Manejo sostenible del nitrógeno en sistemas agropecuarios

El nitrógeno (N) es un elemento esencial para la vida, es parte de la molécula de clorofila en las plantas y de los aminoácidos, ácidos nucleicos y trifosfato de adenosina (ATP) en plantas, animales y seres humanos. Por lo tanto, desde el punto de vista de la vida en el planeta y de la seguridad alimentaria el N es un elemento clave para asegurar la disponibilidad de agroalimentos para una población mundial creciente. Aunque desde sus orígenes, la humanidad siempre ha dependido del N, el rápido crecimiento de la población mundial en el último siglo ha generado una demanda por formas de N en cantidades que simplemente no podían sostenerse con los suministros naturales bajos de N disponibles en los agroecosistemas. Así, la producción de N reactivo para fertilizantes y usos industriales se expandió con rapidez, especialmente desde el 1950 en adelante. Las estadísticas actuales indican que a nivel global un número importante de países desarrollados mostraron durante el siglo pasado un incremento en las aplicaciones de fertilizantes nitrogenados en sistemas agropecuarios hasta fines del siglo, llegando en muchos casos a superar las aplicaciones promedio de 250 kg N ha-1 año-1. Sin embargo, en los últimos veinte años debido al aumento en las regulaciones ambientales en el uso de los fertilizantes en países del primer mundo, estas aplicaciones comenzaron a disminuir (Lassaletta et al. 2014). Por el contrario, en muchos países en vías al desarrollo esta tendencia en el uso de fertilizantes nitrogenados se ha mantenido al alza, incluidos algunos países latinoamericanos.

Es importante destacar que ha sido ampliamente demostrado en investigaciones en las últimas décadas que las plantas tienen una capacidad limitada de absorber N relacionado a su rendimiento potencial, lo que además está directamente asociado a su potencial genético, condiciones edafoclimáticas y prácticas de manejo entre otras. Por el contrario, en muchas ocasiones los/as agricultores consideran válida como estrategia aplicar dosis de fertilizantes nitrogenados superiores a las recomendadas, con el supuesto de asegurar un rendimiento esperado. Lo anterior ha llevado que a nivel global la eficiencia del uso de fertilizantes nitrogenados se encuentra en un rango de no más de un 40 a 65%, e incluso algunos estudios reportan valores inferiores. Además, desde el punto de vista económico el uso excesivo de N tiene un impacto negativo en los/as agricultores/as, al aumentar de forma innecesaria sus costos de producción y en consecuencia reduciendo sus utilidades.

De esta forma, todas las aplicaciones de N en sistemas agropecuarios que superen la demanda de la(s) especies vegetales presentes, son susceptibles de contribuir a los procesos de contaminación del ambiente (Erisman et al., 2013). Dentro de estos procesos se distinguen aquellos que contribuyen al movimiento de formas reactivas del N hacia los cuerpos de agua, como aquellos que contribuyen a la emisión de gases de efecto invernadero desde el suelo entre otros. En particular, los procesos de transporte del N están directamente asociados al movimiento del agua en el suelo, donde el proceso de lixiviación de nitratos (NO3-) hacia las napas subterráneas, y la escorrentía superficial y el flujo lateral de agua genera el movimiento de formas nitrogenadas contaminando cuerpos de agua superficiales. Así el exceso de N que se pierde desde los sistemas agropecuarios ha contribuido significativamente a los procesos de contaminación difusa de aguas, lo que ha generado una degradación de la calidad de los cuerpos de agua y en consecuencia procesos avanzados de eutrofización de aguas en muchas regiones del planeta. De igual forma, el exceso de N ha llevado a la contaminación por NO3- de napas subterráneas (acuíferos), muchas de las cuales son utilizadas para el consumo humano principalmente en zonas rurales. Lo anterior, ha generado una alerta desde el punto de vista de la salud humana, cuando el consumo de esta agua contaminada con NO3- ha sido asociadas en algunos estudios a la mayor prevalencia de ciertas enfermedades, tanto en infantes como en adultos (Ward et al., 2018). Por otra parte, diversas investigaciones han demostrado que la presencia excesiva de formas reactivas de N en suelos con uso agropecuario ha sido relacionada también a una mayor emisión de gases de efecto invernadero como óxido nitroso (N2O).

