Flujos de Energía en la Producción Agrícola
INTRODUCCIÓN El funcionamiento de los agroecosistemas actuales se basa en dos flujos energéticos: el natural que corresponde a la energía solar y un flujo «auxiliar», controlado directamente por el agricultor que recurre al uso de combustibles fundamentalmente fósiles, ya sea directamente o en forma indirecta, a través de los insumos industriales que emplea en el proceso productivo. El primer flujo es el propio o natural de funcionamiento del ecosistema, es una energía abundante, gratuita y limpia; el segundo flujo corresponde a energía «almacenada», sus existencias son finitas, es relativamente cara y, por lo general, no es limpia en el sentido que su uso da origen a fenómenos de contaminación. La producción del agroecosistema consiste a su vez en energía incorporada en la producción económica o comercial, vegetal y animal destinada al mercado y valorada en términos monetarios, más una parte que se pierde en el ambiente en forma de compuestos gaseosos (por ejemplo, los originados en la volatilización y los procesos de denitrificación), otra parte que se incorpora a las aguas fluviales, subterráneas y lacustres a través de compuestos solubles en agua (por ejemplo, nitratos), o transportados como materia en suspensión en el sistema hidrológico (metales pesados, compuestos orgánicos) o, por último, incorporados en organismos o materia orgánica que abandona el agroecosistema.
La capacidad de los cultivos para utilizar energía solar se puede medir valorizando en términos de energía incorporada, la biomasa acumulada en los campos, multiplicando su peso seco por su contenido energético que para los vegetales es de alrededor 20KJ/g de materia seca y relacionándola como porcentaje del insumo de energía solar por el cultivo correspondiente en el periodo de su época de crecimiento. El valor obtenido corresponde a la eficiencia fotosintética del cultivo, es decir a su capacidad de conversión de energía solar en biomasa vegetal que aún para los casos más eficientes raramente supera 1%. El flujo de energía auxiliar se introduce en el agroecosistema a través de los trabajos mecánicos, la fertilización, el uso de plaguicidas, etcétera. Se ha demostrado que este flujo auxiliar influye sobre la eficiencia con la cual los cultivos utilizan la luz solar interceptada. Los trabajos mecánicos, el riego y la adición de fertilizantes mejoran el estado del suelo por una mayor disponibilidad de elementos nutritivos asimilables y, por lo tanto, mejora la capacidad de asimilación, organización y acumulación de biomasa vegetal. Por eso, se suele señalar que los sistemas agrícolas llegan a ser más eficientes que los naturales no intervenidos en la utilización de la radiación solar interceptada. Uno de los aspectos más importantes del proceso de artificialización del ecosistema natural es que la actividad productiva agrícola recurre cada vez más al flujo de energía auxiliar, y se hace, por consiguiente, cada vez más intensiva en el uso de la energía. Leach y Pimentel han destacado que el uso de energía en el sector agrícola, sobre todo en los países industrializados, ha crecido más rápidamente que en cualquier otro sector.
