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Introducción
Una característica del metabolismo del bovino lechero es una baja eficiencia en el uso de nutrientes, principalmente de nitrógeno (N). La eficiencia de su uso por el bovino lechero es alrededor del 30 %, por lo que el 70 % restante es excretado1. Por lo anterior, el manejo inadecuado del estiércol representa un riesgo de contaminación ambiental, siendo las principales vías de contaminación la lixiviación de nitrato (NO3-N) al agua subterránea2, la emisión de óxido nitroso (N2O) a la atmósfera y el escurrimiento superficial de agua y sedimentos cargados de N hacia cuerpos de agua superficial3. La región de la Comarca Lagunera, en los estados de Coahuila y Durango, México, concentra la mayor parte del inventario de bovino de leche en México, con un promedio de 423,000 cabezas que representan alrededor de 20 % del hato nacional4. La producción estimada de estiércol es de 619,000 t año-1 en MS5, con dosis de aplicación que van de 60 hasta más de 200 t ha-1, lo cual origina riesgos de contaminación6. Al respecto, se ha documentado la concentración excesiva de nitrato en aguas subterráneas de esta región7. Por la alta demanda de forrajes para la alimentación del ganado lechero, en la Comarca Lagunera se siembran en promedio 89,500 ha de forrajes, lo cual representa el 69 % de la superficie agrícola bajo riego4.
Una herramienta de apoyo para planificar el manejo de excretas y fertilizantes en la producción de forrajes, es el balance de N, tanto a escala regional como a nivel de unidad de producción8. Más aún, en algunos países de Europa se utiliza un balance de N a nivel de granja para regular el uso de nitrógeno9. Según la OCDE10, México tiene un balance de N (entradas - salidas) positivo de 22 kg ha-1, donde el 40 % de las entradas de N proviene de estiércol y 20 % de fertilizantes químicos. En la Unión Europea, todos los países registraron balances positivos (excesos) de N, con valores desde 30 kg ha-1 en Grecia hasta 249 kg ha-1 en Holanda11. En este último país, Hilhorst et al12 concluyeron que al optimizar los procesos de producción de leche-forraje con enfoque de sustentabilidad, se alcanzó un balance de 158 kg ha-1, lo que representó un disminución de 61 % con respecto al promedio regional con manejo convencional.
Una variable del manejo de hatos lecheros relacionada con el balance de N es la densidad en número de vacas por hectárea dedicada a la producción de forraje, ya que es un indicador de la superficie disponible para reciclar el N del estiércol. En explotaciones lecheras de Wisconsin, EUA, se estimó que con una densidad de 1.1 vacas ha-1, una explotación es autosuficiente en producción de granos y forrajes y se tiene la capacidad de reciclar el estiércol13.
Por lo anterior, el balance de nutrientes es una herramienta para identificar áreas problema y generar alternativas de manejo para reciclar de manera más eficiente los nutrientes contenidos en el estiércol, disminuyendo así riesgos de contaminación al ambiente. Además, en los sistemas intensivos de producción de forraje-leche, la compra y aplicación de fertilizantes puede representar más del 40 % del costo de producción de los cultivos14. Por consiguiente, el presente estudio tuvo como objetivos: 1) estimar el balance regional y municipal entre el requerimiento potencial de N por los cultivos forrajeros y el N excretado potencial por el ganado bovino lechero; 2) establecer la densidad adecuada de cabezas de bovino lechero por hectárea cosechada de forraje y su efecto en el balance de N.
