Economic and environmental fertilization optimization on sugar beet farms in a european region
Zulia Helena Caamal-Pat1; Ruth Arely Casas-García1; Beatriz Urbano-López-de-Meneses2*
1 Universidad Autónoma Chapingo. km 38.5 Carretera México-Texcoco, Chapingo, Estado de México. MÉXICO. C.P. 56230.
2 Universidad de Valladolid, Área de Economía, Sociología y Política Agraria. Avenida de Madrid # 57. Palencia, Castilla y León, ESPAÑA. C. P. 34004. Correo-e: beaturb@iaf.uva.es (*Autor para Correspondencia).
]]> Recibido: 23 de diciembre, 2013.
Resumen
Se evaluó la posible optimización económica y ambiental de la fertilización en una muestra de explotaciones de remolacha azucarera en una región europea. En una primera etapa se obtuvo el posible ajuste de las dosis mediante la comparación de las dosis aplicadas con las recomendadas. Así, el 54.72 aportó más nitrógeno; el 42.01 %, más fósforo, y el 14.65 %, más potasio del recomendado. En la segunda etapa, para los fertilizantes y precios disponibles, se obtuvo la combinación más económica de fertilizantes a emplear para la recomendación, mediante un modelo de programación lineal, que supuso un ahorro de hasta 22.23 €·ha-1. Finalmente, se calcularon las emisiones de CO2 equivalentes que se podrían haber evitado y los derechos de emisiones de CO2 que se podrían haber negociado del exceso de N aplicado, con lo que se pudo haber evitado 25.545.65 kg de CO2, y negociado unos derechos en toda la región de 6.812 €.
Palabras clave adicionales: Optimización de la fertilización, ahorro económico y ambiental, decisiones de abonado, emisiones evitadas.
Abstract
The aim of the work was to economically and environmentally optimize fertilizer use on sugar beet farms in a European region. Firstly, the difference between the applied and recommended doses was calculated, revealing that 54.72 %, 42.01 % and 14.65 % of the surveyed farms used more nitrogen, phosphorous and potassium, respectively, than recommended. Secondly, for the economic optimization, a linear programming model considering available fertilizers and prices was developed to determine the most cost-effective mix of fertilizers to use to comply with the recommended dose. If applied, these fertilizer mixes would save producers up to 22.23 €·ha-1. Finally, the CO2 equivalent emissions that could have been avoided and the CO2 emission rights that could have been negotiated if the excess N had not been applied were calculated. Specifically, 25.545.65 kg of CO2 emissions could have been avoided and 6.812 € of CO2 rights could have been traded by the whole region.
Additional keywords: Fertilization optimization, economic and environmental savings, fertilizer decisions, emissions avoided.
]]>INTRODUCCIÓN
Varios son los motivos que aconsejan la optimización de las dosis de fertilizantes, especialmente nitrogenados, en la actividad agraria. Por una parte, existe la necesidad de rentabilizar las explotaciones agrarias y con ello mejorar su competitividad y sostenibilidad, dado que el gasto en fertilizante representa un porcentaje muy alto, en algún caso cercano a 30 % de los costos que soporta la explotación, y por otra, la disminución de la contaminación procedente de la contaminación difusa que provoca la agricultura.
El exceso de fertilización puede originar contaminación por nitrógeno en la ecosfera. La atmósfera es contaminada por gases de N2O y NOx que originan directa o indirectamente el calentamiento de la atmósfera y el efecto invernadero. Además, cuando el abonado nitrogenado excede las necesidades del cultivo y la capacidad de nitrificación del suelo, el nitrógeno sobrante puede filtrarse, normalmente como nitratos (Meisinger y Randall, 1991) (Almasri y Kaluarachchi, 2004d) y contaminar los acuíferos y cursos fluviales.
En general, los principales aportes de nitrógeno agrario provienen del estiércol, vacuno y aviar, la fertilización nitrogenada, la fijación atmosférica abiótica, el riego con aguas contaminadas por nitratos y la fijación del nitrógeno por las leguminosas (Almasri y Kaluarachchi, 2004a-c). La optimización de las dosis aplicadas sería una manera eficaz de reducir la contaminación, teniendo en cuenta que en las zonas agrícolas ésta proviene principalmente de la fertilización nitrogenada, (Yadav y Wall, 1998). En este sentido la Política Agraria Comunitaria Europea hace eco de este objetivo al promover su consecución a través de la condicionalidad agraria, que fija los requisitos mínimos ambientales que se deben verificar en la explotación para la percepción de las ayudas europeas correspondientes.