Pimente señala que 25% de la energía fósil mundial se emplea para producir alimentos y subraya que, mientras la población mundial se duplicó en treinta años, el consumo de energía se duplicó en apenas una década, la de los sesenta. La agricultura norteamericana absorbe 6% de toda la energía consumida en Estados Unidos. Si a ello se agrega que las fases de procesamiento de alimentos consumen una cifra similar y que otro 5% se consume en sus etapas de distribución y preparación, se llega a la conclusión de que el sistema alimentario de Estados Unidos usa 16% de toda la energía empleada en el país. Curiosamente, tal porcentaje es muy similar al porcentaje del ingreso que se gasta en alimentos que es 16%. Son muy parecidas las cifras de los países europeos: Leach ha calculado el mismo porcentaje de consumo energético en el sistema alimentario inglés, y Olsson señala que en Suecia fluctúa entre 10 y 20%. Pimentel opina que los factores fundamentales de producción en la agricultura moderna son energía, trabajo y tierra y que, dentro de ciertos límites, son sustituibles entre sí. Por ejemplo, la energía fósil puede reducir las necesidades de mano de obra; la utilización intensiva de energía en forma de fertilizantes, sistemas de riego y mecanización exige menos tierras. Los trabajos de Pimentel sobre los consumos energéticos para los cultivos de maíz muestran que en términos de 1 000 kilocalorías por hectárea, en 1920 se usaban 1 302 para producir, siempre en términos de kilocalorías por hectárea, 7 520 de maíz, con lo cual la relación entre producto e insumos en términos de energía consumida y producida era de 5.8. En 1950, las necesidades energéticas habían aumentado a 3 107 y la producción había aumentado a 9 532, reflejando por consiguiente una caída de la relación producción-insumos energéticos a 3.1. En 1970, la relación se había reducido nuevamente a 2.7, resultante de una producción, en términos de energía producida y consumida por hectárea de 20 230 y 7 544 respectivamente. Los datos para 1975 son de una producción 20 230 MKcal/ha producidos frente a un consumo de 8 315 siendo por lo tanto la relación de 2.5. Esta relación se mantiene constante hasta 1983 con una producción de 26 000 y un insumo energético de 10 537 MKcal/ha. Sin duda las crisis petroleras de la década de los setenta, y los consiguientes aumentos de precios de la energía han influido. La subvaluación del petróleo previa a los setenta estimuló procesos energéticamente intensivos, al aumentar el precio del petróleo se incentivó la búsqueda de una mayor eficiencia energética. Los principales consumidores de energía en la agricultura moderna son la mecanización, los fertilizantes y en menor medida los pesticidas y el riego. En el periodo 1972-1973 la mecanización, tanto en su fase de manufactura como en la operación de la misma, fue el mayor consumidor de energía de la agricultura con 51% del total mundial de energía utilizada en la agricultura, con valores que oscilan entre un mínimo de 8% en el extremo Oriente y 73% en Oceanía. Los fertilizantes son el segundo responsable por el consumo de energía por la agricultura mundial que representó, en el periodo señalado, alrededor de 45%, nuevamente con fuertes variaciones entre un máximo de 84% en el Oriente y un mínimo de 26% en Oceanía. Sin embargo, para los
países en desarrollo el consumo de fertilizante es el principal usuario de energía. Tanto estos últimos como los fertilizantes nitrogenados se obtienen a partir de petróleo y gas natural, respectivamente, cuyo consumo se ha expandido con gran rapidez. La FAO, señalaba que entre 1950 y 1970 el consumo de fertilizantes minerales se había cuadruplicado, pasando de 22 millones de toneladas de nutrientes a 112 millones en el periodo 1979-1980, si bien notando su gran desigual distribución, aspecto examinado en páginas anteriores. En ese periodo los países en desarrollo pasaron de representar 10% del consumo mundial de fertilizantes a 20%, siendo las mayores alzas las registradas en Asia, mientras que en África el consumo se mantenía a niveles insuficientes aun para restituir los nutrientes extraídos por lo cultivos.
REVISIÓN LITERARIA
Agroecosistema:
El agroecosistema, también conocido como sistema agrícola puede ser resumido como un ecosistema que se encuentra sometido a continuas modificaciones de sus componentes bióticos y abióticos, por el hombre. Estas modificaciones que son introducidas por el ser humano, se puede decir que afectan prácticamente todos los procesos en los que interviene la ecología, y abarcan desde el comportamiento de los individuos tanto de la flora como la fauna, y la dinámica de las poblaciones hasta la composición de las comunidades y los flujos de materia y energía. Al ser un proceso que continuamente genera cambios intensos, la generación de agroecosistemas es el fenómeno que se caracteriza por ser más extendido. Según algunas estimaciones, “más de la mitad de la superficie de la corteza
terrestre ha sido destinada a la práctica de la agricultura (12%), la ganadería (25%) o la plantación de bosques artificiales (15%)”.
