미국의 정밀 농업: 치솟는 비료 값, 스마트 기술로 잡는다!

미국에서는 비료 부족 문제에 대한 해결책으로 정밀 농업 기술이 주목받고 있습니다. 이는 한국에서 농업의 지속가능성을 고려할 때 중요한 시사점을 제공합니다.

비료 가격 급등과 정밀 농업의 필요성

중동 지역의 불안정은 비료 가용성을 세계 식량 안보의 주요 문제로 부각시켰습니다. 전 세계 비료 무역의 최대 30%가 호르무즈 해협을 통과하며, 액화천연가스(비료 생산의 핵심 원료)의 주요 흐름 또한 이 경로를 이용합니다. 배송 지연은 농업 공급망 전반에 파급 효과를 미치고 있으며, 유엔 식량농업기구는 4월 중순까지 요소(널리 사용되는 질소 비료) 가격이 미국에서 52%, 브라질에서 60% 상승했다고 경고했습니다.

네덜란드 바헤닝언 대학교의 이오아니스 아타나시아디스 교수는 "전통적으로 비료는 비교적 저렴했기 때문에 농부들은 허용된 최대량을 사용하는 경우가 많았습니다. 이는 불확실한 기상 조건에 대한 보험 역할을 했습니다"라고 설명합니다. 그러나 이미 연료, 기계, 씨앗 비용으로 어려움을 겪는 농부들에게 비료 가격의 변동성은 낭비를 더욱 비싸게 만들고 있습니다.

정밀 비료 기술의 발전: 파종 시점의 혁신

정밀 농업은 이미 농부들이 화학 물질 사용을 줄이고 비용을 절감하는 데 도움을 주었으며, 컴퓨터 비전 시스템은 잡초를 식별하고 필요한 곳에만 제초제 분사 노즐을 작동시킬 수 있습니다. 하지만 비료는 더 어려운 문제입니다. 많은 비료의 핵심 영양소인 질소는 눈에 보이지 않고, 토양에서 이동성이 높으며, 작물이 흡수하기 전에 뿌리층 아래로 씻겨 내려갈 수 있습니다.

캘리포니아에 본사를 둔 농업용 컴퓨터 비전 기술 개발 회사인 블루 리버 테크놀로지(Blue River Technology)의 기술 담당자 크리스 패드윅은 "문제는 식물과 토양이 실제로 얼마나 많은 질소를 가지고 있는지 정확히 알 수 없다는 것입니다"라고 말합니다. 블루 리버는 모회사인 존 디어(John Deere)와 함께 파종 시에만 적용할 수 있는 정밀 비료 기술인 ‘이그젝트샷(ExactShot)’을 개발했습니다. 이 시스템은 씨앗이 토양에 들어갈 때마다 감지하여 몇 방울의 시작 비료를 씨앗 위에 직접 분사하며, 이는 줄을 따라 연속적으로 비료를 적용하는 대신 사용됩니다. 블루 리버는 이 시스템이 시작 비료 사용량을 60% 이상 절감할 수 있으며, 미국 옥수수 작물 전체에서 연간 9,300만 갤런 이상을 절약할 수 있다고 밝혔습니다.

작물 생장기 질소 적용의 난제와 실시간 토양 분석

작물 생장 후기에는 날씨, 토양 유형, 이전 적용량, 해당 구역에서 이미 발생한 상황에 따라 작물의 필요량이 달라지므로 더욱 어려운 작업이 됩니다. 정밀 제초제 살포기 중 다수는 역Y자 형태의 부착물을 장착하여 옥수수 식물 근처에 호스를 끌고 다니며 성장기 동안 줄 근처에 액체 질소를 흘려보낼 수 있습니다. 그러나 밭의 어느 부분이 실제로 질소를 필요로 하는지에 대한 신뢰할 수 있는 정보 없이는 적용이 비선택적으로 남아있습니다.

패드윅은 블루 리버가 자사의 작물 영상 시스템이 "디지털 스캐너"로 식물 건강을 분석할 수 있는지 테스트하고 있다고 말합니다. 하지만 통찰력을 얻는 것이 정확하게 해석하는 것과 같은 의미는 아닙니다. 잎이 노랗게 변하거나 엽록소가 감소하는 것은 영양 결핍을 나타낼 수 있지만, 가뭄 스트레스, 질병 또는 해충 피해를 나타낼 수도 있습니다. 이것이 바로 일부 회사들이 캐노피 아래로 이동하여 토양으로 들어가 직접 측정을 통해 사용 가능한 영양소에 대한 더 객관적인 정보를 얻으려는 이유입니다.