Muchos estudios han analizado el impacto económico (Carr et al., 1991; Wibawa et al., 1993; Hayes et al., 1994; Long et al., 1995; Lowenberg-Deboer y Swinton, 1995), y ambiental (Rejesus y Hornbaker, 1999) que supondría ajustar las dosis de abonado y su efecto sobre el rendimiento del cultivo. Así, Good y Beauty (2011) indicaron que en países desarrollados, como Dinamarca, los cultivos han alcanzado su máximo rendimiento, por lo que incrementos en el uso de los fertilizantes no ocasionarían ganancias adicionales a la explotación. Yadav y Wall (1998) en Minnesota, Estados Unidos, demostraron que sucesivos aumentos en la dosis de N no suponían incrementos en el rendimiento del cultivo, y en consecuencia ajustar las dosis no comprometía el rendimiento del cultivo. Por lo tanto, un ajuste en la dosis puede suponer un aumento en la rentabilidad de las explotaciones y una mejora ambiental.
Existen múltiples trabajos que han analizado el exceso de fertilización en diferentes cultivos como el trigo, maíz o arroz y en diferentes condiciones, China, Dinamarca, EEUU (Li, 2011; Antoniadou y Wallach, 2002; Hergert, 2010; Carr et al., 1991; Good y Beatty, 2011) y que resaltan que el exceso de fertilización es una problemática global y que la observación del cultivo es un medio eficaz de ajustar las dosis. En este sentido, para la optimización de la fertilización se debe tener en cuenta la dosis, la forma y el momento adecuado de aplicación, intensificando acciones de ahorro y uso eficiente de los fertilizantes como indica el IDAE (Anónimo, 2007). Se debe aprovechar la fertilidad del suelo gracias a su materia orgánica (Urbano et al., 2005) y a la contribución de los abonos orgánicos, los restos de las cosechas (Urbano et al., 2002) y la utilización de abonos verdes. Es conveniente aprovechar la capacidad fijadora de nitrógeno mediante la introducción de leguminosas, bien sea en la rotación de cultivos, o como cultivo asociado (González-Andrés et al., 2003).
El objetivo del trabajo fue evaluar la posible optimización económica y ambiental de la fertilización de la remolacha azucarera en una muestra de explotaciones de Castilla y León, España. En la primera parte del análisis se obtuvo el posible ajuste de las dosis al comparar las dosis aplicadas con las recomendadas, obtenidas en función de los contenidos del suelo de nitrógeno (materia orgánica y nítrico), fósforo y potasio, y un rendimiento esperado del cultivo entre 110 y 124 t·ha-1. En la segunda parte del análisis, y al considerar la disponibilidad y precio de los fertilizantes de la campaña, se obtuvo la combinación más económica de fertilizantes al aplicar un modelo de programación lineal. En la tercera parte, para el exceso de N aplicado se estimaron las emisiones de CO2 equivalente que se podrían haber evitado y los derechos de CO2 que Castilla y León podrían haber negociado (Anónimo, 2011).
MATERIALES Y MÉTODOS
]]> Para la evaluación, la optimización económica y ambiental de la fertilización, se analizó una muestra de explotaciones de remolacha azucarera en Castilla y León durante el año agrícola 2010-2011. Para una población total en la comunidad de 5,757 explotaciones de este cultivo, con un nivel de confianza de 95.5 % y margen de error de 5.5 %, se obtuvo una muestra de 307 explotaciones que fueron seleccionadas mediante un muestreo aleatorio. La superficie total de las explotaciones de la muestra fue de 1,018.47 ha, de las 33,156 ha del cultivo existentes en la comunidad, con un tamaño medio de 3.23 ha, y parcelas comprendidas entre 0.32 y 45.05 ha. La producción bruta media de las 307 parcelas de remolacha en el año agrícola de análisis fue de 104.7 t·ha-1, y el rendimiento neto, de 91.28 t·ha-1, con una polarización de 17.17, el rendimiento medio de la muestra en remolacha 16° fue 99.46 t·ha-1. Las explotaciones analizadas pertenecían a cinco regiones de regadío de la comunidad incluidas en el Plan 2014 que promueve la Asociación para la Investigación y Mejora del Cultivo de la Remolacha Azucarera (Anónimo, 2014), de apoyo a la mejora y la tecnificación de la remolacha en las localidades de Sondeos, Canales, Páramo, Vegas y Miranda.A partir de los contenidos del suelo de las parcelas de la muestra y para un rendimiento esperado del cultivo de remolacha entre 110 y 124 t·ha-1, se obtuvieron las Unidades Fertilizantes (N, P, K) recomendadas (UF recomendadas) con los criterios utilizados por los laboratorios y servicios agronómicos de la zona.
