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El uso de la energía en la agricultura, una visión general

Este artículo pasa revista al aporte y la producción de energía en diferentes sistemas de producción de maíz. Examinamos la evolución de los sistemas sostenibles de bajos insumos a sistemas de altos insumos cuya sostenibilidad es cuestionable. Los sistemas de alto uso de insumos pueden volverse más sostenibles si se aprende de los sistemas tradicionales, y se adopta una serie de prácticas agronómicas que hacen un uso más eficiente de los recursos disponibles en la finca y los conservan.

Volumen 21, número 1, junio de 2005 - Energía en la finca

La eficacia energética puede ser mejorada de gran manera cuando se comprende cómo fluye la energía a través del sistema

Por más de un millón de años, comenzando con los cazadores-recolectores, la humanidad ha encontrado formas de alimentarse a partir de lo que el planeta ofrece, ya sea recogiendo los frutos silvestres o cultivando el suelo. Gran parte de la agricultura a nivel mundial era, y aún es, realizada a mano. Una vez que comenzó el abastecimiento de derivados de energía fósil, hace más de 200 años, la producción agrícola industrial inició su desarrollo. Aunque los actuales sistemas agrícolas industriales, basados en un alto nivel de aporte de insumos fósiles, son relativamente productivos, su sostenibilidad puede ser cuestionada dado que los ecosistemas agrícolas a nivel mundial están siendo degradados severamente por la erosión del suelo, la salinización y la contaminación del agua. Los recursos de energía fósil que son esenciales para la fabricación de fertilizantes, plaguicidas, así como para el funcionamiento de la maquinaria agrícola y para impulsar sistemas de riego, no son renovables. Las reservas de petróleo y gas natural se habrán agotado dentro de los próximos 35 a 40 años.

Durante mucho tiempo los hombres han dependido de los sistemas de agricultura sostenible para su supervivencia. En la actualidad, se presentan grandes problemas debidos al rápido ritmo de crecimiento de la población humana y a la disminución de las tierras fértiles y de los recursos de energía fósil. Desde 1984, el abastecimiento de diversos granos –cultivos básicos que constituyen más del 80 por ciento de los alimentos a nivel mundial– ha ido disminuyendo. Además de limitar el crecimiento poblacional, para satisfacer las necesidades básicas de alimentación de la población mundial en expansión, deberá desarrollarse un sistema agrícola productivo y sostenible. Partiendo del análisis de diversos sistemas agrícolas, debemos estudiar el uso eficiente de todos los recursos energéticos y aprender a conservar la tierra, el agua y los recursos biológicos que son esenciales para lograr una agricultura sostenible en el futuro.

Con base en estudios previos, este artículo pasa revista al aporte y la producción de energía en diferentes sistemas de producción de maíz. Examinamos la evolución de los sistemas sostenibles de bajos insumos a sistemas de altos insumos cuya sostenibilidad es cuestionable. Los sistemas de alto uso de insumos pueden volverse más sostenibles si se aprende de los sistemas tradicionales, y se adopta una serie de prácticas agronómicas que hacen un uso más eficiente de los recursos disponibles en la finca y los conservan.

Energía solar: la base para la vida

Las plantas poseen la capacidad única de capturar energía solar y convertirla en biomasa. El éxito de la producción agrícola puede medirse por la cantidad de energía solar que es capturada y convertida en alimento por unidad de área de tierra como resultado de la manipulación de plantas, tierra, agua y otros recursos. El éxito agrícola puede ser mayor si se encuentran maneras de intensificar el aprovechamiento de la energía solar a través del uso de fuentes de energía humanas, animales u otras.

Para producir y cosechar suficientes alimentos, los agricultores deben manipular el ecosistema natural y contribuir con la energía de su propia fuerza de trabajo y la de los animales de tiro, intensificándola mediante herramientas y máquinas, así como con la aplicación de productos químicos.

Agricultura de roza y quema

Una de las principales causas de que los hombres abandonaran la caza y la recolección a favor de la producción agrícola fue la continua expansión de su población. Necesitaban una producción mayor y más confiable de la que era posible bajo los sistemas de caza y recolección.

Los sistemas agrícolas de roza y quema iniciales, con periodos de rotación de 20 años, eran sostenibles. Era necesario un mínimo de dos hectáreas de terreno para producir alimentos para una persona, o hasta diez hectáreas para una familia de cinco. El sistema requería de alrededor de diez hectáreas de terreno sin cultivar para un abastecimiento sostenible de alimentos producidos en, aproximadamente, una hectárea de terreno. La hectárea de terreno cultivado podía ser utilizada durante unos dos años, antes que los nutrientes del suelo se agotaran. El terreno debía luego dejarse de cultivar y ponerse en descanso o barbecho por un periodo de 20 años para restablecer los nutrientes del suelo y así recuperar su capacidad productiva.

