ARTÍCULO ORIGINAL

  

http://opn.to/a/15aO9

Eficiencia energética y emisiones de gases de efecto invernadero en dos agroecosistemas en Oaxaca, México

Energy efficiency and greenhouse gas emissions in two agro ecosystems in Oaxaca, Mexico

Dr.C. Fidel Diego-Nava [I] [*]

Dr.C. Jaime Ruiz Vega [I]

M.C. Ofelia Martínez-Ruíz [I]

M.C. Nancy Merab Pérez-Belmonte [I]

M.C. Fernando Ruiz-Ortiz [I]

 

[I] Instituto Politécnico Nacional, Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional Unidad Oaxaca, Santa Cruz Xoxocotlán, Oaxaca, México.

  [*] Autor para correspondencia: Fidel Diego-Nava, e-mail: fdiego1954@yahoo.com

RESUMEN

En los Valles Centrales de Oaxaca, México los campesinos producen plantas, animales y hongos tanto en agroecosistemas tradicionales denominados milpa como en sistemas agrícolas altamente mecanizados. En México existe la creencia que los sistemas agrícolas altamente mecanizados son los más eficientes puesto que tienen altos rendimientos de productos agrícolas. Por esta razón se hizo e análisis energético de ambos agroecosistemas con el objetivo de identificar y cuantificar la energía consumida, y la generación de emisiones de gases de efecto invernadero. La información se obtuvo mediante encuestas y toma de datos en campo. Los resultados mostraron que la milpa tiene una eficiencia del uso de la energía de 5,334 y el sistema mecanizado de 1,347. En cuanto a la emisión específica de gases de efecto invernadero, el sistema mecanizado emitió 38 953 kg COS2eq/ha y la milpa 13 635,862 kg CO2eq/ha.

Palabras clave: 

milpa; mecanización; rentabilidad; productividad.

ABSTRACT

In the Central Valleys of Oaxaca, Mexico, farmers produce plants, animals and fungi in both traditional agroecosystems called milpa and highly mechanized agricultural systems. In Mexico there is a belief that highly mechanized agricultural systems are the most efficient since they have high yields of agricultural products. For this reason, an energetic analysis of both agroecosystems was carried out in order to identify and quantify the energy consumed, and the generation of greenhouse gas emissions. The information was obtained through surveys and data collection in the field. The results showed that the milpa has an energy use efficiency of 5.334 and the mechanized system of 1.347. Regarding the specific emission of greenhouse gases, the mechanized system emitted 38 953 kg COS2eq/ha and the milpa 13 635,862 kg CO2eq/ha.

Keywords: 

milpa; mechanization; profitability; productivity.

INTRODUCCIÓN

La agricultura industrializada se ha extendido en México (Planeación agrícola Nacional 2017-2030) debido principalmente a las ventajas de los altos rendimientos de productos vegetales y animales que trae a corto plazo grandes ganancias monetarias para los agricultores que practican este modelo de explotación de la tierra (Smith y Kurtz, 2015). Este tipo de agricultura está basada en los monocultivos, empleo de semillas industriales, mecanización intensiva, aplicación de fertilizantes sintéticos, uso de plaguicidas industriales y utilización del riego (Crow, 1998). Pero los agroecosistemas industriales han traído problemas tales como pérdida de la biodiversidad según Lanz et al. (2018), contaminación del medio ambiente según Rohila et al. (2017), baja eficiencia energética y alta emisión de gases de efecto invernadero de acuerdo a Parton et al. (2015). A la vez existe en México otro tipo de agroecosistema inventado por los antiguos indígenas mexicanos llamado milpa que se practica en pequeñas parcelas donde utilizan técnicas de explotación de la tierra con varios cultivos a la vez y de acuerdo a las condiciones climáticas, geográficas y ecológicas del lugar (Lozada et al., 2017). En México muchos campesinos adoptaron la agricultura industrializada porque les trajo grandes ganancias según Pinstrup y Hazell (1985), pero también ha traído la contaminación ambiental por la utilización de combustibles fósiles según Woods et al. (2010) y altos costos externos (Tegtmeier y Duffy, 2004). En el caso de los Valles Centrales de Oaxaca coexisten tanto la producción agrícola basada en la milpa como en los agroecosistemas mecanizados (Vásquez et al., 2017). El objetivo de este estudio fue determinar y comparar la eficiencia energética y la emisión de gases de invernadero (EGI) de un agroecosistema mecanizado (SM) y una milpa (MI).

