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Introducción
La población mundial es 7200 millones de personas y en el 2050 será 9100 millones de habitantes (UNFPA, 2013). México tiene 112 336 538 habitantes con una tasa de crecimiento de 1.8 % (INEGI, 2010). La producción de alimentos aumenta debido al incremento continuo poblacional. Además, las necesidades de alimentos de origen animal se duplicarían para satisfacer las demandas de a una mayor población, la urbanización, los cambios culturales y el aumento de sus ingresos (Steinfeld et al., 2009). Así, se han desarrollado sistemas intensivos de producción pecuaria que aportan 65 % de la producción lechera nacional, y el 35 % restante se produce en sistemas a pequeña escala con hatos de menos de 100 vacas (SIAP, 2011).
México ocupa el lugar 14 en la producción mundial de leche con 10 724.30 millones L, y con 2 382 440 de vacas especializadas en su producción, en una superficie agrícola de 1 031 660 km2 (FAO, 2011). En San Luis Potosí hay 16 023 vacas que producen 128.77 millones L, por lo cual ocupa el lugar 17 de la producción lechera nacional. En el valle de San Luis Potosí se producen 17.79 millones L de leche con 2300 vacas (SIAP, 2011).
Los sistemas de producción bovina originan impactos globales debido a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) como el dióxido de carbono (CO2) en 9 %, por la respiración de los bovinos; el metano (CH4) con un 37 % por la fermentación entérica y el manejo de las heces, con un poder de calentamiento atmosférico 25 veces superior al del CO2; y 65 % de óxido nitroso (N2O) por los procesos de nitrificación y desnitrificación de la descomposición aeróbica de las heces, con un potencial de calentamiento 298 veces mayor al CO2 (IPCC, 2014; Steinfeld et al., 2009).
La producción de CH4 en los bovinos es una pérdida de 2 a 12 % de la energía del alimento (Johnson y Johnson, 1995) y está correlacionada con el consumo de materia seca, digestibilidad y motilidad de la dieta. El metano se genera por la fermentación ruminal del alimento y los excedentes de hidrógeno (H2) producidos son usados por las bacterias metanogénicas para la reducción del CO2 a CH4, el cual es emitido mediante los eructos. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue caracterizar los sistemas de producción de vacas Holstein en el valle de San Luis Potosí, México, e identificar las diferencias entre ellos en producción de leche, eficiencia de conversión del alimento y emisiones de metano.
Materiales y métodos
La zona de estudio se localiza al occidente de la Sierra Madre Oriental, entre 21° 57’ y 22° 40’ N, y 100° 44’ y 101° 11’ O, formando una cuenca superficial cerrada, con una extensión de 1980 km2 (CNA, 2002). La temperatura y precipitación media anual es 16.9 °C y 416.4 mm, respectivamente (SMN, 2014).
La información se obtuvo aleatoriamente en 15 de 35 unidades de producción con hatos de 20 a 100 vacas Holstein en ordeño y confinamiento. Las variables analizadas fueron: tamaño del hato, vacas en producción, producción promedio de leche, porcentaje de proteína y porcentaje de grasa en leche, peso vivo, ingesta de materia seca (MS), relación forraje:concentrado y manejo de heces. Para calcular el factor de emisión de CH4 entérico y del manejo de las heces, la eficiencia de aprovechamiento del alimento fue definida como litros de leche producidos por kg de MS ingeridos por día. La intensidad de emisión de CH4 se calculó como la cantidad emitida de CH4 entérico y el CH4 por el manejo de las heces por litro de leche producida (Leslie et al., 2008), para lo cual la producción de leche por año se ajustó a 305 d de lactancia. Los sistemas de producción se clasificaron mediante estadística descriptiva y análisis clúster con las variables.
La ingesta de MS (kg d-1 vaca-1) y de energía total (Mcal d-1 vaca-1) se calculó con el software del NRC (2001).
La emisión de CH4 se determinó con base en el Intergovernamental Panel on Climate Change, 2006, nivel 2 (Dong et al., 2006): la ecuación (1) se usó para la emisión de CH4 por fermentación entérica, la ecuación (2) para la emisión de CH4 por el manejo de las heces, y la ecuación (3) para estimar la cantidad de solidos volátiles excretados:
donde FE e CH4 es el factor de emisión de CH4 entérico kg vaca-1 año-1; EB es la ingesta de energía total, MJ d-1 vaca-1; Ym es el factor de conversión en CH4, porcentaje de la energía total del alimento convertida en CH4 de 6.5 % 1 %; el factor 55.65 (MJ kg-1 CH4) es el contenido de energía del CH4.
donde FE h CH4 es el factor de emisión de CH4 por manejo de heces kg vaca-1 año-1; SV los sólidos volátiles excretados por día; Bo es la capacidad máxima de producción de CH4 de las heces, 0.188 m3 CH4/SV; 0.67 es el factor de conversión de m3 de CH4 a kg de CH4; MCF s,k son factores de conversión de CH4 para cada sistema de manejo de heces (S ) por región climática (k), 1.5 %; MS (S,k) es la fracción de las heces manejadas en el sistema (S ) en la región climática (k), sin dimensión 0.1.
donde SV son sólidos volátiles excretados por día; EB es la energía total por día (MJ d-1 vaca-1).
