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¿Suelos agrícolas encharcados?
17 enero, 2018
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La encrucijada del nitrógeno. Hacia un modelo de fertilización agroecológica

El nitrógeno es el nutriente limitante clave para la mayoría de los cultivos y muchos ecosistemas acuáticos y terrestres. Lamentablemente, el aumento masivo de N antropogénico introducido en el medio ambiente, en gran medida a través de fertilizantes nitrogenados de síntesis, ha tenido consecuencias ambientales negativas significativas [1],[2]. El vínculo entre la agricultura y la contaminación por nitratos está bien establecido con impactos sobre el agua potable [3],[4] y la eutrofización del agua dulce y los ecosistemas marinos, incluida la proliferación de floraciones de algas nocivas y “zonas muertas” en ecosistemas marinos costeros[5].

El descubrimiento del proceso Haber-Bosch a principios de siglo XX, que combina N del aire con H2 de una fuente de energía bajo alta presión para la producción de amoniaco, supuso una revolución en la fertilización de los cultivos. Se abría de esta forma, la posibilidad de obtener nitrógeno de síntesis con el que evitar la dependencia de los cultivos de la fertilización con estiércoles animales, del guano o de los nitratos sudamericanos. Por el contrario, se comenzaba un período marcado por el desacoplamiento de los ciclos naturales de fertilización, basados principalmente en la utilización de estiércoles animales, comenzando una etapa caracterizada por la importación de crecientes cantidades de fertilizantes químicos, provenientes del exterior y que rompió los ciclos del nitrógeno en los cultivos de España en el período comprendido entre 1960-2008[6]. A partir de la segunda guerra mundial, comienza la expansión de la fertilización química en lo que se conoce como Revolución Verde, hecho que permitió que entre 1961 y 2014, la producción mundial de granos aumentara 4 veces, para el que tuvo que ser necesario que la cantidad de fertilizante nitrogenado empleado, aumentara casi 10 veces[7]. Durante el mismo período de tiempo, la población mundial aumentó de 3.1 mil millones a 7.3 mil millones, y se espera que alcance los 9.8 mil millones para 2050[8]. Los cultivos de cereales usan grandes cantidades de fertilizantes, y se ha estimado que el nitrógeno sintético es responsable de alimentar a más del 50% de la población mundial; sin ella, la población mundial no podría haber aumentado al nivel que tiene[9].

Alrededor del 48% del grano producido en el mundo es consumido directamente por los humanos, aportando aproximadamente el 48% de las calorías necesarias. Prácticamente todo el arroz producido es consumido por humanos, mientras que el 17% del trigo y el 35% del maíz es para alimentar a lo animales[10].

Según la FAO, la población mundial aumentará en un tercio entre 2009 y 2050, pero la producción global de alimentos y fibras tendrá que aumentar en un 70% [11]. En 2009, los fertilizantes comerciales fueron responsables del 40% al 60% de la producción mundial de alimentos.Esencialmente, todos los incrementos futuros en la producción de granos dependerán del agregado de fertilizante porque no se espera que la cantidad de tierras de cultivo aumente significativamente; los rendimientos por unidad de tierras de cultivo deben aumentar y requieren mayores tasas de fertilizantes N y P.

Un modelo en la encrucijada

La encrucijada en la que se encuentra el modelo convencional de producción de alimentos, basado en la fertilización química es que, si la tierra cultivable no es susceptible de aumentar para hacer frente a la demanda global esperada, será necesario aumentar el rendimiento de las cosechas. El problema es que ya no es posible aumentar la dosis de nitrógeno para aumentar el rendimiento[12]. Por el contrario, se genera un problema mayor debido a que gran parte de nitrógeno reactivo aportado no puede ser asimilado por las plantas y termina generando graves problemas en los ecosistemas[13].  Un balance de N sobrante conduce a la contaminación con NH3, N2O, N2O3 o NO, mientras que un balance de déficit de N conduce a una baja fertilidad del suelo al agotar las reservas de nutrientes del suelo, lo que resulta en un rendimiento deficiente del cultivo[14].

Además, el uso eficiente del fertilizante N generalmente requiere un fertilizante de fósforo (P) que se obtiene a partir del fosfato de roca derivado de las minas. Por lo tanto, cada año sucesivo se agregan al medio ambiente cantidades considerables de N y P de fuentes externas que conducen a problemas ambientales y sociales.