Materiales y métodos
Descripción del área de estudio
La Comarca Lagunera, comprende 10 municipios del estado de Durango y cinco de Coahuila, en una superficie de 4.8 millones de hectáreas. El clima de la región se caracteriza por una temperatura media anual de 20.9 ºC, veranos cálidos, con promedio de temperaturas máximas de 30.2 ºC (±1.9), mínimas de 10.5 ºC (±3.0) y precipitación media anual de 287 (±98) mm, durante el periodo de evaluación4. Se utilizaron los datos por municipio referentes a: 1) inventario de bovino lechero, total y en lactancia; 2) producción anual de leche; 3) superficie cosechada total y de cultivos forrajeros; y 4) producción anual de cultivos forrajeros. La información anterior se obtuvo de los anuarios estadísticos de 1999 a 2011, disponibles en la Delegación de la SAGARPA en la Región Lagunera4. Durante el periodo de estudio la superficie agrícola total promedió 130 mil ha cosechadas bajo riego más 20 mil ha de temporal. Las áreas de temporal se concentran en seis municipios de Durango: Mapimí, San Pedro del Gallo, San Luis del Cordero, Rodeo, Simón Bolívar y San Juan de Guadalupe; como ninguno de estos municipios aporta más del 1 % del inventario de bovino lechero, para fines del presente estudio se sumaron en “Otros” y el balance de N se calculó en forma conjunta.
Requerimiento de N por los cultivos
Para estimar los requerimientos de N, se consideraron los cultivos forrajeros con más de 100 ha año-1 por municipio en el periodo de evaluación. Los datos de producción de forraje verde de cada cultivo se transformaron a producción de materia seca (MS), para lo cual se utilizaron los porcentajes de MS que se anotan en el Cuadro 1. El requerimiento de N de los cultivos forrajeros se obtuvo con los valores de extracción de N por tonelada de MS de rendimiento, con base en información generada principalmente en la Comarca Lagunera y en México15-19. En el caso de alfalfa, se asume que el 75 % del N total en el forraje proviene de la fijación biológica y el 25 % restante lo toma del suelo; lo anterior por tratarse de suelos estercolados de manera regular y con altos contenidos de N disponible20.
Producción de estiércol y excreción de nitrógeno
Para estimar la producción de estiércol y la excreción de N se utilizaron las ecuaciones generadas por Nennich et al21 (Cuadro 2), las cuales han sido utilizadas en estudios similares al presente22,23:
Et = 0.616(PDL) + 46.2
EMS = 0.0874(PDL) + 5.6
NE = 2.82(PDL) + 346
Donde Et es la producción de excreta total (kg vaca-1 dia-1), EMS es la producción de excreta en MS (kg vaca-1 dia-1), NE es el N total excretado (g vaca-1 dia-1) y PDL es la producción promedio diaria de leche (kg vaca-1).
Cuadro 2 Superficie, producción y rendimiento de forraje en materia seca cosechada bajo riego en municipios de la Comarca Lagunera de 1999 a 2011 (media ± desviación estándar).
Como las ecuaciones utilizadas aplican a vacas lactantes, el número de vacas para fines de cálculo se estimó bajo los supuestos siguientes: 1) del inventario total de bovino lechero por municipio, el 20 % son becerras menores de un año de edad y no se consideraron en el balance12; 2) del número de vacas no lactantes, dos animales equivalen a uno en lactancia, como lo consideran Spears et al24.
Densidad de vacas
Se calculó la densidad (vacas ha-1) dividiendo el número de animales utilizado para el cálculo del balance, entre el número de hectáreas cosechadas de cultivos forrajeros por Municipio.
Balance de N
El balance de N por municipio se calculó como la diferencia entre el N incorporado en el estiércol y la demanda de N por los cultivos forrajeros. Es decir, en el balance de N no se utilizó el valor de N total excretado, sino que se asumió que un 30 % del N total excretado se pierde por volatilización durante el manejo, almacenamiento y aplicación de estiércol25.
Análisis estadístico
Los datos revisados de los anuarios estadísticos, así como los datos calculados de producción de estiércol y excreción de N, se analizaron mediante estadística descriptiva (promedio y desviación estándar). Se realizaron análisis de regresión entre la superficie cosechada de cultivos y la producción de leche con respecto a los años de evaluación; se corrieron también análisis entre el balance de N y la densidad de bovino lechero por hectárea sembrada con forrajes, de acuerdo al procedimiento de Saam et al13.