Flujos de Energía en un Ecosistema: De la energía solar que llega a la superficie de un ecosistema se aprovecha sólo un 1 % aproximadamente, porque las pérdidas son considerables hasta llegar a la producción primaria. En efecto, sólo el 45% de la luz disponible es absorbible por los orgánulos fotosintéticos; una parte de la radiación potencial es reflejada; otra parte es transmitida por los órganos vegetales, 0 sea, que pasa por ellos, y la energía absorbida es transformada en calor. En el mismo ecosistema hay pérdida de energía, porque cerca de la mitad de la producción primaria bruta es gastada por los productores en su metabolismo y se pierde como calor, y sólo la otra mitad está disponible
para los consumidores como alimento (carbohidratos, celulosa, lignina, grasas, proteínas, etc.). Sin la energía solar no seria posible la vida, y el día en que el Sol cese de producir energía, también se acabará la vida en nuestro planeta indefectiblemente, al menos en forma generalizada. Naturalmente esto sucederá dentro de unos 7000 millones de años.
Leyes de la Termodinámica: La termodinamica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo. Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo.
Primera Ley de la Termodinamica Esta ley se expresa como: Eint = Q - W Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W) Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema. Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.
Segunda Ley de la Termodinamica La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley. En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinamica, que tiene dos enunciados equivalentes:
Enunciado de Kelvin - Planck : Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.
Eficiencia Fotosintética:
La eficiencia fotosintética viene limitada por dos mecanismos: 1. Incremento del cerrado de los estomas (resistencia estomática). 2. Incremento de la resistencia mesofílica. Por esto el estrés hídrico sobre estos dos conceptos influyen en la materia orgánica. Muchas de las sales minerales se mueven hacia la raíz por flujo en masa con el agua; si no hay suficiente agua, que se mueve hacia la raíz y arrastra a estos iones, su transporte se verá afectado, sobretodo: (1) K , que fácilmente es limitante en sequía y actúa como catión, no forma parte de compuestos orgánicos, pero actúa en procesos osmóticos. Si hay déficit de K habrá dificultad en adaptar la apertura estomática con estas condiciones. (2) P , que actúa en procesos energéticos y de síntesis proteica en la planta. La respiración se ve disminuida también por el déficit hídrico, pero menos que la fotosíntesis (la fotosíntesis neta se verá más reducida). En pinos se da respiración anaeróbica, con la que se generan productos tóxicos para el organismo. La abcisión de las hojas es también promovida por el estrés hídrico. El proceso de abcisión es un mecanismo de adaptación ya que reduce la superfície de absorción para mantener el agua de reserva. En déficit hídrico las sales son transportadas de las hojas al bulbo por eso quedan las hojas secas. Cuando vuelve a haber agua se recupera la planta a partir del agua acumulada en el bulbo.
Índices de Crecimiento Vegetal: -
Índice de Área Foliar (IAF): Compara el área foliar del cultivo con el área del terreno cultivado (m 2/ m2).
IAF = Área foliar del cultivo Área del terreno -
Índice de Crecimiento Relativo (ICR): Indica el crecimiento de material vegetal nuevo por unidad de material vegetal original por unidad de tiempo (g/g/tiempo).
ICR = Ln W 2 - Ln W 1 t 2 - t 1 -
Índice de Asimilacion Neta (IAN): Involucra el concepto de área foliar como un factor de la producción de nuevo material vegetal. Indica el incremento de peso seco por unidad de área foliar por unidad de tiempo (g/d m2/tiempo).
IAN = (W 2 – W 1 ) (Ln A2 - Ln A1 ) (t 2 – t 1 ) (A2 – A1 )
Fragmentación: Es un proceso en el cual se da la partición de los hábitats naturales y el consecuente aislamiento de los “fragmentos” remanentes,
siendo unas de las características más relevantes de los agroecosistemas (Wilcox 1980).