Problemas generados por la fertilización nitrogenada de síntesis

La aplicación excesiva y/o inadecuada de fertilizantes nitrogenados sintéticos, genera diferentes afecciones en el medio:

  • Impacto en suelos: uno de los experimentos más longevos en Norteamérica acerca de los impactos de los métodos de producción agrícola convencional en la calidad del suelo, ha revelado que altos aportes de N de síntesis agotan el carbono del suelo, dificultan la capacidad microbiológica de fijar nitrógeno, atrofian su capacidad para retener agua y también agotan el N del suelo[15],[16].
  • Incidencia sobre las aguas: La lixiviación de NO3- hacia el subsuelo puede contaminar los acuíferos subterráneos, genera impactos sobre el agua potable y la eutrofización del agua dulce, así como sobre los ecosistemas marinos, incluida la proliferación de floraciones de algas nocivas y “zonas muertas” en ecosistemas marinos costeros[17],[18].
  • El excesivo uso de fertilizantes químicos nitrogenados puede llevar a desequilibrios alimenticios en plantas, dando como resultado una frecuencia más alta del daño por parte de parásitos y enfermedades de insectos [19],[20].
  • Salud humana: El consumo de agua con elevados niveles de NO3- puede crear graves problemas de salud debido a su transformación en NO2-. Los NO2- pueden transformarse en compuestos cancerígenos (nitrosaminas), que afectan al estómago e hígado y que en los bebés pueden generar metahemoglobinemia.
  • Afecciones atmósfera: el nitrógeno puede liberarse a la atmósfera en forma de óxido nitroso (N2O), que se trata de un gas con un elevado potencial de calentamiento global, de unas 296 veces superior al CO2[21].
  • Económicas: además del elevado coste que supone en algunos casos la descontaminación de aguas (El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos estima que el costo de eliminar los nitratos del agua potable del país es de más de 4,8 billones de dólares al año), también se genera un impacto en aquellas zonas donde los acuíferos presentan una elevada utilización, debido a que la contaminación, supone la inhabilitación del recurso[22].

Separación entre agricultura y ganadería

No siempre ha sido así. Antes de la mal llamada Revolución Verde, los animales se alimentaban de manera mayoritaria a base de pasto y de restos de cultivos agrícolas, con lo que la fertilización de nitrógeno se realizaba “in situ”.

La separación entre agricultura y ganadería, rompe la interdependencia que se establece entre ganado-suelo-plantas, cesando la circulación de la materia en forma de forrajes y deyecciones. En el modelo de producción agroecológico, una buena parte de las extracciones de las cosechas se devuelven al suelo en forma de residuos, estiércol, etc., lo que contribuye a cerrar los ciclos de fertilidad dentro de las fincas. Esto no sucede en el modelo convencional, debido a que la biomasa producida se consume preferentemente fuera de los ecosistemas naturales, se desaprovechan muchos residuos agrícolas (paja, estiércoles y purines) y apenas se utilizan los residuos urbanos e industriales. Esto conlleva una disminución de la fertilidad del suelo, debido a un escaso nivel de humus y la consiguiente mineralización del suelo. La concentración del ganado en explotaciones sin tierra crea en muchos casos problemas con las deyecciones, constituyendo una carga que hay que eliminar, en vez de un recurso que hay que utilizar. La eliminación de estas deyecciones supone unos costes añadidos, ocasionando con mucha frecuencia una contaminación más o menos grave. Por otro lado, al no reciclar los elementos nutritivos contenidos en ellas, es necesario incrementar la dosis de abonos minerales, aparte de perderse la acción beneficiosa de la materia orgánica en el suelo[23].

El suelo responde de manera positiva a la presencia de animales si el manejo es apropiado. Además de los beneficios derivados de la adición de estiércol y orina en los suelos, el pastoreo de alta intensidad y corta duración aumenta la exudación de las raíces y estimula el número y la actividad de las bacterias asociativas fijadoras de nitrógeno en la rizosfera, que se disparan en respuesta a la defoliación y proporcionan el N extra requerido por la planta para la producción de nuevo crecimiento[24].

El papel de la biología en la fertilización

Aproximadamente el 65% de los cultivos utilizados en pastos y cultivos del nitrógeno empleado, es fijado por la microbiología[25]. El gas atmosférico es transformado en una forma biológicamente activa y asimilable por las plantas. El amonio producido, se fija de manera natural en moléculas orgánicas como aminoácidos y humus. Estas moléculas estables son vitales para la fertilidad del suelo y no pueden ser volatilizadas o lixiviadas del sistema del suelo. Para ello, es imprescindible el trabajo que realizan las bacterias asociadas a las leguminosas y los hongos micorriza que, aunque no fijan directamente nitrógeno, proporcionan azúcares a las bacterias encargadas de fijar nitrógeno y llevarlo a la planta. Esta es la forma que la biología tiene para cerrar el ciclo del N, reduciendo la nitrificación, desnitrificación, volatilización y lixiviado.