Por lo tanto, ante este nuevo paradigma donde la comunidad demanda una producción de agroalimentos de una forma más sostenible y menos contaminante con el ambiente, es que las nuevas estrategias del manejo del N en los sistemas agropecuarias deben integrar aspectos relacionados a la seguridad alimentaria, degradación ambiental y cambio climático (Zhang et al., 2015). Este resumen extendido tiene por objetivo discutir las distintas alternativas que existen para un manejo sostenible del N en distintos sistemas agropecuarios.

Manejo sostenible del nitrógeno en sistemas agropecuarios

Es importante señala que cualquier estrategia que se proponga debe basarse en la dinámica del N en los suelos y en el conocimiento de los procesos que ahí ocurren. Lo anterior permitirá establecer con claridad el balance del N en cada sistema agropecuario, a una escala de trabajo sitio específico, identificando en cada predio/finca cuales son las principales entradas y salidas de N del sistema suelo-planta-atmósfera. Aunque el modelo racional de cálculo de dosis de N basado en los conceptos de demanda de la planta, suministro (o adiciones) y un factor de eficiencia se publicó hace más de 40 años siguen siendo válidos en la actualidad. La cuantificación de la demanda de N de la planta ha tenido mayor certidumbre en su estimación a partir de la aplicación de técnicas convencionales de determinación de masa y concentración de N del tejido, y en las últimas décadas a partir de la aplicación del uso de la teledetección y equipos portátiles basados en técnicas ópticas. Por otra parte, el suministro de N desde el suelo sigue teniendo un grado alto de incertidumbre dado, principalmente, por la variabilidad espacial de los niveles de N orgánico en los suelos y la complejidad asociadas a la dinámica de las variables ambientales (temperatura y contenido de agua) y otras propiedades de suelo que afectan la mineralización del N en los suelos (Salazar et al., 2020a). Sin embargo, la aplicación en las últimas dos décadas de la espectrometría está generando avances significativos en la estimación in situ de propiedades del suelo a través de equipos portátiles, incluidas las formas N disponibles para las plantas en el suelo (Vizcarra et al., 2006). Por último, la eficiencia de uso del N (EUN), entendida como el porcentaje del fertilizante aplicado que fue absorbido por el cultivo, es difícil de estimar en campo, dado que se requieren de mediciones complejas para poder cuantificar los procesos de absorción y de pérdidas por lixiviación, desnitrificación y volatilización de N, donde en muchos casos las estimaciones que se puedan hacer pueden llevar a una sub o sobreestimación de la EUN. Sin embargo, a partir de la aplicación de técnicas químicas (ejemplo: uso de isótopos estables como N15), sumada al uso de sensores y modelos computaciones están ayudando a tener estimaciones más precisas de este indicador.

Hoy en día hay una diversidad de sistemas agropecuarios que buscan un manejo sostenible del uso del N. Para los sistemas de agricultura convencional, que permiten el uso de fertilizante nitrogenados, una de las estrategias que se ha propuesto es el manejo responsable de nutrientes (4R). La estrategia 4R considera dimensiones económicas, sociales y ambientales del manejo de nutrientes y considera cuatro principios usar: la dosis correcta, con la fuente correcta, en el momento correcto y en el lugar correcto (IPNI, 2013). La aplicación de esta estrategia al manejo del N se podría expresar como la dosis correcta que busca estimar el suministro/adiciones de N de todas las fuentes y evaluar la demanda de N del cultivo; mientras que desde el punto de vista práctico se plantea analizar la disponibilidad del N en el suelo, realizar cálculos económicos y balancear la remoción de N. Definir una fuente correcta tiene por objetivo asegurar una oferta balanceada de N y otros nutrientes para las plantas, la que debe adaptarse además a las propiedades del suelo; mientras que desde el punto de vista práctico se debe tomar la decisión si aplicar fertilizantes químicos, enmienda de origen animal, compost y/o residuos de cultivos entre otras fuentes posibles de N. Establecer el momento correcto debe considerar la evaluación de la curva de demanda del N del cultivo, la disponibilidad de N en el suelo y la determinación de los momentos de mayor riesgo de pérdidas de N; para que del punto de vista práctico se le pueda informar al agricultor cuando es el momento más adecuado para aplicar el fertilizante nitrogenado, por ejemplo: previo a la siembra, a la siembra, en floración y/o en fructificación. Por último, definir el lugar correcto debe considerar el reconocimiento de los patrones de distribución de raíces y el manejo de la variabilidad espacial de las propiedades del suelo; para de esta forma desde el punto de vista práctico informar al agricultor donde aplicar el fertilizante N, por ejemplo: en superficie, en bandas superficiales o en bandas incorporadas. Otra alternativa de manejo de la fertilización N en sistemas de agricultura convencional es avanzar a una fertilización balanceada, que considere el aporte de fuentes minerales y orgánicas de N, donde las fuentes orgánicas permitirán aumentar los niveles de N orgánico y en consecuencia la mineralización de N en el suelo. También la aplicación de herramientas de la llamada agricultura digital puede ayudar en el proceso de toma de decisiones de prácticas de manejo que permitan mejorar la EUN, como por ejemplo la incorporación en los sistemas de manejo del N en los predios/fincas de sistemas de información geográfica (SIG), modelos computacionales, sensores suelo y planta, aplicaciones de Smartphone, Big data, Machine learning, automatización y robótica.

