1996 IPCC 지침의 기본값을 사용하였다. 축종별 가축분뇨처리시설 이용 비율은 통계청 농림어업조사의 자료를 이용하였다(Table 5). 가축분뇨처리 부문 N₂O 배출량 산정식은 다음과 같다.

·가축분뇨처리 부문 N₂O 배출량 산정식

$\[ N_2{O}_D=\left[\sum _S\left[\sum _T\left(N_T\times N_{\mathit{ex}\left(T\right)}\times N_{\left(T,S\right)}\right)\right]\times {\mathit{EF}}_{3\left(S\right)}\right]\times 44/28 \]$

N₂O_D(mm) = 가축분뇨처리시설의 N₂O 배출량(kg N₂O/year)
N_(T) = 가축 종류와 분류에 따른 연간 사육두수
N_ex(T) = 축종별 분뇨로 배출하는 연평균 질소량 질소량(kg N/축종/year)
MS_(T,S) = 가축분뇨처리시설 S의 이용비율
EF_3(s) = 가축분뇨처리시설 S의 직접적인 아산화질소 배출계수(kg N₂O-N/kg N)
S = 가축분뇨처리시설
T = 가축의 종류/분류
44/28 = N을 N₂O로 전환하는 계수

Table 3

N2O emission factors for livestock manure management (IPCC, 1996)

Table 4

Tentative default values for nitrogen excretion per head of animal (IPCC, 1996)

Table 5

The utilization rate of animal waste management system (Statistics Korea, 2015) (Units: %)

2.3 가축 사육두수 변화

축산부문 온실가스 배출량 산정을 위한 활동자료인 가축 사육두수는 Table 6와 같다. 2013년 한·육우, 돼지, 닭의 사육두수는 1990년에 비해 각각 90%, 129%, 115% 증가하였다.

Table 6

Activity data (livestock populations) (Units: 1,000 heads)

3. 결과 및 고찰

3.1 장내발효에 의한 온실가스 배출량

2013년 축산부문 온실가스 배출량은 9.9 백만톤 CO₂-eq(장내발효 4.4백만 톤 CO₂-eq., 가축분뇨 5.5백만 톤 CO₂-eq.)로써 농업 분야 배출량의 47.6%를 차지하였고, 전년 대비 약 0.8% 증가하였다. 장내발효 부문 온실가스 배출량 시계열은 Table 7과 같다. 장내발효 부문 중 소에서 발생되는 온실가스 배출량은 전체 장내발효 배출량의 91.7%(젖소 23.9%, 한·육우 67.8%)를 차지하였다. 이는 소의 반추위 발효로 발생되는 메탄이 장내발효 온실가스의 주 배출원이기 때문이다. 그 외에 돼지에서 발생되는 장내발효 온실가스 배출량은 전체 장내발효 배출량의 7.3%를 차지하였고, 면양, 염소, 말, 사슴의 배출량 합계는 0.7%에 불과하였다. 1990년과 비교했을 때 2013년 장내발효 총 배출량이 47.4% 증가하였는데, 이는 1990년에 비해 2013년 한·육우의 사육두수가 90% 증가하였기 때문이다. 따라서 장내발효 부문 온실가스 배출량 감축을 위해서는 한·육우를 대상으로 하는 메탄저감 연구에 집중하는 것이 효율적일 것이다.

Table 7

Greenhouse gas emissions from enteric fermentation during 1990∼2013 (Units: thousand tons CO2-eq.)

화학적 첨가제, 생균제, 식물추출물 및 기타 첨가제 등이 장내발효 메탄 저감에 단기적인 효과를 보여주었지만, 장기적으로는 반추미생물 군집이 이러한 물질에 적응하여 메탄저감 효과가 감소되었다(Herrero et al., 2016). 그렇지만, 최근 연구에 의하면 젖소에서 메탄 inhibitor인 3-nitrooxypropanol의 첨가가 사료섭취나 섬유소 분해에 부정적인 영향이 없이 12주 동안 장기적으로 메탄 저감에 효과를 보여주기도 하였다(Hristov et al., 2015). 이처럼 주요 배출원인 한·육우에서도 장기적인 효과를 나타내는 메탄 저감제를 개발하여 국내 장내발효 온실가스 배출량을 감축시키도록 노력해야 할 것이다.

3.2 가축분뇨처리에 의한 온실가스 배출량

가축분뇨처리 부문의 온실가스 시계열 배출량은 Table 8과 같다. 2013년 가축분뇨처리 부문 온실가스 배출량은 5.5백만 톤 CO₂-eq.로써 축산부문 전체 배출량의 55.6%를 차지하였다. 한·육우에서 발생되는 배출량은 전체 가축분뇨처리 부문 배출량의 36.6%로 가장 많이 차지하였고, 다음으로 돼지(29.4%), 가금류(19.1%), 젖소(12.5%), 염소(1.8%)에서 배출량이 많았다.

Table 8

Greenhouse gas emissions from livestock manure during 1990∼2013 (Units: thousand tons CO2-eq.)

