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Introducción
El calentamiento global y el resultante cambio climático son una realidad cuya intensidad es creciente. En los últimos sesenta años se ha observado a nivel planetario un creciente calentamiento de la atmósfera y del agua de los océanos, una reducción de la superficie cubierta con hielo y un aumento del nivel de los mares. La causa principal es el conjunto de actividades productivas de la sociedad actual.
México, por sus características físico geográfica, será uno de los países más afectados por el cambio climático, debido a que está ubicado entre dos grandes océanos, en la latitud en la que se ubican los grandes desiertos del mundo, y tiene grandes sistemas montañosos. En cuanto a los efectos que tendrán esos cambios climáticos, México verá reducida su capacidad productiva agrícola 27% para el año 2050 (Cline, 2008); la productividad en el cultivo del maíz y frijol irá disminuyendo y se tendrá una pérdida de fertilidad en los suelos de 25% de las unidades de producción. Para el año 2030 se pronostica que las condiciones naturales prevalecientes serán menos propicias para la producción de la mayoría de los cultivos. Esta situación se empeorará a fines del presente siglo (DOF, 2014). Los impactos económicos negativos provocados por los fenómenos hidrológicos y meteorológicos extremos irán creciendo. Las pérdidas ocasionadas por esos fenómenos pasaron de un promedio anual de 730 millones de pesos durante el período 1980-1999 a 21 950 millones por año en el período 2000-2012 (SEMARNAT, 2013).
En el año 2012 la actividad productiva y social de la humanidad produjo 52.76 gigatoneladas de bióxido de carbono equivalente (Gt CO2 eq), de acuerdo con el Oak Ridge National Laboratory (2015). México aporta 1.3% al total. La agricultura y la ganadería mexicanas contribuyen con 12.3% al total de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) del país, principalmente a través de la fertilización nitrogenada que emite un importante gas de efecto invernadero: el óxido nitroso (N2O), el cual aporta 50.4% de todas las emisiones del sector.
Las emisiones de óxido nitroso (N2O) son generadas por procesos naturales y por la lixiviación, la volatilización y la escorrentía de fertilizantes nitrogenados, así mismo por la descomposición de los residuos de cultivos y de animales. Según la Organización para la Alimentación y la Agricultura (FAO, 2002), China es el mayor consumidor de fertilizantes nitrogenados en el mundo y pierde 57.5% de todo el nitrógeno que aplica en la agricultura, debido al 50% de la volatilización y en 7.5% a la infiltración. En México las emisiones de óxido nitroso N2O en el año 2014 fueron 22 860.1 t. La contribución de las distintas fuentes emisoras es: los suelos agrícolas 67.2% (de la aplicación de fertilizantes nitrogenados), el transporte 18.2%, el manejo del estiércol 9.3%, el tratamiento y eliminación de las aguas residuales 2.8% y otras fuentes 2.5% (SEMARNAT-INECC, 2013). A nivel mundial el uso de fertilizantes nitrogenados en la agricultura ha crecido muy rápidamente, por lo que se prevé que las emisiones correspondientes aumentarán 50% para el año 2030.
No obstante la importancia de las emisiones de óxido nitroso producidas por la fertilización química en la agricultura mexicana, no existe una estimación fidedigna de su magnitud.
Ruíz (2011), utilizó la matriz de insumo-producto de México del año 2003 y la información del Inventario nacional de gases de efecto invernadero 1990- 2002 de SEMARNAT-INE (2006) para estimar los costos de las emisiones de gases de efecto invernadero de cada uno de las 79 ramas económicas. Con esa información calculó el vector de los coeficientes de emisión por rama, normalizando los valores de emisión respecto al valor bruto de la producción de 2003 basándose en el método sugerido por el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC). Esa estructura porcentual fue aplicada a las emisiones totales del año 2003, reportadas por el Instituto de Ecología. Así obtuvo las emisiones de GEI para cada sector o subsector. Luego, se compatibilizaron las categorías de la clasificación del IPCC con las ramas de la matriz insumo- producto, mediante la distribución de las emisiones en cada rama por su participación relativa en el valor agregado bruto dentro del sector correspondiente en el mismo año (2003).