Resultados
Patrón de cultivos
La superficie total de cultivos bajo riego fue 130 mil ha en promedio para el periodo de estudio, de las cuales 69 % fueron cosechadas con forrajes; los más importantes en la Comarca Lagunera por la superficie cosechada son: alfalfa, maíz, sorgo y avena, además de algunas áreas sembradas con ballico, trigo y triticale (Figura 1). Durante el periodo de estudio, es notoria la tasa de incremento en la superficie cosechada con forrajes de 4,228 ha año-1, pasando de 64,000 ha en 1999 a 115,000 ha en 2011. El cultivo que más aporta a este incremento es el sorgo forrajero, con un aumento de 3,561 ha año-1 durante el periodo de 2005 a 2011, seguido por maíz forrajero, con un incremento de 2,584 ha año-1 en el periodo de 1999 a 2007.
Figura 1 Superficie cosechada de cultivos forrajeros en la Comarca Lagunera, durante el periodo de 1999 a 2007.
La producción regional de forraje en MS fue de 1.25 (±0.23) millones de toneladas año-1. El municipio que más aporta a la producción regional de forrajes es Gómez Palacio, con alrededor del 25 %, tanto de la superficie cosechada como de la producción de forraje; le siguen en importancia Lerdo, Matamoros y Francisco I. Madero. El rendimiento de forraje varió de 12.8 t ha-1 de MS en Francisco I. Madero a 16.1 t en Viesca, con un promedio regional de 13.9 t (Cuadro 2).
El requerimiento de nitrógeno para la producción de forrajes fue de 15,070 t año-1 en promedio, lo que da una dosis de 168 kg ha-1 de N a nivel regional. El Municipio de Gómez Palacio acumula el 27.5 % del requerimiento de N regional, para una dosis promedio de 189 kg ha-1; en tanto que el menor requerimiento ocurrió en Nazas, con 2.5 % del total y una dosis de 142 kg.
Inventario de bovino lechero y producción de leche
El número total de bovinos en 1999 fue de 363 mil, con 52.7 % de ellos en lactancia; para el 2000 el inventario se incrementó a 415 mil y a partir de ese año se mantuvo entre 400 y 450 mil animales durante el periodo de estudio, con 53.1 % en lactancia. Por otra parte, la producción de leche (PL) en la región se incrementó de manera significativa a una tasa de 80.9 millones de L año-1, entre 1999 y 2008; con lo anterior, la producción regional pasó de 1,535 millones de L en 1999 a 2,255 millones de L en 2008; a partir de 2009 la producción de leche bajó pero se mantuvo alrededor de 2,100 millones de L año-1. Lo anterior es resultado de un incremento en la producción por lactancia por vaca de 7,220 L en 2001 a 9,480 L en 20084.
La distribución de bovino lechero por municipio indica que el 79 % del inventario se concentra en 4 de los 15 municipios (Cuadro 3): Gómez Palacio (28 %), Lerdo (19 %), Matamoros (18 %) y Torreón (13 %). Con respecto a la densidad, el menor valor se registró en “Otros” municipios con 0.9 vacas ha-1, mientras que el municipio de Torreón registró la mayor densidad con 7.72 vacas ha-1. Los cuatro municipios que concentran el 79 % del hato lechero en la región (Gómez Palacio, Lerdo, Matamoros y Torreón), tienen una densidad promedio de 5.0 vacas ha-1, en tanto que el resto de los municipios promedia 1.7 vacas ha-1, con una media regional de 3.2 vacas ha-1.