미국 아이오와주에 기반을 둔 엔센스(N-Sense)는 토양 분석을 위한 이동식 기계에 주목하고 있습니다. 이 회사의 프로토타입 토양 질산염 센서는 트럭에 의해 밭을 통과하며 실시간으로 질산염 농도를 측정할 수 있습니다. 이 시스템은 중간 적외선에서 작동하는 견고한 소형 푸리에 변환 적외선 분광계와 다이아몬드 인터페이스를 결합하여 사용합니다. 토양이 다이아몬드의 한쪽 끝에 눌리면 적외선이 다른 쪽을 통과하여 기기가 질산염을 감지할 수 있으며, 다이아몬드는 광학 표면을 마모로부터 보호합니다. 엔센스의 사장이자 CEO인 데이비드 레어드는 "질산염은 특히 감지하기 어렵습니다. 자외선에서는 토양의 많은 물질이 반응하여 질산염 신호를 분리하기 매우 어렵습니다. 하지만 중간 적외선에서는 질산염 대역을 분리하여 강한 신호를 얻을 수 있습니다"라고 설명했습니다.

현장 실시간 토양 분석 솔루션: 스텐온의 FarmLab

엔센스의 센서는 질산염 데이터를 머신러닝 소프트웨어에 공급하며, 이 소프트웨어는 토양 조사 데이터, 위성 이미지, 수확량 데이터를 활용하여 비료 처방을 생성하고 이를 트랙터에 직접 업로드할 수 있습니다. 레어드는 "질소만 따로 보아서는 안 됩니다. 토양의 질소 함량이 낮더라도 물 가용성이 생산성을 제한하는 요인이라면 질소를 추가하는 것은 도움이 되지 않을 것입니다"라고 강조합니다. 작년에 테스트한 한 밭에서 엔센스는 총 질소 비료 사용량을 약 30% 절감했다고 말합니다.

독일 포츠담에 위치한 농업 기술 회사인 스텐온(Stenon)은 농부들에게 현장에서 직접 실시간 측정값을 제공하도록 설계된 모바일 토양 분석 장치인 ‘팜랩(FarmLab)’을 개발했습니다. 이 휴대용 프로브를 토양에 밀어 넣으면 토양이 빛을 흡수하고 반사하는 방식을 읽는 광학 분광학이 임피던스 기반 전기 측정과 결합됩니다. 전기 측정은 작은 전기 신호를 땅으로 보내 수분, 염분 및 영양 이온의 영향을 받는 특성을 포착합니다. 환경 센서는 온도와 습도를 포착하고, 각 판독값에 위치를 연결하는 GPS 태그도 있습니다. 클라우드 컴퓨팅과 머신러닝은 원시 신호를 사용 가능한 토양 데이터로 변환합니다. 목표는 질산염, 미네랄 질소, 수분 및 비료 결정에 지침이 될 수 있는 핵심 토양 매개변수를 추론하는 것입니다.

스텐온의 설립자이자 CEO인 닐스 그라버트는 유럽이 농업 질산염 오염으로부터 지하수와 지표수를 보호하기 위한 법률인 ‘질산염 지침’을 시행하기 시작했을 때 이 아이디어를 얻었다고 말합니다. 당시 농부들은 질소 손실을 줄여야 했지만 밭에 있는 질소에 대한 실시간 정보가 부족했습니다. 그라버트는 "국가와 테스트하는 매개변수에 따라 토양 검사 결과를 받는 데 2주에서 8주가 걸릴 수 있습니다. 이는 농부들이 토양 자체가 얼마나 많은 영양분을 제공할 수 있는지 실시간으로 알지 못한다는 것을 의미합니다"라고 지적합니다. 팜랩은 희박한 실험실 테스트를 더 빠르고 밀도 높은 현장 데이터로 대체하기 위함입니다. 100헥타르 농장에서 농업 전문가는 2헥타르마다 한 번씩 판독하여 GPS 태그가 지정된 측정값을 영양 지도 및 비료 비율로 변환하고 이를 농기계 또는 관리 플랫폼으로 보낼 수 있습니다. 그라버트는 이 기술이 작물 및 생산 시스템에 따라 비료 사용량을 평균 약 20% 줄이고 수확량을 2~8% 증가시킬 수 있다고 말합니다.

통합적 접근의 중요성

네덜란드 아타나시아디스 교수는 이러한 시스템이 올바른 방향을 제시하지만, 그 자체만으로는 충분하지 않다고 말합니다. 그는 "마법 같은 해결책은 없습니다. 센서, 로봇 공학, AI, 정부 지원, 그리고 농부들의 참여가 모두 함께 작동해야 합니다"라고 강조하며, 정밀 농업 기술의 성공적인 도입을 위해서는 다각적인 노력이 필요함을 시사했습니다.