MÉTODOS

Primero se definieron las fronteras del agroecosistema en estudio, con el fin de identificar las entradas y salidas de energía. Se elaboró una encuesta que posteriormente se perfeccionó con la colaboración de los agricultores. Se visitó el área de estudio para tomar los datos para su caracterización. Una vez obtenido estos datos del sitio se procedió a realizar la encuesta a los productores. Se tomaron dimensiones del terreno y posteriormente se realizó un recorrido por los cultivos para identificar los tipos de cultivo, la asociación con otras especies vegetales, así como entradas de energía y materia. Se tomó la cantidad de plantas por metro cuadrado, se obtuvo el peso promedio de la planta y se pesaron los productos de las plantas. También se hizo una revisión bibliográfica para obtener los equivalentes energéticos (Tabla 1) y de generación de gases de efecto invernadero de las entradas y salidas (Tabla 2). Para los cálculos de la eficiencia energética y las emisiones de gases de invernadero se usó la metodología de Pishgar et al. (2013). Para el cálculo de la energía específica de entrada (E e ) se utilizó la ecuación:

Ee=Ecb+Eci, (MJ ha−1)  

(1)

donde:

E cb es la energía cultural biológica (MJ ha-1) y E ci , la energía cultural industrial (MJ ha-1). Para el cálculo de E cb , se usó la ecuación:

Ecb=(EhUh+EtaUta+EscUsc+EaeUae+EccUcc+ElbUlb)A−1, MJ ha−1  

(2)

donde:

E h es el equivalente energético de la mano de obra (MJ h-1); U h es el tiempo de trabajo del campesino (h); E ta equivalente energético de tiro animal (MJ h-1); U ta es el tiempo de trabajo de trabajo del animal (h) E sc equivalente energético de semillas criollas (MJ kg-1); U sc es el peso de la semilla criolla (kg); E ae es el equivalente energético del abono de excremento (MJ kg-1); U ae es el peso del abono de excremento (kg); E cc equivalente energético de composta comercial (MJ kg-1); U cc es el peso de la composta comercial (kg); E lb equivalente energético de lodo de biogás (MJ kg-1); U lb es el peso de la semilla criolla (kg) y A es la superficie del terreno (ha). Para el cálculo de E ci , se usó la ecuación:

Eci=(EmUm+EcombUcomb+EfUf+EagsUags+EaglUagl+EelUel+EiaUia+EsiUsi)A−1, MJ ha−1  

(3)

donde:

E m es el equivalente energético por uso de maquinaria (MJ h-1); U m es el tiempo de trabajo de la maquinaria (h); E comb equivalente energético del combustible consumido en la labranza (MJ l-1); U comb es el consumo de combustible (l); E f es equivalente energético por la fabricación de fertilizantes (MJ kg-1); U f es el peso del fertilizante utilizado (kg); E ags es el equivalente energético por la fabricación de agroquímicos sólidos (MJ kg-1); U ags es el consumo de agroquímicos sólidos (kg); E agl es el equivalente energético por la fabricación de agroquímicos líquidos (MJ l-1); U ags es el consumo de agroquímicos líquidos (l); E el es el equivalente energético de la energía eléctrica usada en la parcela (MJ kWh-1); U el es el consumo de energía eléctrica (kWh); E ia es el equivalente energético de la energía usada en la irrigación (MJ (m3)-1); U ia es el consumo de agua (m3); E si es el equivalente energético de la energía empleada en la producción industrial de semillas (MJ kg-1) y U si es la semilla industrial empleada en la parcela (kg). En cuanto al cálculo de la salida de energía E sal , se usó la ecuación:

Esal=(EpUp+EaUa+EfuUfu)A−1, MJ ha−1  

(4)

donde:

E p es el equivalente energético del peso de las plantas (MJ kg-1); U p es el producto vegetal de la parcela (kg); E a es el equivalente energético de los productos animales (MJ kg-1); U a es el producto animal de la parcela (kg); E fu equivalente energético de los productos e los hongos (MJ kg-1) y U fu es el producto de los hongos (kg).También se calcularon los indicadores energéticos del agroecosistema; la eficiencia del uso de la energía E ue , la productividad energética PE, producción total específica de la parcela P t , energía específica EE, energía neta EN, rentabilidad energética RE por medio de las ecuaciones 5-10.

Eue=Esal/Ee,  

(5)

PE=Pt/Ee, (kg MJ−1)  

(6)

Pt=(ΣSPi)(A−1), (kg ha−1)  

(7)

EE=Ee/Pt,(MJ kg−1)  

(8)

EN=Esal−Ee, (MJ ha−1)  

(9)

RE=EN/Ee,  

(10)

TABLA 1. 