Otro procedimiento basado en coeficientes medios es el usado para obtener las estimaciones contenidas en el inventario nacional de gases de efecto invernadero 1990-2010 SEMARNAT (2013a). El Cuadro A.3.3 de anexo A del inventario nacional de emisiones de gases efecto invernadero 1990-2010 de SEMARNAT (2013a), en el que se presentan las estimaciones sobre las emisiones de óxido nitroso producido por la aplicación de tales fertilizantes en México, está basado en el supuesto de que los fertilizantes sintéticos nitrogenados tienen 34.5% de nitrógeno activo, “que es el valor de la media nacional”. Ese coeficiente es erróneo y consecuentemente, las estimaciones del Cuadro A.3.3 basadas en él también lo son. Ese error estadístico también distorsiona las estimaciones que aparecen en la base de datos de FAOSTAT (2016). En el caso de las emisiones de óxido nitroso producidas por la aplicación de fertilizantes químicos nitrogenados, ese error produce estimaciones con errores considerables. La fuente de esos errores de estimación radica en que se usaron coeficientes basados en una simple media del contenido de nitrógeno en los distintos fertilizantes nitrogenados (34.5%), en lugar de usar una media ponderada del consumo nacional aparente de los mismos, como hubiera sido lo correcto.
Después de tomar en cuenta los errores estadísticos citados, y conscientes de la importancia que tiene el contribuir con el cumplimiento de las metas de reducción de emisiones a nivel nacional y mundial, en esta investigación se propuso el objetivo de estimar, con mayor rigor y precisión, las emisiones anuales de óxido nitroso (N2O) producidas por la fertilización nitrogenada en la agricultura mexicana durante el período 1980- 2014, tomando en cuenta las versiones más resientes de las ecuaciones usadas para la estimación de las emisiones de óxido nitroso.
Materiales y métodos
Base paramétrica de referencia
La causa principal del calentamiento global es la concentración en la atmósfera de gases de efecto invernadero que mantienen la radiación infrarroja de la superficie terrestre, con lo cual hacen aumentar la temperatura del aire. Los gases de efecto invernadero son: el bióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), el óxido nitroso (N2O), los clorofluorocarbonos (CFC), el vapor de agua y otros. Los primeros tres gases representaron en conjunto 99% de las emisiones y los últimos tres 1%, en 2002. El papel que juega el bióxido de carbono es muy importante para la vida, pues si no existiera, la temperatura media en la tierra sería de -18 °C y, por el contrario, una concentración mayor a cierto punto calentará la atmósfera de una manera muy significativa (Uzawa, 2010). Esto último es lo que ha estado pasando.
Los gases de efecto invernadero más importantes producidos por las actividades humanas son: el bióxido de carbono, CO2, emitido por el consumo de combustibles fósiles y por las actividades industriales representa el 65% del total de emisiones, el metano CH4, representa 16%, el bióxido de carbono CO2, producido por la agricultura, la ganadería y la silvicultura, 11%, el óxido nitroso N2O, 6%, y los gases fluorados o gases F (6%) (IPCC, 2014a). En cuanto a las emisiones por sector, medidas en unidades equivalentes a bióxido de carbono (CO2 eq), la producción de electricidad y calor contribuyó con 25%, la agricultura, ganadería y silvicultura 24%, la industria con 21%, el transporte 14%, los edificios comerciales y residenciales con 6% y las demás emisiones del sector energético 10% (IPCC, 2014a).
De acuerdo con el IPCC (2014a), la concentración en la atmósfera de los gases de efecto invernadero (GEI) producidos por la naturaleza ha fluctuado en los últimos 650 000 años, conforme se alternan períodos de calentamiento y enfriamiento de la tierra. En los 1 000 años previos a 1 750 los niveles de CO2 nunca se incrementaron más allá de las 30 partes por millón (ppm). Sin embargo, en las últimas dos décadas el incremento fue mayor. Al inicio de la revolución industrial en 1750, la concentración de bióxido de carbono en la atmósfera era de 280 partes por millón (ppm). Sin embargo, en 1960 era de 315 y en 2010 de 380 (Sachs, 2008). La mitad de las emisiones acumuladas de CO2 entre 1 750 y 2012 se han producido en los últimos 42 años.