El peso vivo se calculó de acuerdo con la metodología de Quetelet (Ávila y Gutiérrez, 2010), con la longitud del cuerpo y perímetro torácico (ecuación 4):
donde PV es el peso vivo; PT es el perímetro torácico; L es el largo o longitud del cuerpo; C es la constante para hembras (87.5); constante para machos (99).
Resultados y discusión
La estructura de los 15 hatos de producción de leche bovina en el valle de San Luis Potosí, fue 49 % vacas en ordeño, 8 % vacas secas y 43 % vacas de reemplazo y otros (Cuadro 1).
Cuadro 1 Estructura y emisión de metano de los sistemas de producción de leche bovina en el valle de San Luis Potosí, México. (n=15).
PV: Peso vivo, se obtuvo con la ecuación PV = (PT) 2 * L* C (Ávila у Gutiérrez, 2010)
Para vacas en producción, la EB del alimento consumida fue 17.25 ± 3.94 Mcal d-1 por vaca, la excreción de sólidos volátiles fue 3.24 ± 0.74 kg d-1 por vaca, la ingesta de MS fue 13.45 ± 1.76 kg d-1 por vaca y el factor de emisión de CH4 por fermentación entérica fue 51.27 ± 11.71 kg año-1 por vaca, esta última fue menor (121 kg año-1 por vaca) a la indicada por el IPCC (2006) nivel 1 para América del Norte, donde la producción de leche (8400 kg año-1 por vaca) es superior a la producción en la zona de estudio (3774.07 ± 1392.46 kg año-1 por vaca). Esto se debe a la digestibilidad y relación de forraje: concentrado, la cual es mayor para la dieta en América del Norte, y también la ingesta de MS y la eficiencia de conversión del alimento es mayor, y la calidad genética de las vacas es mejor.
En los factores de emisión de CH4 entérico hubo diferencias (p≤0.05) de acuerdo con el estado fisiológico de las vacas. Esto se atribuyó a que los requerimientos mayores de energía para estas vacas, lo cual aumenta la ingesta de MS y la excreción de solidos volátiles (Cuadro 2). Lo anterior muestra que los inventarios actuales de CH4 están sobreestimados porque hay un único factor de emisión de CH4 entérico (72 kg año-1 por vaca) para la todas las vacas sin considerar su etapa fisiológica.
Cuadro 2 Factores de emisión de metano entérico y de manejo de heces en los sistemas de producción de leche bovina del valle de San Luis Potosí, México. (n=15).
IMS: Ingesta de MS; EB: Energía total; FE e . Factor de emisión de CH4 entérico, se calculó con la ecuación fe e CH4 =EB*(y m /100) *365 /(55.65); FE h : Factor de emisión de CH4 heces, se calculó con la ecuación FE h CH4 = (SV * 365) * [B 0 * 0.67 kg m-3 * Σ s,k MCF s,k , / 100 * MS (s,k) ]; SV: Solidos volátiles se calculó con la ecuación SV = (EB * 0.5 + (0.04 * EB)) * (0.92 /18.45') (Dong et al., 2006)
El factor de emisión de CH4 (Cuadro 2) para el manejo de las heces fue 0.22 ± 0.05 kg año-1 por vaca, y fue menor al que marca el IPCC nivel 1, para América del Norte (71 kg año-1 por vaca) y América Latina (1 kg año-1 por vaca). Este FE h CH4 coincide con el hallado (0.21 kg año-1 por vaca) en México por González y Ruiz (2007).
Los inventarios actuales de CH4 de la FAO consideran un factor de emisión de CH4 entérico de 72 kg año-1 por vaca, del que resulta una emisión de 67 392 kg para las 936 vacas de los 15 hatos de producción de la zona de estudio y comparados con los 35 090.42 ± 6668.27 kg obtenidos en nuestro estudio, hay una sobreestimación de 60 a 240 %. De acuerdo con el factor de CH4 por manejo de las heces (1 kg año-1 por vaca) hay una emisión de 936 kg comparado con 151.09 ± 28.24 kg, por lo cual es cinco a siete veces superior al obtenido en nuestro estudio (Cuadro 1).