Producción de estiércol
La producción de excreta total estimada en peso fresco fue de 6.624 millones de t año-1, con un 12.71 % de MS, lo que arroja una producción de estiércol en MS de 842 mil t año-1 (Cuadro 4). Del valor anterior, el 80 % lo aportan las vacas en lactancia y 20 % el resto de los bovinos (vacas secas, vaquillas y becerras en desarrollo). Como la cantidad de estiércol depende principalmente del número de animales, los cuatro municipios que tienen el 79 % del inventario de bovino lechero (Gómez Palacio, Lerdo, Matamoros y Torreón), concentran 78 % del estiércol producido. El N total excretado fue cerca de 44,200 t año-1, con un mínimo de 471 t año-1 en Nazas a un máximo de 11,785 t año-1 en Gómez Palacio.
Balance de N
El balance de N del estiércol por Municipio se ilustra en la Figura 2. El N disponible para ser incorporado al suelo corresponde al 70 % de los valores anotados en el Cuadro 4, asumiendo que el 30 % restante se pierde por volatilización25; los valores fluctúan de 154 kg ha-1 en Nazas a 859 kg en Torreón. El requerimiento de N por cultivos forrajeros es menos variable entre municipios, con valores de 140 en Nazas a 190 kg en Gómez Palacio. El balance de N ilustrado en la Figura 3 es la diferencia entre el N del estiércol incorporado y el requerimiento de N por cultivos forrajeros; en promedio, San Pedro, Tlahualilo y “Otros” tuvieron un balance negativo, mientras que el resto tuvieron un balance positivo. Es decir, en la mayoría de los municipios el N del estiércol es mayor que el requerimiento de N por los cultivos forrajeros. Los municipios con mayor concentración de bovinos, Gómez Palacio, Lerdo, Matamoros y Torreón, tuvieron un balance promedio de 183, 336, 313 y 691 kg ha-1, respectivamente, en tanto que los demás tuvieron balances menores de 150 kg. El balance promedio regional es positivo con 187 kg ha-1 (Figura 2).
Figura 2 Valores de nitrógeno disponible para ser incorporado al suelo, requerimiento de nitrógeno por forrajes y balance de nitrógeno en municipios de la Comarca Lagunera. Promedio de 1999 a 2011.
Figura 3 Balance de N en los municipios conurbados de la Comarca Lagunera, en comparación con la media Regional y el resto de los municipios.
Al analizar la tendencia del balance de N (Figura 3), se aprecia que el promedio más alto se registró en 2001, con 291 kg ha-1; a partir de 2002 se observa que el valor disminuye hasta llegar a 109 kg en 2011, último año de evaluación. Al separar los cuatro municipios que concentran el 79 % de las cabezas de bovino (Gómez Palacio, Lerdo, Torreón y Matamoros) de los demás, se aprecia que estas localidades alcanzaron un balance máximo de 597 kg en 2001 para después disminuir hasta 271 kg en 2011, es decir, siempre estuvieron por encima de 150 kg ha-1. En cambio, el resto de los municipios tuvieron siempre un balance inferior a 150 kg, alcanzando un máximo de 88 kg en 2002 y un mínimo de -16 kg en 2010. El promedio regional mostró valores de 158 kg en 2003 y 2005, y menores de 150 kg ha-1 de 2006 a 2011.
Al relacionar la densidad de animales (DV, vacas ha-1) con el balance de N (BN, kg ha-1), el modelo resultante de regresión lineal se presenta en la Figura 4:
BN = 106.6(DV) - 156
Figura 4 Relación entre la densidad de vacas y el balance de nitrógeno (datos promedio de 1999 a 2007).
El modelo anterior fue significativo (r2= 0.98) y predice que un sistema en equilibrio (BN= 0) se obtiene con un valor de Dv= 1.6 vacas ha-1. Los municipios conurbados con el balance más positivo, o mayor exceso de N (Figura 2), son también los que tienen una mayor densidad de vacas (Figura 4).