La agricultura típica de roza y quema requiere sólo tres aportes adicionales de energía: fuerza de trabajo, herramientas simples y semillas de maíz. La agricultura de roza y quema es muy eficiente en cuanto al uso de energía: alrededor de 1.144 horas de mano de obra y 10,4 kilogramos de semilla de maíz por hectárea son necesarios para producir alrededor de 1.944 kg por hectárea de maíz. Calculando el aporte y la producción de energía en términos de kilocalorías (kcal), podemos estimar que por cada unidad de energía aportada al sistema, se producen alrededor de 8,4 unidades (consultar las Referencias al final de este artículo para obtener cálculos más detallados). Sin embargo, el aumento de la población y la escasez de tierras cultivables son las principales restricciones para la sostenibilidad de este sistema.

Sistema agrícola con animales de tiro

Si una parte de las 1.144 horas de trabajo humano empleadas en el sistema de roza y quema fuesen remplazadas con 200 horas de la fuerza de un buey por hectárea, entonces el aporte de trabajo humano podría reducirse a 380 horas por hectárea. El pienso necesario para alimentar a un buey durante aproximadamente 200 horas de trabajo consiste en 150 kg de concentrado de maíz y 300 kg de forraje. El concentrado de maíz consumido por el buey se deriva de los 1.944 kg de maíz producidos por hectárea, reduciendo así el rendimiento neto. Además, el buey consume forraje producido en dos hectáreas de pastizales en terrenos aledaños. Alrededor de 20 por ciento (2.000 kg) del estiércol producido por el buey es aplicado al terreno cultivado para incrementar su fertilidad, y el restante garantiza la continua productividad del pastizal. Los desechos producidos por una familia, integrada por cinco personas, también son aplicados a las tierras cultivadas.

En este sistema, el maíz es sembrado como rotación después de haber cultivado leguminosas para abono verde, tales como trébol (Trifolium spp.) o veza (Vicia sativa), lo que significa un incremento de una hectárea en el déficit de tierras agrícolas. La leguminosa proporciona los requerimientos mínimos de nitrógeno (60 kg por hectárea) del maíz, ayuda a controlar la erosión de la capa superior del suelo y añade materia orgánica a la tierra.

Se producen 4,1 unidades de energía por cada unidad de energía invertida en este sistema. La cantidad mínima de tierra necesaria para que este sistema siga siendo sostenible es de aproximadamente cuatro hectáreas. Aunque es menor que las diez hectáreas que son necesarias para el sistema de roza y quema, sigue siendo todavía un sistema extensivo.

InsumoCantidadEnergía
kcal x 1.000
Mano de obra 10 hr 444
Maquinaria 55 kg 1.300
Gasolina 40 litros 320
Diesel 75 litros 750
Nitrógeno 160 kg 2.400
Fósforo 75 kg 227
Potasio 96 kg 155
Cal 426 kg 135
Semillas 21 kg 540
Insecticidas 3 kg 300
Herbicidas 8 kg 800
Riego 16 % 1.750
Secado de maíz 4.000 kg 800
Electricidad 100.000 kcal 100
Transporte 350 kg 97
Total 10.118
Rendimiento de maíz 8.000 kg 28.800
Coeficiente insumo / producto 2,8 / 1
Cuadro 1. Promedios de aporte de energía para producir una
hectárea de maíz en los Estados Unidos, 1997

 

Sistema agroforestal con animales de tiro

Este sistema agroforestal es similar al sistema con animales de tiro en cuanto a la fuerza de trabajo, la energía de los bueyes, la maquinaria y las semillas. La diferencia consiste en que se cultiva intercalando dos filas de maíz con dos filas de árboles de leucaena (especie leguminosa de la familia de las mimosáceas). El maíz se planta al doble de densidad en la mitad del área cultivada, donde se usaron animales de tiro para la labranza, asumiéndose un rendimiento similar de 1.944 kg por hectárea.