Coeficientes energéticos de entradas y salidas de energía

DescripciónUnidadEquivalente energético (MJ unidad-1)Referencia
A. Entradas
Mano de obrah1,95(Pishgar et al., 2013)
Operario del tractorh1,05(Guevara et al., 2015)
Tiro animalh7,50(Guevara et al., 2015)
Combustible dieselL40.00(Pishgar et al., 2013)
Maquinariah87,90(Banaeian y Zangeneh, 2011)
Fertilizantes: Nitrógenokg55.40(Pishgar et al., 2013)
Excremento vacunokg0,30(Pishgar et al., 2013)
Semilla de maíz híbridokg100,00(Takia et al., 2012)
Semilla de maíz nativokg16,20(Guevara et al., 2015)
Semilla de calabaza nativakg1,90(Azarpour et al., 2013)
B. Salida
Grano de maízkg15,31(Guevara et al., 2015)
Forraje de tallos y hoja de maízkg13.10(Guevara et al., 2015)
Semilla de calabazakg16,20(Azarpour et al., 2013)
Fruto de calabazakg0,80(Montesano et al., 2018)

Para el cálculo de las emisiones de gases de efecto invernadero y emisión específica de los agroecosistemas se utilizó la ecuación 11 (E gi ) de Pishgar et al. (2013):

Egi=(CmKm+VcombKcomb+MfKf+MaqKaq+CelKel)A−1,kgCO2−eq ha−1  

(11)

donde C m es el consumo de energía incrustada por uso de maquinaria (MJ); K m coeficiente de emisión de GI por uso de maquinaria (kg CO2eq MJ-1); V comb volumen de diésel consumido (l); K comb coeficiente de emisión de GI por diésel consumido (kg CO2eql-1); M f peso del fertilizante aplicado (kg); K f coeficiente de emisión de GI por fertilizante aplicado (kg CO2 kg -1); M aq peso del agroquímico aplicado (kg); K aq coeficiente de emisión de GI por agroquímico aplicado (kg CO2kg-1); C el consumo de energía eléctrica usada (kwh); K el coeficiente de emisión de GI por energía eléctrica usada (kg CO2 kwh-1). En la Tabla 2 se detallan los coeficientes de emisión de GEI de entradas utilizados según Mondani et al. (2017). El cálculo de C m se hizo basado en la energía del diésel estimada para el trabajo de campo y multiplicada por un factor de 0.071.

Localización de las parcelas

La parcela 1 (SM) está en Cuilapam de Guerrero, Valles Centrales, Oaxaca, México; entre los paralelos 16°57’ y 17°03’ de latitud norte, los meridianos 96°45’ y 96°52’ de longitud oeste; altitud entre 1 500 y 2 100 m; el suelo es vertisol de textura fina, y el clima es semiseco semicálido con intervalo de temperatura 18 a 22°C e intervalo de precipitación 600 a 800 mm (INEGI, 2008). La parcela 2 (MI) está en San Pedro Apóstol, Valles Centrales, Oaxaca, México; se ubica en las coordenadas 96º43' de longitud oeste y los 16º44' de latitud norte, a una altura de 1,500 metros sobre el nivel del mar, el suelo es luvisol de textura gruesa y el clima es semiseco semicálido, el intervalo de temperatura promedio de 16 a 22 °C e intervalo de precipitación es de 600 a 800 mm (INEGI, 2008).

TABLA 2. 

Coeficientes de emisión de GEI de entradas (Mondani et al., 2017).

EntradaUnidadCoeficiente (kg CO2 unidad-1)
Energía incrustada en la maquinaria por la fabricaciónMJ0,071
DieselL2,76
ElectricidadKwh0,78
Fertilizante químico
Nitrógenokg1,3
Fosforokg0,2
Potasiokg0,2
Excremento animalkg0,126
Biocida
Herbicidakg6,3
Insecticidakg5,1
Fungicidakg3,9

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se identificaron las características de cada parcela estudiada (Tabla 3).

TABLA 3. 

Características de los agroecosistemas estudiados

SMMI
Tamaño del terreno (ha)0,300,71
Ancho de surco (m)0,600,50
Plantas/ha63 40051 600
CultivosMaíz híbridoMaíz nativo y calabaza nativa
Tipo de labranzaMecanizada con tractorTracción animal con yunta de bueyes y mano de obra
Tipo de riegoTemporalTemporal
FertilizaciónEstiércol de bovino y sulfato de amonioEstiércol de bovino
Control físico de malezaNingunoCorte manual

Los resultados de los cálculos de las entradas y salidas de energía (Tabla 4) muestran que en SM la entrada total específica de energía fue de 215 920,67 MJ/ha, y tuvo su origen principalmente en el combustible diésel (48%), el abono de excremento vacuno (33%) y el fertilizante nitrogenado (17%). En MI la entrada total específica de energía fue de 35 695,35 MJ/ha, y tuvo su origen principalmente en el abono de excremento vacuno (96%), y un 4% repartido entre el trabajo manual, tiro animal y la semilla de maíz nativo.