가축분뇨처리 부분의 온실가스 배출량은 전년 대비 약 2%로 정도 배출량이 증가하였고, 1990년과 비교했을 때 배출량이 75.5% 증가하였다. 1990년과 비교했을 때 젖소에서 배출량은 15.8% 감소하였고, 한·육우, 돼지, 가금류에서는 각각 92.6%, 112.8%, 146.4% 증가하였다. 이러한 가축분뇨처리 부문 온실가스 배출량의 변화는 사육두수에 비례하여 증감된 것으로 분석된다. 따라서 가축분뇨처리 부문 온실가스 배출량 감축을 위해서는 위의 주요 4축종 분뇨처리 연구에 집중해야 할 것이다.

가축분뇨처리 부문에서는 퇴비나 슬러리의 적절한 저장을 통하여 저감할 수 있다. 저감 방안으로는 저장온도 및 저장시간의 조절, 혐기적 분해 향상, 퇴비나 슬러리의 수분감소 및 산성화 등이 있다(FAO, 2013). 따라서 국내 가축분뇨처리 온실가스 주요 배출원인 한·육우, 돼지, 가금류의 분뇨처리시설에서 이러한 방법들을 통해 저감을 위한 연구가 수행되어야 할 것이다.

우리나라와는 달리 뉴질랜드의 경우 축산을 주요 산업으로 하고 있으며, 2009년 기준 국가 온실가스 배출량 중 장내발효과정에서 배출되는 CH₄이 차지하는 비중이 31.9%에 달한다(Ministry for the Environment, 2011). 미국은 국가 전체 온실가스 배출량 중 농업의 비중은 6.3%, 그리고 농업부문의 온실가스 배출량 중 장내발효과정과 가축분뇨처리과정의 비중은 각각 33.3%, 16.4%였기 때문에 축산부문이 농업부문에서 차지하는 비중이 49.4%에 달했다(USEPA, 2011). 이와 달리 우리나라와 비슷한 농업환경을 가지고 있는 일본의 경우를 보면, 농업부문은 국가 전체 온실가스 배출량의 2.1%를 차지하였고, 농업부문 내 장내발효과정과 가축분뇨처리과정의 비중은 각각 27.0%, 27.8%이었으므로 농업부문에서 축산부문의 비중이 54.8%였다(Ministry of the Environment, 2011).

향후 2006 IPCC 지침의 고도화된 방법으로 온실가스 배출량을 산정하기 위해서는 장내발효 부문의 경우, 축종별 메탄전환율(Ym), 사료의 총에너지(GE) 등 국가 고유 데이터를 확보해야 할 것이고, 가축분뇨처리 부문의 경우 가축분뇨 처리시설의 종류와 위치, 가축분뇨의 이화학적 특성, 가축분뇨 국가고유 휘발성 고형물에 대한 활동자료 등 국가고유 데이터를 지속적으로 축적해야 할 것이다.

4. 요 약

농업 분야는 경종부문과 축산부문으로 나누어지는데, 축산부문 온실가스 배출원은 장내발효 부문(CH₄)과 가축분뇨처리 부문(CH₄ 및 N₂O)으로 다시 나누어진다. 본 연구는 1990부터 2013년까지의 축산부문 온실가스 배출량을 1996 IPCC Tier 1 방법을 이용하여 산정하고, 배출량 증감의 원인을 분석하였다. 2013년 축산부문 온실가스 배출량은 9.9백만 톤 CO₂-eq로써 국가 전체 온실가스 배출량의 1.4%를 차지하였고, 농업분야 전체 배출량의 47.6%를 차지하였다. 장내발효 부문 배출량은 4.4백만 톤 CO₂-eq.로써 소에서의 배출량이 전체 장내발효 배출량의 91.7%(젖소 23.9%, 한·육우 67.8%)를 차지하였다. 가축분뇨처리 부문 배출량은 5.5백만 톤 CO₂-eq.로써 한·육우에서 배출량은 전체 가축분뇨처리 부문 배출량의 36.6%로 가장 많이 차지하였고, 다음으로 돼지(29.4%), 가금류(19.1%), 젖소(12.5%)에서 배출량이 많았다. 즉, 한·육우, 돼지, 닭이 축산부문 온실가스 배출량 변화에 주로 영향을 미치는 배출원인 것으로 분석되었는데, 이는 해당 축산물의 소비량이 증가함에 따라 가축 사육두수 또한 지속적으로 증가했기 때문이라고 할 수 있다.

축산부문 온실가스 배출량의 정확도를 높이기 위해서는 현재 사용하고 있는 IPCC 기본 배출계수 대신 국가고유 배출계수를 개발하여 배출량 값의 신뢰도를 높이는 것이 중요하다. 따라서 국가고유 배출계수 산정 고도화에 필요한 원시자료 확보를 위한 연구를 지속적으로 수행해야 할 것이다.

Acknowledgments

본 성과물은 농촌진흥청 연구사업(세부과제명: 양돈 관련 축산시설의 온실가스 배출 특성 연구, 세부과제번호: PJ010-14602)의 지원에 의해 이루어진 것임.

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