Para el nitrógeno recomendado se utilizó la fórmula:
UFNrecomendadas = 310 – 6 N (Nítrico) ppm – 70 MO %
donde UFNrecomendadas es el valor de unidades fertilizante de nitrógeno recomendadas; 310 es la extracción de N del cultivo para un rendimiento esperado aproximado de 120 t·ha-1 y una extracción por tonelada de 2.5 kg N (Urbano, 2002).
En el Cuadro 1 se detallan las recomendaciones de UFP y de UFK en funciones de los contenidos del suelo y otras pérdidas.
Una vez finalizado el año agrícola, se obtuvo la posible optimización de la dosis de fertilización de N, P y K (%), a partir de la fórmula siguiente:
Las UFaportadas por cada explotación durante la campaña se obtuvieron mediante entrevistas personales y cuadernos de campo de las 307 explotaciones de la muestra.
]]> Para realizar el análisis de la potencial optimización económica de la fertilización, se consideraron los fertilizantes comerciales disponibles y su precio durante el ciclo, con lo que se obtuvo la combinación de éstos, que minimiza los costos en la explotación mediante un modelo de programación lineal, en el cual la función objetivo fue minimizar el gasto por este concepto, y las variables de decisión, los seis fertilizantes comerciales disponibles, mismos que se obtuvieron de casas comerciales, entre los seis más vendidos para el cultivo de remolacha azucarera en Castilla y León. Los precios utilizados correspondieron con los precios de mercado. Los seis tipos de fertilizantes empleados en el modelo de optimización fueron a) 19-10-5, con precio de mercado de 272 €·t-1; b) 7-10-6, con costo de 280 €·t-1; c) 5-10-20, con costo de 232 €·t-1; d) DAP binario (18-46-0) con un costo de 147 €·t-1; e) NAC 27 % granulado, con un costo de 130.50 €·t-1, y f) Fertiyec (22-0-0), con un costo de 116 €·t-1. Para simplificar los consejos económicos y el modelo, las 307 explotaciones de la muestra se agruparon en siete categorías con similares recomendaciones de abonado (Cuadro 2). El 9.67 % de las explotaciones fueron descartadas por tratarse de casos particulares.La optimización económica de la fertilización se obtuvo tanto por el ajuste de la dosis de abonado a partir de las recomendaciones como por la mejor combinación de los fertilizantes disponibles. Una vez obtenida la combinación entre los fertilizantes disponibles que minimiza la función de costos para las recomendaciones de cada grupo de explotaciones, el potencial ahorro se calculó como la diferencia entre la combinación óptima de las aportaciones realizadas y las recomendadas por el modelo de programación lineal.