Discusión
Patrón de cultivos
Durante el periodo de 13 años de análisis, se observa un cambio importante en el patrón de cultivos; al inicio del periodo (1999), la alfalfa ocupó el 53.8 % de la superficie de forrajes. En ese mismo año, el maíz junto con el sorgo forrajero ocuparon el 32.5 % de la superficie, en tanto que la avena forrajera se cosechó en 7.9 % de la superficie total de forrajes. Al final del estudio (2011), se observa que la alfalfa disminuyó a un 34 %, mientras que el maíz + sorgo aumentaron a un 51.2 % y la avena a un 13.3 % (Figura 1). Estos cambios en el patrón, incrementan la demanda de N en la región, al disminuir el N fijado biológicamente por la alfalfa e incrementarse los cultivos que son fertilizados convencionalmente26; además, con este cambio en el patrón de cultivos se incrementa la eficiencia de uso de agua a nivel regional y no se afecta la producción de leche27.
El rendimiento promedio regional de 13.9 t ha-1 de MS corresponde a todos los cultivos forrajeros, el cual es superior al valor de 9.9 t ha-1 encontrado por Hillhorst et al12 en una granja experimental en Holanda. A nivel de unidad de producción, en la Región Lagunera el rendimiento de MS por hectárea puede ser mayor, ya que la alfalfa tiene un rendimiento promedio de 16 t ha-1; además, en áreas regadas con agua de noria (64 % de la superficie) es común tener dos a tres cosechas en el mismo año, con rendimientos experimentales de 25 y 18 t ha-1 de MS en maíz forrajero sembrado en primavera y verano, respectivamente, y de 12 t ha-1 de MS con cereales de invierno28.
Producción de estiércol
Existen diferentes constantes para estimar la producción de estiércol en especies animales5,29. Fortis et al5 estimaron una producción de 619 mil t año-1 de estiércol (MS) en la Comarca Lagunera, en base a estadísticas del 2008; el valor es menor al promedio estimado en el presente estudio de 842 mil t año-1. En la región de Delicias, Chih., con el uso de las ecuaciones de Nennich et al21, se estimó una producción de 2.9 millones de t año-1 de estiércol total (peso recién excretado), con una población de ganado lechero de 56,800 cabezas22. Estas ecuaciones tienen la ventaja que están basadas en el nivel de producción de leche y pueden utilizarse a nivel de unidad de producción.
Con respecto a la estimación del N excretado, el bovino lechero tiene una eficiencia baja en el uso del N ingerido, ya que alrededor del 70 % del N en la ingesta es excretado1. Los principales factores asociados con la excreción de N son el consumo de materia seca, contenido de proteína cruda en la dieta, producción de leche, peso vivo del animal y días en lactancia21. En el presente estudio se estimó una excreción de N de 44,154 t año-1; sin embargo, si se considera la producción de estiércol en MS estimada (842 mil t año-1), con una concentración promedio de N total de 1.61 %30, nos da un contenido de N total de 13,557 t año-1; la diferencia representa un 69.3 % de pérdidas de N durante el manejo, almacenamiento y aplicación de estiércol. El proceso que más contribuye a las pérdidas anteriores es la volatilización de amoniaco, ya que se han estimado valores de 25 a 50 % del N total31. En el presente estudio se asumió un 30 % de pérdida de N por volatilización; parte de esta alta volatilización se debe a que alrededor de 38 % del N excretado principalmente en la orina, está en forma ureica o amoniacal6; la urea en presencia de ureasa se hidroliza a amonio (NH4+) y éste se transforma a amoniaco (NH3) en condiciones de pH alcalino32, condición común en los suelos calcáreos del Norte de México. Por otro lado, el manejo de estiércol mediante digestión anaeróbica (biodigestor) puede reducir las pérdidas por volatilización de amoniaco a valores entre 5 y 10 %33, y es una tecnología que se está utilizando y extendiendo en la Comarca Lagunera.