El análisis clúster definió tres grupos (Cuadro 3), sin diferencias significativas en tamaño del hato, vacas en producción, peso vivo y contenido de proteína y grasa en leche. Para vacas con eficiencia alimenticia baja (Cuadro 3) la producción de leche fue menor (6.25 ± 2.19 L) y la intensidad de emisión de CH4 fue mayor (19.59 ± 4.10 g L-1). En estos sistemas se ordeña con equipo portátil y mano de obra familiar, la superficie para la producción de alimento es pequeña (1.5 ± 2.12 ha), la dieta es una relación 95:5 de forraje:concentrado; alfalfa fresca (Medicago sativa), maguey (Agave salmiana) y sorgo (Sorghum bicolor L.), el concentrado es una mezcla de 40 % pollinaza, 20 % maíz en grano, 20 % salvado y 20 % concentrado comercial.
Cuadro 3 Variables para análisis cluster de los sistemas de producción de leche bovina del valle de San Luis Potosí, México. (n=15).
*Baja (0.55±0.13). Media (0.87±0.18). Alta (1.21±0.12). IMS: Ingesta de MS. Medias con distinta letra en un renglón son estadísticamente diferentes (Tukey, p≤0.05)
La eficiencia alimenticia media (Cuadro 3) se define por la producción de leche de 11.58 ± 2.69 L e intensidad de emisión de CH4 de 14.44 ± 2.3 g L-1. No hubo diferencias (p>0.05) entre el grupo de baja y media eficiencia alimenticia en la ingesta de MS, la relación de forraje:concentrado, EB consumida por las vacas en producción, y factor de emisión entérico. Similarmente, el grupo de eficiencia alimenticia media no fue diferente (p>0.05) con el de eficiencia alimenticia alta en la relación de forraje:concentrado, pero si tuvo una menor (p≤0.05) producción de leche e intensidad de emisión de CH4 en comparación al grupo de eficiencia alimenticia alta. El grupo con eficiencia media se caracteriza por el uso de una dieta con alfalfa fresca y concentrado comercial, con una relación forraje:concentrado de 66:34 y una mayor (p ≤0.05) ingesta de MS 13.20± 0.83 kg d -1 por vaca-1, respecto al grupo de eficiencia alimenticia baja. El grupo de mayor eficiencia alimenticia tuvo la menor (p≤ 0.05) intensidad de emisión de CH4 (11.74 ±1.51 g L -1), la dieta es de mayor digestibilidad (p ≤0.05) y es 55:45 forraje:concentrado; el forraje es ensilado de maíz, ensilado de sorgo, alfalfa fresca y alfalfa henificada, y el concentrado es una mezcla de 75 % concentrado comercial y 25 % grano de maíz. La ingesta de MS fue 15.87±1.72 kg d-1 por vaca, la producción de leche aumentó y la emisión de CH4 por litro de leche producido disminuyó.
El análisis de correlación de Pearson mostró que intensidad de emisión de CH4 se correlaciona negativamente (r=-0.92) con la eficiencia alimenticia; esto es, la intensidad de emisión de CH4 aumenta y la eficiencia alimenticia disminuye.
El análisis de regresión lineal simple (ecuación 5) muestra:
donde
El aumento de la productividad en vacas lecheras puede ser la estrategia más exitosa para reducir la intensidad de emisión de CH4. Para ello se deben tomar en cuenta los factores de alimentación que afectan el consumo de MS y producción de leche. Así, la composición de la dieta, forma física, humedad, relación forraje:concentrado y la calidad genética de las vacas aumentan o disminuyen la producción de leche. Hristov (2013) manifiesta que dietas con más de 40 % de concentrado disminuyen la emisión de CH4 entérico, lo cual se observa en el presente estudio ya que vacas con eficiencia alta presentan una intensidad de emisión de CH4 65 % menor respecto a las vacas con eficiencia baja.
El aumento de la digestibilidad del forraje e ingesta de forraje digestible reduce las emisiones de CH4 por fermentación entérica y manejo de las heces (Afshar y Naser, 2011). Además, según Hassanat et al. (2012) y Lettat et al. (2013), el remplazo del ensilado de pastos o alfalfa por ensilado de maíz reduce la producción de metano, al aumentar la concentración de propionato, disminuye el pH y las concentraciones de acetato y butirato, y decrece la población de protozoarios que mantienen una relación de simbiosis con las bacterias metanogénicas al producir hidrógeno.
Conclusiones
Los factores de emisión de metano entérico y el manejo de las heces difieren por estado fisiológico de las vacas. La emisión de metano se correlaciona negativamente con la eficiencia del alimento, por lo cual los inventarios de metano actuales no reflejan el impacto ambiental real. Los inventarios de emisión de metano deben realizarse de acuerdo con la estructura de los hatos y el estado fisiológico de las vacas.
La duplicación de la ingesta de energía total, el aumento del consumo de materia seca en relación al peso vivo y el incremento del concentrado en dietas para vacas con baja eficiencia alimenticia, podría mejorar la producción de leche y disminuir el impacto negativo por la emisión de metano por litro de leche producida.