Para el cálculo de las emisiones de CO2 que se podrían haber evitado por el exceso de N aplicado, se ha considerado que, según el Panel Intergubernamental de Cambio Climático (Anónimo, 2006), el 1 % del Nitrógeno utilizado en la actividad agraria se pierde en forma de N2O-N, que expresado en CO2 equivalente se obtendría (Good y Beatty, 2011):
Emisiones de CO2 equivalente evitadas = UFN exceso × 0.01 × (44 g·mol-1/ 28 g·mol-1) × 296
Estas emisiones evitadas podrían haberse negociado como derechos de emisión de CO2 en el Sistema de Negociación de Derechos de Emisión de Dióxido de Carbono. Los derechos fueron estimados para el total de productores de remolacha azucarera de Castilla y León a precios de enero de 2011 (14.22 €·t-1 CO2) y de diciembre de 2011 (7.54 €·t-1) (Anónimo, 2011), ya que durante 2011 el precio descendió notablemente por la disminución de la demanda de derechos por la reducción de las emisiones de la industria.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La mayoría de las explotaciones consultadas, el 51.14 %, aportaron más nitrógeno del recomendado, mientras que el 24.75 % aportaron menos de la recomendación, y sólo el 23.45 % seguía la recomendación basada en los contenidos del suelo y las extracciones del cultivo. La fertilización en exceso de N era entre 5 y 15 % para el 35 % de las explotaciones, y entre 15 y 30% para el 14.65 % de ellas. En el caso del fósforo, se observa una menor dispersión. El 13.35 % de las explotaciones consultadas aportaba menos del recomendado, el 39.49 % de las explotaciones seguía la recomendación y el 36.48 % de ellas fertilizaba en exceso con fósforo (Cuadro 3).
En cuanto a potasio, el 14.65 % de las explotaciones analizadas fertilizaba en exceso con respecto a la recomendación (de éstos el 4.56 % aportaron más fertilizante del recomendado y el 10.09 % aporta potasio sin estar recomendado), el 74.59 % no aportaba este elemento ni debía hacerlo, sólo el 6.51 % aportaba exactamente la cantidad recomendada, y el 4.23 % aporta menos de la recomendación (Cuadro 3).
]]> De la potencial optimización de la fertilización aportada según los contenidos del suelo y las extracciones se observa que, a pesar de las recomendaciones realizadas no se respetan las dosis y se podría optimizar el uso de los fertilizantes y que cuanto menor es la dosis que se recomienda, mayores son los excesos y por lo tanto, mayor la potencial optimización.Algunas de las razones señaladas por los técnicos como posibles causas de ésta sobre fertilización, se deben al tradicionalismo, al desconocimiento del destino del exceso de fertilización que no contribuye a la mejora de los rendimientos (Yadav y Wall, 1998), o a la presión comercial por los fertilizantes disponibles, entre otras.
Optimización económica
Una vez valorada la potencial optimización de las dosis de Unidades Fertilizantes aportadas en el cultivo de la remolacha en el ciclo 2010-2011, se obtuvo la combinación más económica teniendo en cuenta los fertilizantes disponibles en el mercado y los precios de los mismos.
Para el Grupo 1 (Cuadro 2), el 8.17 % de las explotaciones, con recomendaciones de abonado [140-180 UFN; 125-150 UFP; 50-100 UFK], se obtuvo un costo óptimo en fertilizantes de 132.67 €·ha-1 para una mezcla de 250 kg de 5-10-20, 217 kg de 18-46-0 (DAP binario) y 327 kg de NAC 27 % (Cuadro 4).
Las aportaciones excedieron en un 15 % el aporte de N y P; 40.74 % y 23.9 % de las explotaciones (Cuadro 5). Para los abonos disponibles se obtiene una recomendación de 250 kg de 5-10-20, 258 kg de 18-46-0 (DAP binario) y 378 kg de NAC 27 %. Por lo que para este grupo el ajuste de las dosis de fertilizantes podría suponer un ahorro de 12.58 €·ha-1.
Para el Grupo 2, el 15.03 % de las explotaciones consultadas, con recomendación [140-180 UFN; 50-75 UFP; 100-150 UFK], se obtuvo una combinación óptima de fertilizantes para los compuestos disponibles de 500 kg de 5-10-20 y 425 kg de NAC 27 %, obteniendo un costo total de 171.58 €·ha-1 (Cuadro 4). En este grupo el 32.22 % de las explotaciones aplicó hasta un 30 % de exceso de N y el 32.61 % de P. Las aportaciones realizadas para los fertilizantes disponibles serían 500 kg de 5-10-20 y 581 kg de NAC 27 %, suponiendo un costo en abonado de 191.82 €·ha-1. El potencial ahorro económico sería de 20.24 €·ha-1.
