Evaluating the nitrogen footprint of Hanwoo beef farms: uncertainty analysis and mitigation strategies

Abstract

Nitrogen (N) lost during beef cattle production accompanies various environmental risks and has become a rising concern among agricultural stakeholders. The objective of this study was to quantify N losses from Hanwoo beef cattle production in Korea at the farm gate through a life cycle assessment approach. Field surveys conducted on 106 farms across the 9 provinces were compiled with publicly accessible data to identify regional distinctions in farming systems and evaluate total losses from beef production. Emission factors from the IPCC guidelines were used to calculate the results, which were expressed as N footprints (g N lost/kg of live body weight (LBW)). Uncertainty and sensitivity analyses were deployed to evaluate the precision of the results and identify factors that contributed to the output. The average N footprint was determined to be 132.8 g N/kg LBW and varied between provinces based on animal composition, manure management, field area and fertilizer application rates. Volatilization was the primary source of N losses, followed by leaching and denitrification, each contributing 68.4, 21.4, and 10.1 percent. Losses through fuel combustion were marginal. The uncertainty of the result was found to be 46.6 percent and was highly associated with emission factor uncertainties. We devised four feasible mitigation strategies that are cost-effective and do not penalize productivity, and evaluated their capacity for reducing N losses: dietary modification (Rumen undegradable protein; RUP) to decrease animal N excretion rates, microorganism additives to reduce volatilization from housing and manure storages, recycling manure within the farm to replace synthetic fertilizers, and distributing biochar to the field after fertilizer application to curtail losses from crop production. Combining these strategies demonstrated the potential to reduce 12.3 percent of the total N footprint. The extents of mitigation differed by province (ranging from 5.2 to 21.7 percent) and were shown to be contingent on feeding practices and type of crop cultivated. Overall, this study provides an universal metric that can be utilized to communicate the environmental impacts of Korean beef production with the global agricultural community. The analyses indicate that more precise results could be achieved with future endeavours toward developing country-specific emission factors. The mitigation potentials of the presented strategies propose possibilities for practical and sustainable beef production in Korea.

축산물 생산에 있어서 질소는 필수적인 영양소이지만, 최근에는 생산성 증대를 위해서 투입량이 증가하면서 온실가스, 하천 부영영화, 토양 오염 등의 여러 환경적인 문제가 발생하고 있다. 본 연구의 목표는 한우 농장의 사육과정에서 투입되는 사료량, 가축분뇨 배출량, 그리고 가축분뇨 처리과정과 퇴비 시용 과정에서 손실되는 질소를 전과정 평가(Life cycle assessment) 방법을 이용하여 평가하는데 있다. 연구에 필요한 자료는 전국의 지역별(도) 한우 농가 분포를 반영하는 총 106개소의 한우 농장을 현장 조사하여 2020년 기준의 공공자료와 농장 자체 기록들을 사용했다. 질소 손실량은 해당 자료들을 기후변화에 관한 정부 간 패널 (IPCC)에서 발행하는 지침서에 따라서 계산했고, 출하 kg 생체중(비육우와 송아지 판매)기준 g 질소 손실량이라는 질소 발자국 형태로 나타냈다. 또한 결과값의 정밀도와 결과에 기여한 요인들을 밝히기 위해 불확도와 민감도 평가를 진행했다. 결과적으로 질소 발자국은 132.8 g 질소/kg 생체중으로 평가되었고 사양단계별 구성, 가축분뇨 처리과정, 경작지 면적, 그리고 퇴비 시용량에 따라 지역별 차이가 나타났다. 손실된 경로로는 휘발된 비율이 68.4%로 가장 컸으며, 침출과 탈질화에 의해 손실된 비율은 각각 21.4%, 그리고 10.1%로였다. 연료 연소로 인해 손실된 질소량은 미미했다. 불확도 평가의 결과 46.6%라는 다소 높은 수치가 도출됐고 이 값은 계산과정에서 사용된 배출계수들의 불확도와 높은 상관관계를 보였다. 한우 생산과정에서 질소 손실 저감을 위해 생산성과 수익을 저하시키지 않는 네가지 감축전략들이 구상됐다. 구체적으로는 한우 질소 배출량을 줄이기 위한 반추위 비분해 단백질 급여, 우사와 분뇨 저장고에서 휘발되는 질소양을 줄이기 위해 미생물제 투여, 화학비료를 우사에서 나온 퇴비로 대체, 그리고 경작지에서 손실되는 질소를 줄이기 위해 비료시비 후 바이오차 살포이다. 모의 실행(simulation)을 통해 조사된 106개의 한우농장에 네가지 전략이 모두 적용되면 질소 발자국을 12.3% 줄일 수 있다는 것을 밝혀냈다. 다만 지역별로 감축 정도가 다르게 나타났으며 (최소 5.2%에서 최대 21.7%) 사료 급여형태와 경작된 작물의 종류에 따라 상이했다. 궁극적으로, 본 연구는 대한민국 쇠고기 산업이 환경에 끼치는 영향을 국제 농업 사회에 알릴 수 있는 질소 발자국이라는 지표를 제시했다. 또한 불확도에 영향을 주는 요인들을 분석함으로써, 국가 고유의 배출계수 개발을 통해 더 정밀한 결과값을 도출해낼 수 있다는 것을 알아냈다. 이 연구에서 구상된 질소 손실 감축전략들은 대한민국이 지속가능하고 실현가능한 한우 산업으로 도약할 수 있는 가능성을 제시한다.