La competencia entre el maíz y la leucaena se reduce si antes de sembrar el maíz se tiene el cuidado de disminuir la altura de los árboles de leucaena, dejándolos como un tocón de ocho cm. Estos árboles producen 4.500 kg por hectárea de biomasa cada año y de este total de biomasa, alrededor de 2.500 kg de hojas y pequeñas ramas son incorporadas al suelo, lo cual equivale a una aplicación efectiva de casi 60 kg de nitrógeno por hectárea; una cantidad similar a la incorporada al suelo en el sistema con animales de tiro. El hecho de plantar leucaena en los contornos de las parcelas, más el cubrir el suelo con el ‘mulch’ compuesto por 2.500 kg de hojas y ramitas provenientes de estos árboles, reduce la erosión del suelo en, por lo menos, una tonelada por hectárea por año. Los 2.000 kg de leucaena restantes se cortan para usarlos como leña. Este sistema presenta una ventaja, en comparación al de animales de tiro, pues cubre alrededor del 80 por ciento de las necesidades de leña de una familia.

De manera similar al sistema de animales de tiro, se requieren dos hectáreas de terrenos aledaños para alimento y forraje para los bueyes, lo que reduce el rendimiento neto de maíz. Para ayudar a mantener la fertilidad en cuanto al contenido de fósforo y potasio del suelo en la hectárea cultivada, se aplica al cultivo de maíz alrededor de 20 por ciento del estiércol producido por los bueyes. Las raíces de los árboles leguminosos proporcionan cierta cantidad de fósforo y potasio, proveniente de capas profundas del suelo. Los desechos domésticos también son reciclados.

Por cada unidad de energía invertida en este sistema se producen 4,1 unidades de energía, de manera similar al de animales de tiro. El sistema agroforestal sigue siendo un sistema de agricultura extensiva, aun cuando el área total de terreno que necesita para mantener su sostenibilidad es de tres hectáreas, menos que las cuatro hectáreas necesarias para el sistema con animales de tiro, que también es relativamente extensivo. El sistema agroforestal, sin embargo, proporciona beneficios adicionales como son el proporcionar algo de leña y mejorar la calidad del suelo al disminuir la erosión del mismo.

Producción intensiva de maíz

El flujo de energía en la agricultura mecanizada (uso de tractores), típica de los Estados Unidos y de otros países industrializados, difiere claramente de todos los sistemas agrícolas basados en el uso exclusivo de mano de obra o de animales de tiro que ya hemos analizado. La mano de obra empleada se reduce dramáticamente a sólo diez horas por hectárea, tasa muy baja en comparación con la de los otros sistemas manuales ya presentados.

La fabricación y operación de las máquinas, y de los fertilizantes y plaguicidas químicos utilizados en la agricultura intensiva del maíz, implican un consumo significativo de energía fósil y la drástica reducción del empleo de mano de obra. En 1997, el aporte total de energía (en su mayor parte combustibles fósiles) que se necesitaba para producir una hectárea de maíz en los Estados Unidos fue, en promedio, cercano a los diez millones de kilocalorías, o el equivalente a 1.000 litros de petróleo (ver Cuadro 1). En base a la producción de EE.UU., el promedio del costo total de estos insumos fue de 550 USD por hectárea.

En condiciones favorables de humedad y de contenido de nutrientes en el suelo, el maíz es uno de los cultivos alimentarios forrajeros más productivos. La producción intensiva de maíz rinde más de 8.500 kg por hectárea. Debido a los altos aportes de energía, sólo se producen 2,8 unidades de energía por cada unidad de energía invertida en el sistema.

En la evaluación de los sistemas de producción agrícola, muchas veces se pasan por alto los diferentes costos ambientales que se van acumulando a través del tiempo. Estos costos son significativos, especialmente en el caso de los sistemas intensivos con alta mecanización. Tomados en su conjunto, estos daños al medio ambiente añadirían por lo menos 300 USD por hectárea al costo de la producción intensiva de maíz.

Aun si ignoramos estos costos económicos relacionados con la erosión del suelo y la degradación de otros recursos locales, el sistema actual de producción de maíz de EE.UU. es cuestionable en términos de sostenibilidad al compararse con los sistemas tecnológicamente menos desarrollados antes presentados. Las mayores dificultades asociadas al sistema intensivo son los altos costos económicos de producción, la dependencia de recursos energéticos no renovables, la seria degradación de los recursos naturales del ecosistema y la poca estabilidad del rendimiento de los cultivos.

Logrando que la producción de maíz sea más sostenible

Existen en la actualidad numerosas tecnologías agrícolas que, de ser implementadas, harían de la producción de maíz en los EE.UU. una empresa más sostenible y ecológicamente sana de lo que es en la actualidad. Estas tecnologías reducirían la utilización de insumos químicos, la erosión del suelo y el rápido escurrimiento del agua, y harían que el uso del estiércol de ganado como fertilizante fuese más eficiente.