Ese proceso de crecimiento de las emisiones continúa acelerándose. De 1970 a 1999 las emisiones de esos gases, medidas en giga toneladas de bióxido de carbono equivalente (Gt CO2 eq), crecieron a una tasa anual de 1.64%, mientras que del año 2000 al 2012 crecieron a una tasa de 2.69% por año (IPCC, 2014). Esos datos contrastan rotundamente con toda la retórica usada por la mayoría de los países para resaltar sus programas de control de emisiones de GEI y la sociedad actual está actuando muy irresponsablemente.
En el año 2012 la actividad productiva y social de la humanidad produjo 52.76 gigatoneladas de bióxido de carbono equivalente (Gt CO2 eq) (ORNL, 2015). Los países con mayores emisiones son: China (23.6%), USA (12%), India (5.7%), Brasil (5.7%), Federación Rusa (5.3%), Países Árabes (4.9%), Japón (2.8%), Alemania (1.8%) y México (1.3%). China produce casi una cuarta parte de las emisiones mundiales. Note que China, India, Brasil, Federación Rusa, el Mundo Árabe y México contribuyen con 46.4%.
Entre 1970 y 2012 el país incrementó sus emisiones de gases de efecto invernadero desde 210.5 a 663.4 millones de toneladas en unidades de bióxido de carbono equivalente. Este último número equivale, simplemente, a 0.6634 Gt CO2 eq. Según SEMARNAT-INECC (2013), las emisiones en el año 2010 fueron 748.3 millones de toneladas y no 663.4. En tan solo 42 años las emisiones se multiplicaron 3.15 veces en relación con el año base. De acuerdo con la base de datos del Banco Mundial (World Bank, 2013), las emisiones per capita en México tan solo de bióxido de carbono, CO2, fueron 1.64 t en 1960, 2.2 en 1970, 3.7 en 1990 y 3.9 t en 2013, lo cual significa que entre 1960 y el año 2013 las emisiones en México se multiplicaron 2.38 veces, a una la tasa media anual de crecimiento de 4.59%. Sin embargo, las emisiones totales de gases de efecto invernadero fueron 7.1 t de CO2 eq.
De acuerdo con el inventario nacional de gases de efecto invernadero 1990-2010 (SEMARNAT-INECC, 2013), del total nacional de emisiones de gases de efecto invernadero, convertidas a unidades equivalentes de bióxido de carbono, CO2 eq, el sector de la energía aportó 21.8%, el transporte 22.2%, la agricultura y ganadería 12.3%, emisiones fugitivas 11.1%, la industria 8.2%, manufactura e industria de la construcción 7.6%, el uso del suelo, los cambios en el uso del suelo y la silvicultura 6.3%, los desechos 5.9% y el sector comercial y residencial 4.6%.
Emisiones de óxidos nitrosos (N 2 O), en términos de bióxido de carbono equivalente (CO 2 eq), producidas por la aplicación de fertilizantes nitrogenados
Con el fin de fue cuantificar las emisiones de óxido nitroso (N2O) producidas por la fertilización nitrogenada en la agricultura mexicana, primero se reunió información sobre aplicación anual de las distintas clases de fertilizantes nitrogenados en la República Mexicana. Posteriormente, se calculó el contenido de nitrógeno equivalente para cada una de las clases de fertilizantes aplicados. Después, se estimaron las emisiones de N2O por consumo de fertilizantes nitrogenados. Finalmente, se expresaron esas emisiones en unidades de bióxido de carbono equivalente (CO2 eq).
La aplicación de fertilizantes químicos nitrogenados produce emisiones directas (ED) e indirectas (EI) de óxido nitroso. La emisión directa de óxido nitroso es producida por dos procesos microbiológicos: la nitrificación, que es una oxidación del amonio al nitrato y la desnitrificación, que es una reducción del nitrato a las formas gaseosas del nitrógeno, N2O y N2. Después, se producen las emisiones indirectas, mediante los procesos de volatilización/redeposición y lixiviación. Con el fin de estimar las emisiones directas (ED) de N2O asociadas con la aplicación de fertilizantes nitrogenados en la agricultura, se usó el método elaborado por la Agencia para la Protección Ambiental (EPA, 1992) de EE.UU, la FAO (2014) y el Panel Intergubernamental del Cambio climático (Klein, 2006), el cual se resume en la siguiente ecuación de conversión.