Por otra parte, los sistemas de producción orgánica son aquellos que buscan un sistema holístico de gestión de la producción en el ámbito agropecuario, que fomentan y mejoran la salud del agroecosistema y, en particular, la biodiversidad, los ciclos y la actividad biológicos del suelo. En éstos se permite la incorporación de fertilizantes y/o acondicionadores de suelo, que deben estar presentes en un listado autorizado por una empresa certificadora o en la legislación local del país. Además, cuando una nutrición adecuada de N de los cultivos no es posible a través de la rotación de cultivos o el acondicionamiento del suelo, se permite por ejemplo el uso de algas marinas, minerales, compost, u otras enmiendas orgánicas lo que implica en cierta medida una dependencia alta de entradas externas de N orgánico al suelo para incrementar los procesos de mineralización de N. Sin embargo, en estos sistemas de producción orgánica es importante mantener los balances de N que consideren el potencial alto de mineralización de N que se genera al incorporar grandes cantidades de enmiendas orgánicas al suelo. En particular, se recomienda tener una cubierta vegetal continua, evitando los periodos de barbecho, ya que en muchos casos los procesos de mineralización de N continúan más allá del ciclo del cultivo bajo manejo orgánico comercial, lo que puede favorecer los proceso de pérdida de N hacia el ambiente.

Para los sistemas de producción que siguen los principios de la agroecología, se considera al suelo como el sustento principal de la producción de alimentos, donde su capacidad de suministrar elementos esenciales como el N para las plantas son fundamentales. El manejo de la fertilidad de suelos y en particular del N se basa en los principios de ecología (ciclos), el conocimiento local (social) y el desarrollo de sistemas agrícolas sostenibles (bajo impacto ambiental). Las prácticas agroecológicas favorecen los procesos biológicos que impulsan el reciclaje de los nutrientes, la biomasa y el agua de los sistemas de producción, con lo que se aumenta la eficiencia en el uso de los recursos y se reduce al mínimo el desperdicio y la contaminación ambiental. Aquí el principal desafío es cumplir con la premisa que postula la agroecología, de forma de mantener una cierta economía circular del N en un predio/finca evitando las pérdidas al ambiente (Salazar et al., 2020b).

En cualquiera de los sistemas de producción antes mencionados hay estrategias para mejorar la sostenibilidad del N en los sistemas agropecuarios que son transversales, como el uso de especies leguminosas, y sus simbiontes asociados, que permiten la fijación biológica de N del nitrógeno atmosférico (N2). En particular, el uso de leguminosas debe ser fundamental para reintroducir en algunas regiones como cultivos intercalados o en las rotaciones de cultivos, que han sido reemplazadas por los monocultivos, donde se ha demostrado que la incorporación de leguminosas mejora la EUN (Lithourgidis et al., 2022; Lassaletta et al. 2014). Otra estrategia apunta a la aplicación de enmiendas orgánicas sólidas o líquidas de origen vegetal, animal o mixto obtenidos de procesos de fermentación aeróbica o anaeróbica, las que permiten aumentar los niveles de N orgánico en los suelos y/o incrementar la biodiversidad de los microorganismos que participan de los procesos de la mineralización de N en el suelo.