El primer paso para lograr la producción sostenible de maíz es implementar un sistema de rotación de cultivos. La soya es un cultivo apropiado para rotar con el maíz, ya que no sólo eliminará el problema del gusano de la raíz, sino que también disminuirá sus enfermedades. Además, la soya restringe los problemas causados por la típica proliferación de maleza en los campos de maíz. También, la rotación maíz-soya es más rentable que producir solamente uno de estos cultivos. En particular, la eliminación del problema del gusano de la raíz del maíz aumenta su rendimiento en un ocho por ciento y hace innecesario el uso de insecticidas costosos. Debido a que la soya produce su propio nitrógeno con la ayuda de microorganismos, la aplicación de nitrógeno como fertilizante tampoco es necesaria.

En un sistema agrícola diversificado, el ganado es un componente importante que contribuye al uso eficaz del grano producido. El uso eficiente del estiércol producido en la finca reduce la contaminación del suelo y de las aguas superficiales, incorpora nutrientes al suelo e incrementa su contenido de materia orgánica, reduciendo su erosión. Plantar un cultivo de cobertura tal como la veza de invierno reduce aún más la erosión del suelo y el escurrimiento del agua, reduciendo los problemas causados por la maleza e incorporando el nitrógeno necesario. Aunque usar un cultivo de cobertura implica trabajo adicional y el costo de las semillas de la leguminosa, la recompensa vale la pena. El aumento total de mano de obra puede ser de 20 a 25 por ciento, pero se verá más que compensado por el mayor rendimiento y los precios más altos que pueden cobrarse por los productos orgánicos que resultarán de ello.

Las modificaciones al sistema, necesarias para hacerlo más sostenible pueden propiciar un ligero aumento del rendimiento de maíz a 9.200 kg por hectárea, al mismo tiempo que se da una reducción del 30 al 50 por ciento en los aportes de energía. Esto reducirá el costo total de la producción de maíz, incluyendo la mano de obra adicional, en 30 a 40 por ciento. Si se incluyeran los beneficios ambientales en esta ecuación, el costo total se reduciría aún más.

El empleo de rotaciones apropiadas de los cultivos, el uso de estiércol de ganado, y un sistema de rotación en camellones reduce la erosión del suelo de alrededor de 15 toneladas por hectárea al año a menos de una tonelada por hectárea al año, lo que equivale al ritmo de reforma de la tierra bajo la mayoría de condiciones agrícolas. Además, se ha informado que las tecnologías para la conservación de la tierra y el agua aumentan el rendimiento de maíz en diez a 15 por ciento, aun en sistemas agrícolas intensivos donde la erosión del suelo es por lo general de moderada a severa.

Sistemas agrícolasCoeficiente insumo/
producto
Roza y quema 8,4:1
Animales de tiro 4,1:1
Agroforestal 4,1:1
Maíz industrializado 2,8:1
Maíz intensivo con «sostenibilidad mejorada» 4,8:1
Cuadro 2. Eficacia energética en diferentes sistemas de
producción de maíz
(Basado en cálculos presentados en Pimentel et al., 1999)

Conclusión

Al considerar el aporte y la producción de energía de un sistema agrícola en particular, se vuelve claro que la eficacia energética puede ser mejorada de gran manera cuando se comprende cómo fluye la energía a través del sistema. La energía proporcionada por combustibles fósiles tales como el petróleo y el gas natural no es renovable y puede, por lo tanto, agotarse. La mayoría de los sistemas industriales modernos que dependen de combustibles fósiles son ineficaces en cuanto al uso de energía y no sostenibles a largo plazo. Los informes actuales sobre la escasez de petróleo y gas natural proyectan una escasez más seria en el futuro, lo que sugiere que la producción agrícola debería adoptar prácticas que conserven más energía, y sean ecológicamente sanas y sostenibles. Además de conservar energía fósil, las prácticas agrícolas sostenibles deben dar prioridad al uso de energía de fuentes renovables y a la conservación del suelo, el agua y los recursos biológicos.

David Pimentel y Marcia Pimentel
College of Agriculture and Life Sciences, 5126 Comstock Hall, Universidad de Cornell, Ithaca
Nueva York 14853-0901, EE.UU.
Correo electrónico: dp18@cornell.edu

Referencias

Este artículo, traducido de la edición internacional en inglés de LEISA Magazine vol. 21 no.1 (marzo 2001), está basado en información de:

- Pimentel, D. y M. Pimentel, 1996. Food, energy and society. Niwot, CO, Colorado University Press.

- Pimentel, D., M. Pimentel y M. Karpenstein-Machan, 1999. Energy use in agriculture: an overview. CIGR Electronic Journal, www.agen.tamu.edu/cigr/

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