Cuando se proporciona N inorgánico, el suministro de carbono a los microbios asociativos fijadores de nitrógeno se inhibe, dando lugar a suelos pobres en carbono.

La diversidad y abundancia de microbios fijadores de N es mayor cuando el suelo dispone de cubierta vegetal todo el año (en particular las plantas de la familia de las gramíneas).

La micorriza transporta carbono en forma de azúcares a los microbios del suelo que intervienen en la nutrición vegetal y la supresión de las enfermedades. El nitrógeno orgánico, fósforo, azufre, potasio, calcio, magnesio, hierro y oligoelementos esenciales tales como zinc, manganeso y cobre retornan a las plantas a cambio de carbono. Las transferencias de nutrientes son inhibidas cuando se aplican altas tasas de nitrógeno y/o fósforo inorgánicos.

Un suelo con una relación C/N adecuada, permite la generación de agregados que son determinantes en el suelo, ya que proporcionan condiciones para el cultivo, porosidad y capacidad de retención de agua. Esto permite fijar cantidades importantes de N atmosférico, secuestrar el CO2 atmosférico en formas estables de carbono (humus) y solubilizar el P inmovilizado en el suelo.

La colonización de micorrizas es baja cuando se aplican grandes cantidades de N inorgánico y las micorrizas están inactivas en ausencia de plantas. De ahí que la fijación biológica de nitrógeno y la humificación sean raras en los sistemas agrícolas donde los cultivos fuertemente fertilizados con N están en rotación con barbechos desnudos. Cuando existe cubierta vegetal, este N puede ser absorbido y reciclado, evitando la pérdida irrecuperable.

Cuando el suelo está desnudo no hay fotosíntesis y prácticamente no existe actividad biológica. Los suelos desnudos pierden carbono y nitrógeno, los ciclos de nutrientes se vuelven disfuncionales, los agregados se deterioran, la estructura empeora y la capacidad de retención de agua se reduce.

Fertilización agroecológica

El modelo actual de producción de alimentos, basada en la fertilización nitrogenada de síntesis, se encuentra en una encrucijada. Aunque se están haciendo grandes esfuerzos en reducir las dosis de nitrógeno empleadas tratando evitar las pérdidas (con las repercusiones que ello acarrea), difícilmente va a poder aumentar el rendimiento de los cultivos para hacer frente al aumento de la demanda de alimentos que el aumento poblacional va a requerir en las próximas décadas.

Los problemas relacionados con el fósforo y sobre todo, la destrucción de las reservas de fertilidad de los suelos en forma de humus de los suelos, nos obligan a plantearnos un giro drástico en el modelo de producción agrícola a otro modelo basado en la comprensión del funcionamiento de los agroecosistemas, en la capacidad biológica de fijar nitrógeno y carbono atmosférico, una mayor integración entre agricultura y ganadería, en una mayor diversificación de las fincas y sobre todo, en el estudio y el conocimiento del funcionamiento de los ciclos biogeoquímicos en la naturaleza.

Hoy más que nunca, es necesaria una transición hacia un modelo agroecológico de producción sana de alimentos, respetuoso con el medioambiente y las personas. Un modelo que iremos desgranando en próximas entradas ene este blog y que entre otros, aporta los siguientes beneficios:

  • Económicos: menores insumos para la producción, permiten que el beneficio final sea mayor que en explotaciones convencionales, disminución de externalidades económicas, etc.
  • Ecológicos: cierre de ciclos de materia y energía, mejora de suelos, mayor capacidad de retención de agua y nutrientes, mayor biodiversidad, no genera residuos ni impactos no deseados en el medio, etc.
  • Sociales: mejora de las condiciones de las personas agricultoras, generación de un entorno sano y saludable, disminución de la concentración de tierra y capital en pocas manos, mejora en la salud de la población, etc.

El conocimiento científico acumulado durante las últimas décadas está permitiendo el desarrollo de prácticas dentro de lo que se conoce como Agricultura y Ganadería Regenerativa que, además de ser sistemas de alta productividad, son capaces de solucionar gran parte de los retos climáticos y medioambientales a los que nos enfrentamos a lo largo de este siglo XXI.

La buena noticia es que tenemos el conocimiento y la tecnología necesarios para realizarlo.

 

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[1] Brown, LR (2011) World on the edge. How to prevent environmental and economic collapse. New York: W.W. Norton & Company. 240 p.

[2] Vitousek PM, Naylor R, Crews T, David MB, Drinkwater LE, et al. (2009) Nutrient imbalances in agricultural development. Science 324: 1519–1520.