Donde: CF es el consumo de fertilizantes en toneladas de nitrógeno activo aplicado, CE representa el coeficiente o factor de emisión y la fracción (44/28)= 0.01571429 representa el peso molecular de N2O en relación con las moléculas de nitrógeno contenidas en el óxido nitroso (N2O/N2O-N); es decir, esta expresión representa la relación de pesos moleculares del N2O: el número 44 es la suma total de pesos moleculares de sus dos moléculas de nitrógeno que es 28 y del oxígeno, que es 16, y el número 28 es el peso molecular de N2.
El servicio de investigación agrícola del Departamento de Agricultura de EE.UU, estimó en 1990 que 100 kg de nitrógeno aplicado como fertilizante emiten 1.84 kg de N2O. La Agencia para la Protección Ambiental de EE.UU. (EPA, 1992) estimó un coeficiente de emisiones (CE) igual a 0.0117 t de N2O por cada tonelada de nitrógeno aplicado, lo cual significa que 1.17% del nitrógeno aplicado como fertilizante es liberado a la atmósfera como N2O. El coeficiente de emisiones usado por la FAO (2012) es 0.0125. El estimado por Davidson (2009) es 0.01458. Según Shcherbak et al. (2014) el coeficiente medio de emisiones de 1 000 mediciones en campo es igual a 0.01. El estimador aquí usado es CE=0.01, el cual fue obtenido por Klein (2006) y reportado en las guías para el inventario de gases de efecto invernadero del Intergovernmental Panel on Climate Change.
El óxido nitroso es un gas de efecto invernadero (GEI) muy poderoso y su potencial de calentamiento global (GWP) es 310, lo cual significa que cada tonelada de óxido nitroso equivale a 310 toneladas de bióxido de carbono (SEMARNAT, 2013a). De acuerdo con la EPA (1992), la fórmula para transformar las emisiones directas de óxido nitroso en bióxido de carbono equivalente (CO2 eq) es la siguiente.
Por otra parte, las emisiones indirectas (EI) de óxido nitroso producidas por los fertilizantes nitrogenados se determinan de la manera siguiente, de acuerdo con las guías del Panel Intergubernamental del Cambio Climático (Klein 2006).
Donde: FraccGASF es la fracción del fertilizante nitrogenado aplicado que se volatiliza en forma de amoniaco (NH3) y en distintas formas de óxido nítrico (NOX); CE4 es el coeficiente de emisiones indirectas procedentes de la volatilización; FraccLEACH representa la cantidad del nitrógeno activo aplicado que se lixivia, y CE5 es el coeficiente de emisiones indirectas procedentes de la lixiviación. De acuerdo con los parámetros contenidos en los Cuadros 24-28 de (FAO, 2014), la expresión previa se transforma en la siguiente:
La fórmula que se usó para transformar las emisiones indirectas de óxido nitroso en bióxido de carbono equivalente (CO2 eq) es la siguiente.
Finalmente, las emisiones totales (ET) de óxido nitroso, en unidades de CO2 eq producidas por la aplicación de fertilizantes nitrogenados, son la suma de las emisiones directas e indirectas. Es decir.
Fuentes estadísticas
El cálculo de las emisiones de N2O en términos de CO2 eq para México estuvo basada en la dinámica de consumo nacional aparente de los fertilizantes nitrogenados expresado en toneladas de nitrógeno activo, durante el periodo 1980-2014, para lo cual se utilizó la base de datos FAOSTAT (2016). También se revisaron las siguientes fuentes estadísticas: 1) el inventario nacional de emisiones de gases de efecto invernadero (INEGEI) del período 1990- 2010; 2) el inventario de gases efecto invernadero (GEI) de la agricultura 1990- 2010; 3) los reportes de la cuarta comunicación nacional; 4) los reportes de la Environmental Protection Agency de EE.UU. (EPA, 1992); 5) el anuario estadístico de la Comisión Económica para América Latina (CEPAL, 2011); 6) el sistema de información agroalimentaria de consulta (SIACON) (1980-2012); y 7) las estadísticas de facilitadores del mercado del carbono, como Thomson Reuters Point Carbon, entre otras.