Balance de N
El balance de la Figura 2 indica un exceso de N a nivel regional de 168 kg ha-1, con una variación de -43 (Otros municipios) a 691 kg ha-1 (Torreón). Estos valores son comparables con los encontrados en otros estudios. A nivel de unidad de producción, en Australia estimaron un balance promedio de 193 kg ha-1, con una variación de 47 a 601 kg34. Un estudio en 120 granjas de Bélgica35 encontró un balance en exceso de 238 kg. El balance promedio obtenido en el presente estudio es muy superior al estimado a nivel nacional de 22 kg ha-1(10, pero cercano al valor de 150 kg sugerido como máximo para mantener la sustentabilidad del sistema de producción35. En el presente estudio, los municipios con mayor densidad de vacas tuvieron un balance superior a 150 kg ha-1 durante todo el periodo evaluado, aunque con una clara tendencia a disminuir, con un máximo de 1,343 kg en 2001, a 508 kg en 2011 (Figura 3). Los 11 municipios restantes registraron un balance máximo de 88 kg en 2002, a -16 kg ha-1 en 2010.
La disminución del balance de N se debe al incremento en la superficie cosechada de forrajes, y a que el inventario de bovinos permaneció estable del 2000 en adelante. Una práctica para bajar el balance de N es mover los excedentes de estiércol a los municipios deficitarios de N o fuera de la Comarca Lagunera. Éste es el enfoque que sugiere la FAO36, es decir, integrar zonas ganaderas con zonas vecinas de producción agrícola donde se puedan reciclar los nutrimentos del estiércol. Sin embargo, el costo de aplicación de estiércol bovino representa de un 25 a un 148 % del costo de aplicar fertilizantes, dependiendo de la dosis requerida por el cultivo; además, la distancia máxima a la que se puede mover estiércol para igualar el costo del fertilizante que se dejaría de aplicar, puede variar desde 1 a 92 km37.
Densidad de animales
De acuerdo con el modelo de regresión entre la densidad de animales (DV) y el balance de N (BN), el valor de DV para que el sistema tenga un balance de 150 kg ha-1 es de 2.87 vacas ha-1. Este valor es superior al estimado para Wisconsin por Saam et al13, quienes señalan que más de 1.1 vacas ha-1 generan excesos de N. Sin embargo, Van Horn et al1 en Florida, estimaron un balance de N a nivel de granja, en el que 1 ha puede reciclar el estiércol de 10.4 vacas; en este balance la incorporación de estiércol es en forma líquida y los cultivos extraen 55.1 % del N excretado en tres cosechas al año, con un rendimiento de 29 t ha-1 de MS. En la Comarca Lagunera, durante el periodo de estudio se cultivaron en promedio 66,400 ha con agua de bombeo, incluyendo 38,000 ha de alfalfa4, por lo que la diferencia de 28,400 ha son susceptibles de obtener dos o tres cosechas por año. Al incluir en esta superficie un segundo cultivo (62 % de la superficie con maíz y 38 % con sorgo), la producción de MS se incrementa de 13.9 a 25.0 t ha-1, con la cual se puede incrementar la densidad a 6.7 vacas ha-1, manteniendo un balance de N <150 kg ha-1.
Conclusiones e implicaciones
Se estimó el balance regional de N entre el que se produce en el estiércol de bovino lechero y el requerimiento de N de los cultivos forrajeros en la Región Lagunera; el balance promedio regional fue de 187 kg ha-1, el cual indica un exceso de N. A través de los años, el balance de N mostró una tendencia a la baja en todos los municipios, con un máximo de 291 kg ha-1 en 2001 a 109 kg ha-1 en 2011. Se encontró una relación positiva entre la densidad de vacas por hectárea y el balance de N. Los municipios con una densidad mayor de 2.87 vacas ha-1 tuvieron un balance de N >150 kg ha-1, asumiendo un solo cultivo por año, lo cual representa mayores riesgos de contaminación. En este sistema intensivo con dos cosechas de forrajes al año, común en esta región, se puede incrementar la densidad a 6.7 vacas ha-1, manteniendo un balance de N <150 kg ha-1.