El Grupo 3, que constituye el 41.18 % de las explotaciones muestreadas que requieren [140-180 UFN; 125-150 UFP], obtuvo un costo óptimo en la fertilización de 74.6 €·ha-1, aportando 271 kg·ha-1 de 18-46-0 y 337 kg·ha-1 de NAC 27%. Para este grupo, en cerca del 40 % de las explotaciones se aplicó hasta un 15% de exceso de N y 36.51% de P. Las aplicaciones supusieron 312.5 kg·ha-1 de 18-46-0 y 387.96 kg·ha-1 de NAC 27%, con un precio de 96.57 €·ha-1. El ajuste de las dosis según las recomendaciones supondría un ahorro de 21.97 €·ha-1. Esta cifra es llamativa, pues supone un encarecimiento del precio del abonado en un 29.45%. Una sobre fertilización del 15% supone económicamente a la explotación un encarecimiento del abonado del 29.45% del precio de la dosis recomendada.
El Grupo 4, 17.32 % de la muestra, corresponde a explotaciones con necesidades [140-180 UFN; 50-80 UFP; 50-100 UFK] debería haber utilizado 1.08 unidades de 18-46-0 con un costo de 159.78 €·ha-1 y 4.46 unidades de NAC 27 % con un costo de 582.10 €·ha-1, lo que resulta en un costo óptimo en fertilización de 741.88 €·ha-1.
]]> El Grupo 5, 0.98 % de las explotaciones de la muestra, requerían [100 UFN; 75-125 UFP; 100 UFK]. La combinación óptima tiene un costo de 155.51 €·ha-1, utilizando 500 kg·ha-1 de 5-10-20, 54.35 kg·ha-1 de 18-46-0 y 241 kg·ha-1 de NAC 27 %. Las aportaciones supusieron del orden de [130 UFN; 86.25 UFP; 100 UFK] que en los fertilizantes disponibles equivalieron a 500 kg·ha-1 de 5-10-20, 78.8 kg·ha-1 de 18-46-0 y 336.35 kg·ha-1 de NAC 27 %, con un costo total 171.48 €·ha-1.Para el Grupo 6, el 3.27 % de explotaciones, que tenían una recomendación de [100 UFN; 75-125 UFP], se recomienda una mezcla económicamente óptima de 163.04 kg·ha-1 de 18-46-0 y 261.67 kg·ha-1 de NAC 27 % con un costo de 58.11 €·ha-1. En este grupo la mayoría de las explotaciones sobre fertilizaron un 15 % de N y P, lo que supuso para los fertilizantes propuestos por el modelo lineal, unas aportaciones de 187.5 kg·ha-1 de 18-46-0 y 300.1 kg·ha-1 de NAC 27 % con un costo de 66.72 €·ha-1.
En el Grupo 7, el 11.11 % de las explotaciones, con recomendación de 100 a 180 unidades de nitrógeno, se obtuvo una recomendación de fertilización por programación lineal de 370.37 kg·ha-1 de NAC 27 %, con un costo de 48.33 €·ha-1. Con una sobre fertilización del 15 % de estas explotaciones se aplicaron 425 kg·ha-1 de NAC 27 % con un costo de 55.58 €·ha-1, lo que implica un sobrecosto de 7.25 €·ha-1 sobre la recomendación.
El análisis de los grupos creados con similar recomendación reveló que en el Grupo 1, el 64 % de las explotaciones podría optimizar la compra de fertilizantes nitrogenados; un 48 %, en fertilizantes fosfatados, y un 16 %, en potásicos. Para el Grupo 2, un 21.17 %, un 54.35 % y un 4.17 % de explotaciones pueden optimizar la compra de fertilizante nitrogenado, fosfatado y potásico, respectivamente. En cuanto al Grupo 3, un 52.69 % de las explotaciones podrían optimizar en el consumo de fertilizantes nitrogenados, y un 46.82 %, de fosfatados (Cuadro 5).
Para los Grupos 4, 5 y 6, se observa que el 90 % de las explotaciones tienen gastos en exceso en el uso de fertilizantes. Por ejemplo, en el Grupo 4 el 92.28 y 94.34 % de explotaciones pueden optimizar siguiendo las recomendaciones de nitrógeno y fósforo, respectivamente. El 100 % del Grupo 5 está sobre-fertilizando y no está usando la combinación más económica. En cambio, en el Grupo 6 solo 10 % de explotaciones siguen las recomendaciones.