En cuanto a los indicadores energéticos (Tabla 5) la producción específica de SM es mayor en un 25,5% que la correspondiente a MI pero este tiene mayor eficiencia del uso de la energía en un 74.7%, lo que indica un mejor aprovechamiento de las entradas de energía en MI. Finalmente existe una clara diferencia en cuanto a la rentabilidad energética (RE) a favor de MI puesto que SM tiene una RE que sólo alcanza un 8% del valor de la RE de MI. La eficiencia del uso de la energía E eu fue más alta en MI con respecto a SM, lo que concuerda con los resultados obtenidos por Ruiz et al. (2015).

En cuanto a las emisiones específicas de GEI (Tabla 6), en MI la totalidad de emisiones tuvieron su origen en el abono del excremento mientras que en SM las emisiones específicas de GEI fueron debidas al diésel consumido por la maquinaria (19%), uso de la maquinaria (1%), fertilizante nitrogenado aplicado (2%) y el abono de excremento vacuno (78%).Las emisiones específicas de GEI de MI tuvieron una magnitud de 35% que las respectivas de SM. En los dos sistemas la mayor fuente de emisión de GEI fue el excremento vacuno.

TABLA 4. 

Entrada y salida de energía de los agroecosistemas

SMMI
Equivalencia MJ/haEquivalencia MJ/ha
Entrada de energía
Uso de Maquinaria1 172,000,00
Diesel104 000,000,00
Operario del tractor21,000,00
Fertilizante Nitrógeno36 933,330,00
Trabajo manual78,00670,14
Tiro animal0,002070,42
Semilla de maíz híbrido1 333,330,00
Semilla de maíz nativo0,00456,34
Semilla de Calabaza nativa0,0032,11
Abono de excremento vacuno72 383,0032 466,34
E e 215 920,6735 695,35
Salida de energía
Grano de maíz81 000,0018 253,52
Forraje de maíz209 905,67170 853,52
Fruto de Calabaza01 126,76
Semilla de Calabaza0176,62
E sal 290 905,67190 410,423

TABLA 5. 

Indicadores energéticos de los agroecosistemas

SMMI
Producción específica, P t (kg/ha)21 023,33015 670,423
Productividad energética, PE (kg/MJ)0,0970,439
Energía específica, EE (MJ/kg)10,2712,278
Energía neta, EN (MJ/ha)74 985,000154 715,070
Rentabilidad energética, RE0,3474,334
Eficiencia del uso de la energía, E ue 1,3475,334

TABLA 6. 

Emisiones de gases de efecto invernadero de los agrecosistemas

SM kg CO2eq/haMI kg CO2eq/ha
Combustion de diésel7 176,0000,000
Uso de la maquinaria509,4960,000
Fertilizante nitrogenado866,6670,000
Excremento vacuno30 400,86013 635,862
Emisión específica de gases de efecto invernadero (kg CO2eq/ha)38 953,02313 635,862

CONCLUSIONES

MI fue más eficiente energéticamente que SM puesto que en el primero solamente el excremento vacuno implica una gran entrada de energía mientras que en el último el gasto energético es alto debido a la utilización de excremento vacuno, fertilizante nitrogenado y combustible diésel. También MI proporciona una mejor dieta al campesino debido a la mayor variedad de cultivos.

Con respecto a la generación de gases de efecto invernadero, MI tuvo una E gi menor porque la única fuente de estos gases es el excremento vacuno mientras que en SM las fuentes directas de emisión son el excremento vacuno, los fertilizantes nitrogenados y el combustible diésel y en forma indirecta la emisión de estos gases se da por el uso de la maquinaria.

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Recibido: 28/01/2019

Aceptado: 15/03/2019

 

 

Fidel Diego-Nava, Profesor Titular, Instituto Politécnico Nacional, Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional Unidad Oaxaca, Santa Cruz Xoxocotlán, Oaxaca, México, e-mail: fdiego1954@yahoo.com

Jaime Ruiz-Vega, e-mail: fdiego1954@yahoo.com

Ofelia Martínez-Ruíz, e-mail: fdiego1954@yahoo.com

Nancy Merab Pérez-Belmonte, e-mail: fdiego1954@yahoo.com

Fernando Ruiz-Ortiz e-mail: fdiego1954@yahoo.com

Los autores de este trabajo declaran no presentar conflicto de intereses.

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