Componentes que aportan energía a un ecosistema agrícola:
a) La energía Luminosa (energía solar) b) Insumos Humanos: Labranza: Esta práctica prepara el suelo para minimizar el esfuerzo que o realizara el sistema radicular en explorar el suelo, en busca de sustento físico y nutrientes. Y además para permitir que el agua se distribuya de la forma más homogénea posible. Riego: Con un manejo adecuado del riego podemos manejar las raíces en o la disposición que nos resulte más conveniente, minimizando así el gasto energético que la planta realizara en busca del agua y nutrientes. Aplicación de Fertilizantes: Da a las plantas los nutrientes necesarios para o su crecimiento y desarrollo, en la presentación (ion o molécula) especifica que necesita y en el momento en que es necesaria, haciendo de esta manera que la planta minimice el esfuerzo realizado en conseguirlos. Sanidad: Con estas labores se trata evitar que una gran parte de la energía o de la planta se vaya en contrarrestar los daños ocasionados por plagas o enfermedades.
Factores Ambientales que influyen en la fotosíntesis:
CO2 Agua Luz Temperatura Radiación Solar biodiversidad reducida Máxima perturbación Especies escogidas Flujos de energía alterados Relaciones lineales y no lineales
Sostenibilidad: -
Diversificar el agro ecosistema
-
Adaptarse a las condiciones locales
-
Balancear el flujo de nutrientes y energía
-
Incrementar las relaciones sinérgicas
CONCLUSIONES
El flujo de energía es uno de los modelos conceptuales que mejor organizan el conocimiento disponible acerca del funcionamiento de los ecosistemas. En tal sentido constituye un valioso auxiliar didáctico en el ecología. El diagrama de flujo de energía establece un puente entre disciplinas al relacionar conceptos físicos tales como las leyes de la termodinámica, con procesos bioquímicos, como la fotosíntesis y la respiración, o biológicos, como las interacciones entre especies. Da a su vez un marco conceptual común para comprender los procesos que ocurren en sistemas naturales y en sistemas manejados o modificados por el hombre tales como los ecosistemas urbanos y los agroecosistemas. Las actividades agrícolas modifican drásticamente un ecosistema natural, convirtiéndolo en un agroecosistema, además de los flujos que ocurren en estos. El 99.98% de la energía disponible sobre la superficie de la Tierra proviene de¡ Sol, la restante de las mareas, de la nuclear o atómica, de la termal o sea del calor del interior de la Tierra, y de la gravitacional o sea la fuerza de la gravedad. La radiación solar, que llega a la superficie terrestre, varía según la latitud (a mayor distancia de la línea ecuatorial menor radiación), la altura sobre el nivel del mar (a más altura más radiación), la orografía (valles profundos tienen menos horas de sol) y la nubosidad (a mayor nubosidad menos radiación), influenciando fuertemente en el tiempo y el clima. La producción agropecuaria es una manera de explotar los recursos y así alterar los flujos de energía en los ecosistemas para beneficio del hombre, pero debe tenerse en cuenta la sostenibilidad y no explotar los recursos de manera indiscriminada. La primera ley dice que la energía puede transformarse de una clase en otra, pero no puede destruirse. Por ejemplo, la energía de la luz se transforma en materia orgánica (leña), que a su vez se transforma en calor (fuego) y luz; el calor se puede transformar en energía de¡
movimiento (máquinas a vapor); ésta en luz (dinamo que produce electricidad), y así sucesivamente.
La segunda ley dice que al pasar de una forma de energía a otra (energía mecánica a química a calor y viceversa) hay pérdida de energía en forma de calor. Cualquier cambio de una forma de energía a otra produce pérdidas por calor. De esto se deduce que un ecosistema no puede ser autoabastecido de energía en el corto plazo y que todos los procesos naturales son irreversibles en cuanto al flujo de energía, es decir, el flujo de energía sigue una sola direcció
BIBLIOGRAFÍA
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