[3] Powlson DS, Addiscott TM, Benjamin N, Cassman KG, de Koky TM, et al. (2006) When does nitrate become a risk for humans? J Environ. Qual 37: 291–295.

[4] Galloway JN, Townsend AR, Erisman JW, Bekunda M, Cai Z, et al. (2008) Transformation of the nitrogen cycle: Recent trends, questions, and potential solutions. Science 320: 889– 892.

[5] U.S. Environmental Protection Agency (2007) Hypoxia in the Northern Gulf of Mexico: an update by the EPA Science Advisory Board. EPA-SAB-08-003. Washington (D.C.): U.S. En- vironmental Protection Agency.

[6] Guzmán, G. I., E. Aguilera, R. García-Ruiz, E. Torremocha, D. Soto-Fernández, J. Infante-Amate, and M. González de Molina. 2018. The agrarian metabolism as a tool for assessing agrarian sustainability, and its application to Spanish agriculture (1960-2008). Ecology and Society 23(1):2. https://doi.org/10.5751/ES-09773-230102

[7] FAOSTAT (Food and Agriculture Organization of the United Nations). 2017. Food and Agriculture Organization Corporate Statistical Database Statistics Division. Rome: FAO.

[8] Stewart, B.A. & Lal, Rattan. (2017). The nitrogen dilemma: Food or the environment. Journal of Soil and Water Conservation. 72. 124A-128A. 10.2489/jswc.72.6.124A.

[9] Smil,V. 2001. Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production. Boston: MIT Press.

[10] Worldwatch Institute. 2016. Pesticides pose risk in rural and urban communities alike. http://www. worldwatch.org/node/5359.

[11] FAO. 2009. Global Agriculture Towards 2050. September 23, 2009. Rome: FAO. http://www. fao.org/news/story/en/item/35571/icode/.

[12] Stewart, B.A. & Lal, Rattan. (2017). The nitrogen dilemma: Food or the environment. Journal of Soil and Water Conservation. 72. 124A-128A. 10.2489/jswc.72.6.124A.

[13] Cassman, K.G.,A.R. Dobermann, D.T.Walters. 2002. Agroecosystems, nitrogen-use efficiency, and nitrogen management.Ambio 31:132.

[14] Bouwman AF, van Drecht G, van der Hoek KW (2005) Surface N balance and reactive N loss to the environment from global intensive agricultur- al production systems for the period 1970-2030. Science in China 48: 1–13.

[15] Khan, S.A, Mulvaney, R.L, Ellsworth, T.R. and Boast, C.W. (2007). The myth of nitrogen fertilization for soil carbon sequestration. Journal of Environmental Quality 36:1821-1832. doi:10.2134/jeq2007.0099

[16] Larson, D. L (2007). Study reveals that nitrogen fertilizers deplete soil organic carbon. University of Illinois news, October 29, 2007. http://www.aces.uiuc.edu/news/internal/preview.cfm?NID=4185

[17] Powlson DS, Addiscott TM, Benjamin N, Cassman KG, de Koky TM, et al. (2006) When does nitrate become a risk for humans? J Environ. Qual 37: 291–295.

[18] Galloway JN, Townsend AR, Erisman JW, Bekunda M, Cai Z, et al. (2008) Transformation of the nitrogen cycle: Recent trends, questions, and potential solutions. Science 320: 889– 892.

[19] Conway GR, Pretty JN. 1991. Unwelcome harvest: Agriculture and pollution. London: Earthscan.

[20] McGuiness H. 1993. Living soils: Sustainable alternatives to chemical fertilizers for developing countries. Unpublished manuscript, Consumers Policy Institute, New York.

[21] U.S. Environmental Protection Agency (2010) Inventory of U.S. greenhouse gas emissions and sinks: 1990-2008. 15 April 2010, EPA 430-R-10- 006. Washington (D.C.): U.S. Environmental Protection Agency. Available: http://epa.gov/ climatechange/emissions/usgginv_archive.html. Accessed 20 July 2011.

[22] Ceres (2014). Water and climate risks facing U.S. corn production. 11 June 2014. http://www.ceres.org/issues/water/agriculture/the-cost-of-corn/the-cost-of-corn

[23] Fuentes Yagüe, J.L. La fertilización en una agricultura alternativa. Hojas Divulgadoras Núm. 10/93 HD. 1994. Ministerio Agricultura, Pesca y Alimentación.

[24] Jones, Christine, “Liquid Carbon Pathway Unrecognised,” Australian Farm Journal, July 2008

[25] Jones, Christine. 2014. Nitrogen: the double-edged sword