Es importante destacar, como se mencionó en esta revisión, que los conocimientos de algunas de las estrategias de manejo sostenible del N son conocidas hace muchas décadas, entonces la pregunta es ¿Por qué los/as agricultores/as no las han incorporado en sus prácticas habituales? las respuestas pueden ser distintas dependiendo del país en que uno se encuentre, sin embargo, hay un factor común en la mayor parte de los casos y que se relaciona a la falta de capacitación o una falla en el proceso de transferencia tecnológica de distintos aspectos de prácticas de manejo sostenible del N hacia los/as agricultores, cuando o no son capacitados de forma adecuada o no se logra alcanzar un grado alto de convencimiento (confianza) que aseguren una adopción permanente de la práctica propuesta. Aquí se abren diversas alternativas de colaboración para compartir experiencias locales que puedan tener alguna aplicación dentro de un contexto Latinoamericano.

Claramente el manejo sostenible del N en sistemas agropecuarios requiere de la colaboración internacional para poder cumplir con los desafíos antes mencionados, en particular para aumentar la EUN de los fertilizantes a una escala Global (Gu et al., 2019). En este sentido, una de las organizaciones más activas es la Iniciativa Internacional por el Nitrógeno (INI), que agrupa a la comunidad científica a escala global que estudia la dinámica del N en los ecosistemas, y tiene como objetivos principales optimizar el papel beneficioso del N en la producción sostenible de alimentos, y minimizar los efectos negativos del N en la salud humana y el medio ambiente como resultado de la producción de alimentos.

Referencias bibliográficas

• Erisman, J.W., Galloway, J.N., Seitzinger, S., Bleeker, A., Dise, N.B., Roxana Petrescu, A.M., Leach, A.M. & de Vries, W. (2013). Consequences of human modification of the global nitrogen cycle. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 368 (1621), pp.

• Gu, B., Lam, S.K., Reis, S., Van Grinsven, H., Ju, X., Yan, X. .. & Chen, D. (2019). Toward a generic analytical framework for sustainable nitrogen management: application for China. Environmental Science and Technology, 53 (3), pp. 1109-1118.

• IPNI (2013). Manual de nutrición de plantas 4R: un manual para mejorar el manejo de la nutrición de plantas. International Plant Nutrition Institute (IPNI), GA, EEUU.

• Lithourgidis, A.S. Dordas, C.A., Damalas, C.A. & Vlachostergios, D.N. (2011). Annual intercrops: An alternative pathway for sustainable agricultura. Australian Journal of Crop Science, 5(4), pp. 396-410.

• Salazar, O., Casanova, M., Nájera, F., Contreras, A. & Tapia, Y. (2020a). Net nitrogen mineralisation in maize-cover crop rotations in mediterranean central Chile. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 20(3), pp. 1042–1050. Recuperado de: https://link.springer.com/article/10.1007/s42729-020-00191-4

• Salazar O., Rojas, C., Baginsky C., Boza, S., Lankin, G, Muñoz-Sáez, A… & Altieri, M. (2020b) Challenges for agroecology development for the building of sustainable agri-food systems. International Journal of Agriculture and Natural Resources, 47(3), pp. 152-158. Recuperado de: https://rcia.uc.cl/index.php/ijanr/article/view/2308

• Viscarra Rossel, R.A., Walvoort, D.J.J., McBratney, A.B., Janik, L.J., Skjemstad, J.O. (2006). Visible, near infrared, mid infrared or combined diffuse reflectance spectroscopy for simultaneous assessment of various soil properties. Geoderma, 131 (1-2), pp. 59-75.

• Ward, M.H., Jones, R.R., Brender, J.D., de Kok, T.M., Weyer, P.J., Nolan, B.T., Villanueva, C.M. & van Breda, S.G. (2018). Drinking water nitrate and human health: An updated review. International Journal of Environmental Research and Public Health, 15(7), N°1557.

• Zhang, X., Davidson, E.A., Mauzerall, D.L., Searchinger, T.D., Dumas, P., Shen, Y. (2015). Managing nitrogen for sustainable development. Nature, 528 (7580), pp. 51-59.

Fuente: Osvaldo Salazar. 2021. Manejo sostenible del nitrógeno en sistemas agropecuarios V Congreso Nacional de Ciencias Agrarias, Paraguay. 14-16 de abril de 2021 (on-line).

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