Los documentos consultados para obtener estadísticas fueron los siguientes: a) la distribución del cambio climático entre los sectores de la economía mexicana (SEMARNAT, 2009a; 2013a), donde se evalúa el impacto de las emisiones de gases contaminantes en de la producción de 79 ramas económicas; y b) la estimación económica de las interrelaciones del cambio climático con la agricultura y la degradación de las tierras (SEMARNAT, 2009b; 2013).
Resultados
Los estimadores de las emisiones de óxido nitroso producidas por las aplicaciones de fertilizantes químicos nitrogenados en la agricultura mexicana se presentan en los Cuadros 1 y 2.
Cuadro 1 Consumo aparente de fertilizantes nitrogenados en toneladas de N activo y emisiones de N2O en México, 1980-1996.
Cuadro 2 Consumo aparente de fertilizantes nitrogenados en toneladas de N activo y emisiones de óxido nitroso (N2O) en México, 1997-2014.
Los estimadores de las emisiones de óxido nitroso expresadas en unidades equivalentes a bióxido de carbono producidas por las aplicaciones de fertilizantes químicos nitrogenados en la agricultura mexicana, se presentan en los Cuadros 3 y 4.
Cuadro 3 Consumo aparente de fertilizantes nitrogenados en toneladas de N activo y emisiones de óxido nitroso (N2O) en unidades de CO2 eq en México, 1980-1996
Discusión
Los resultados presentados en los Cuadros 1 a 4 sobre el consumo de nitrógeno activo son más verosímiles, cercanos a la realidad y fidedignos, que los reportados por SEMARNAT (2013a) y por FAOSTAT (2016), debido a los procedimientos estadísticos inadecuados que aplicaron. El supuesto que los fertilizantes sintéticos nitrogenados tienen en promedio 34.5% de nitrógeno activo, es falso, porque es una simple media aritmética del contenido de N en los fertilizantes nitrogenados, lo correcto es calcular la media ponderada del contenido de N del consumo nacional aparente de los distintos fertilizantes nitrogenados, tomando en cuenta el porcentaje distinto de N que tiene cada uno de los fertilizantes y las cantidades consumidas de cada producto. Por ello, las estimaciones del Cuadro A.3.3 de SEMARNAT (2013a) son erróneas.
Después de aplicar el filtro Hodrick-Prescott (1997) a la serie temporal del consumo aparente de fertilizantes químicos nitrogenados en México, se observó que la tendencia secular de esa variable creció de 1980 a 1989 -año en el que se considera el inicio real más no formal del Tratado de Libre Comercio de América del Norte (TLCAN)- y empezó a decrecer a partir de 1990, a partir del año 2012 empezó a crecer nuevamente. También se observó que la serie del consumo aparente de fertilizantes sintéticos nitrogenados fluctúa irregularmente en relación con esa tendencia secular. Como era de esperarse, las correspondientes series temporales de las emisiones de óxido nitroso y la expresada en unidades equivalentes a bióxido de carbono tienen un comportamiento análogo, como se observa en la siguiente Figura 1.
Conclusiones
El uso de fertilizantes químicos nitrogenados en la agricultura mexicana es ineficiente económica, social y ambientalmente. Se deben cuantificar los costos de las emisiones de óxido nitroso producidas por los fertilizantes químicos nitrogenados y definir, con base en ello, una política fiscal-ambiental eficiente para abatimiento de emisiones.
El gobierno de México debe incluir en sus estrategias y programas de desarrollo la realización de estudios de impacto económico, social y ambiental, para identificar y cuantificar los costos de las externalidades negativas, generadas por las distintas actividades productivas, con el fin de instrumentar soluciones óptimo-económicas que también sean eficientes desde el punto de vista del bienestar social y de la necesidad de adaptación al cambio climático.
En los últimos 30 años los programas de altos rendimientos se ha promovido un uso excesivo de fertilizantes, más allá de la dosis óptima- económica de fertilización y además, no se ha considerado el costo de las emisiones de óxido nitroso producidas por los fertilizantes químicos nitrogenados. En general, se observa un proceso de sobre-intensificación de la agricultura en las regiones más avanzadas de México, lo cual no sólo es una evidencia de ineficiencia y desperdicio sino que; además, muestra una orientación irresponsable con respecto a la sociedad y a su bienestar.