En el Grupo 7, el 64.71 % y 17.5 % de las explotaciones podrían optimizar, si hubieran elegido la combinación más adecuada, de N y P, y siguieran las recomendaciones.
Se observa que mayor es la fertilización excedida cuanto menor es la recomendación. Ello se puede deber a que desoigan las recomendaciones, o bien tiendan a utilizar abonos ternarios equilibrados en N, P y K. También se debe a que existe cierta rutina fertilización, lo que lleva a seguir aplicando determinadas fórmulas cuando los suelos presentan saturación de ciertos elementos (Urbano et al., 2005) (Cuadro 5).
Optimización ambiental
La optimización de la fertilización nitrogenada analizada supondría reducir 5,492 UFN las aportaciones, con lo que se evitarían emisiones de 25,545.65 kg de CO2 equivalente a la atmósfera.
]]> Estas emisiones podrían suponer la posibilidad de negociar derechos de emisiones de CO2 por valor de 363.26 € en enero de 2011 y de 192.62 € para el precio de los derechos en diciembre de 2011 (Anónimo, 2011). Por extrapolación y para el total de productores de remolacha azucarera, Castilla y León hubiera podido negociar entre 6,812 € y 3,612 € de derechos de emisiones de CO2 entre enero y diciembre de 2011, debido a la volatilidad del precio de los derechos de emisión de CO2 por la disminución de la demanda en este período (Cuadro 6).Pero además, de las emisiones evitadas, el ajuste de las dosis de fertilizantes nitrogenados evitaría la posible contaminación por volatilización, denitrificación y lixiviación que contamina la atmósfera y aguas superficiales y subterráneas que puede ser de gran importancia (Almasri y Kaluarachchi, 2004d). Estos contaminantes dependerán del momento y forma de aplicación, tipo de fertilizante y riego, entre otras. En este sentido, se recomienda ajustar las dosis de presiembra y adaptar la cobertera a la evolución del cultivo (Antoniadou y Wallach, 2002) que marcará las necesidades. Por ello, trabajos futuros deberán tener en cuenta el análisis de la forma de aplicación, momento, así como condiciones climáticas y el riego que pueden aumentar considerablemente estos contaminantes.
Teniendo en cuenta los estudios previos y la observación de las explotaciones de Castilla y León, parece necesario analizar en profundidad los criterios económicos y ambientales que inciden en las decisiones de fertilización de las explotaciones castellanas y leonesas. También se requiere establecer un modelo de optimización de la fertilización que incluya criterios ambientales y económicos, sin comprometer el rendimiento del cultivo, y que permita rentabilizar las explotaciones de manera sostenible.
Los criterios de optimización económica y ambiental en la fertilización obligan por un lado, a revisar el actual modelo de fertilización en las explotaciones castellanas y leonesas y por otro, plantear un modelo de gestión multiobjetivo que tenga muy presente la consideración de estos criterios.
CONCLUSIONES
El 54.72% de las explotaciones consultadas, aportaban más nitrógeno del recomendado, mientras que sólo el 19.54% sigue la recomendación. La diferencia entre la dosis recomendada y la aportada es menor en el caso del fósforo, a pesar de ello el 42.01% de éstas aplica exceso de fósforo. El 14.65% de las explotaciones fertilizaba en exceso de potasio, el 4.56% aportan más fertilizante del recomendado y el 10.09% aporta potasio sin necesidad.
Cuanto menor es la dosis que se recomienda, mayores son los excesos y por lo tanto, mayor la potencial optimización.
La optimización económica de la fertilización supondría para las explotaciones de la muestra un ahorro de hasta 22.23 €·ha-1. Una sobre fertilización del 15 % puede incrementar hasta el 29.45 % del costo de la fertilización con respecto a la dosis recomendada.
La optimización de la fertilización nitrogenada supondría, para las explotaciones analizadas, evitar emisiones de 25,545.65 kg de CO2 equivalente. Castilla y León hubiera podido negociar entre enero y diciembre de 2011, de 6,812 € a 3,612 € en derechos de emisiones de CO2, por la volatilidad del precio y la disminución de la demanda en este periodo.
]]>AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido subvencionado por la convocatoria de apoyo a la investigación de la Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León, España.
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