인류는 농업이 시작되면서부터 지력에 크게 의존하게 되었습니다. 지력을 많이 소모하는 작물은 재배할수록 토양의 영양분을 고갈시켜 생산량이 매년 줄어드는 어려운 상황이 발생했습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 휴경지, 즉 일정 기간 동안 경작을 중단하고 땅을 쉬게 하거나 질소를 공급하는 콩 같은 작물을 심어 윤작을 하는 등의 방법을 사용했습니다. 하지만 이러한 전통적인 농법은 근본적인 해결책이 아니었고 농업 생산성의 한계를 극복하기에는 부족했습니다.
질소 비료의 개발
인류의 농업 문제를 근본적으로 해결한 것은 20세기 초 독일의 화학자 프리츠 하버와 카를 보슈의 질소 비료의 개발이었습니다. 하버와 보슈는 하버-보슈 공정을 통해 대기 중의 질소를 활용하여 암모니아를 합성하는 방법을 개발했습니다.
하버-보슈 공정의 기본 원리는 대기 중의 질소(N₂)와 수소(H₂)를 반응시켜 암모니아(NH₃)를 생성하는 것입니다. 하버-보슈 공정은 고온(약 500도)과 고압(약 200기압)의 조건에서 철을 주촉매로 사용합니다. 프리츠 하버는 1909년에 하버-보슈 공정을 실험실에서 성공적으로 시연하였고 이후 카를 보슈는 대량 생산까지 이뤄냈습니다.
농업 생산성 변화와 인구수 증가
자연 상태에서 토양의 질소는 미생물의 활동 등으로 천천히 축적되기 때문에 농작물이 충분한 질소를 얻기 어려웠습니다. 그러나 하버-보슈 공정으로 생산된 질소 비료로 인해 이러한 한계를 극복할 수 있게 되었습니다.
질소 비료는 작물의 성장에 필요한 필수 영양소인 질소를 충분히 공급하며 작물의 생장 속도와 크기를 크게 향상시켰습니다. 질소는 식물의 엽록소 형성에 중요한 역할을 하기에 질소 비료는 광합성 효율을 높이고 많은 작물을 생산할 수 있습니다.
질소 비료 개발 시기인 20세기 초반부터 중반까지 세계 인구는 급격히 증가했습니다. 이 시기에 식량 수요는 폭발적으로 증가했으며 전통적인 농업 방식만으로는 이를 충족시키기 어려웠습니다. 하버-보슈 공정으로 생산된 질소 비료는 이러한 상황에서 농업 생산성을 비약적으로 향상시켰고 많은 인구를 유지할 수 있는 식량을 제공했습니다.