Intensificación Ecológica en la Agricultura de los Países Desarrollados y en Vías de Desarrollo

1. Intensificación Ecológica en la Agricultura de los Países Desarrollados y en Vías de Desarrollo Achim Dobermann Líder del Programa de Sistemas Intensivos de Arroz

2. Crecimiento económico Urbanización – migración de la mano de obra Cambios en las preferencias dietéticas Demanda de agua para uso urbano e industrial Contaminación ambiental Cambio climático Demanda de biocombustibles Pérdida de ecosistemas naturales y biodiversidad Pérdida y degradación de la tierra agrícola Diversificación de los sistemas de producción existentes Incremento del costo de los insumos para los agricultores Menos agua para riego Mayor vulnerabilidad Incremento de los precios de los alimentos

3. 20 18 16 14 12 % 10 8 6 4 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Año Gastos en alimentación de los hogares de los Estados Unidos en relación al total de ingresos disponibles

4. Precios de los granos ($/bushel), Chicago Board of Trade Arroz Maíz Soya Trigo Hasta el 16 de Agosto, 2007

5. Los rendimientos mundiales de cereales deben crecer más rápidamente de lo pronosticado para satisfacer la demanda de alimentos para humanos y animales y la demanda de biocombustibles 5.0 Poco grano usado para biocombustibles 140 57% 5% extra de grano para biocombustibles 50% 85% 45% 4.5 74% 38% 120 66% Rendimiento mundial de cereales, t ha-1 Dosis promedio de N en cereales, kg ha-1 29% 56% 4.0 23% 43% 100 34% 3.5 80 3.0 60 2.5 2000 Línea Base 2000 Línea Base 2025 Area constante 2025 Area constante 2025 Reducción Area 2025 Reducción Area 2025 Incremento área 2025 Incremento área • Escenarios para el área de cereales: • Incrementos a una tasa de +0.5%/año • Sin cambio • Reducción a una tasa de -0.3%/año (como en los últimos 20 años)

6. Intereses convergentes • Los precios de los alimentos básicos deben conservarse asequibles para mantener la seguridad alimentaria y el sustento de cientos de millones de pobres en áreas urbanas y rurales. • La mayoría de la futura demanda de cultivos que producen alimentos básicos tiene que satisfacerse a través de incrementos en el rendimiento. • La clave para proteger ecosistemas naturales y la biodiversidad es el incremento de los rendimientos en la tierra actualmente cultivada.

7. Intensificación ecológica • Satisfacer el anticipado incremento en la demanda de productos agrícolas mientras se cumple con los estándares aceptables de calidad ambiental (Cassman 1999). • Hipótesis Central: se puede lograr un óptimo balance entre alta productividad, sostenibilidad y mínimo impacto ambiental afinado el manejo que logre la mejor explotación del potencial de rendimiento del cultivo.

8. Metas de la intensificación ecológica • Rendimientos estables de 80-90% del potencial de rendimiento • Germoplasma con un alto potencial de rendimiento, resistencia a estrés abiótico y biótico y alta calidad del producto • >50-60% de eficiencia de absorción N de los fertilizantes – mínima pérdida de N • Suplemento y presupuesto balanceado de nutrientes • >80% de eficiencia del uso del agua en sistemas irrigados • Uso mínimo de pesticidas dañinos • Mejorar/mantener la calidad del suelo • Balance positivo de energía, bajo potencial de calentamiento global y/o reducción neta en las emisiones de gases invernadero • Mantener un amplio rango de servicios críticos al ecosistema • Productos múltiples en sistemas integrados cultivos-ganadería-bioenergía

9. Tendencias del rendimiento de maíz en Estados Unidos: Promedio nacional ? y = 112.4 kg ha-1año-1 [1.79 bu acre-1 año-1] R2 = 0.80 Fuente: CAST, Cassman et al., 2006

10. Eficiencia de uso de N en maíz en los Estados Unidos(kg grano kg-1 de N aplicado) 160 N de fertilizantes 70 140 60 120 EUN N proveniente de los fertilizantes, kg ha-1 100 Eficiencia de uso de N (EUN), kg kg-1 50 80 b = 0.86 kg kg-1 año-1 r2 = 0.62 40 60 30 40 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Fuente: NASS, USDA-ERS cropping practices surveys

11. El rendimiento promedio de maíz y soya en el cinturón maicero de los Estados Unidos es ~60% del potencial de rendimiento promedio • La eficiencia de absorción del N de los fertilizantes nitrogenados en maíz es < 50% Paradigmas comunes: • La rotación maíz-soya es un sistema más sostenible que maíz continuo • Se requiere de labranza de conservación (siembra directa) para acumular materia orgánica en el suelo (secuestro de C y menos PCG) • La intensificación incrementa las pérdidas de N y las emisiones de GI Problemas comunes en la investigación: • Los niveles del rendimiento están muy por debajo del potencial de rendimiento • Falta de afinamiento para maximizar los rendimientos y la eficiencia de los insumos basándose en las condiciones específicas de un sistema de producción

12. Experimento de intensificación ecológica, Lincoln, NE MS-Int MC-Int MS-Rec MC-Rec Meta de rendimiento (% del potencial de rendimiento) 80-90 90-100 80-90 90-100 Densidad de plantas normal alto normal alto N aplicado al maíz (kg ha-1) 130-140 230-250 180-240 250-310 Fraccionamiento de las aplicaciones de N en maíz 2 4 2 4 N sobre el residuo de maíz en otoño (kg ha-1) 0 50 0 50 N aplicado a la soya (kg ha-1) 0 80 0 80 Aplicaciones de P y K (kg ha-1) 0 45P/85K 0 45P/85K Riego si si si si Rendimiento promedio de maíz, t ha-1 14.7 15.6 14.0 15.0 Rendimiento promedio de soya, t ha-1 4.9 5.0 - - Maíz y soya cultivado durante el periodo 2000-2005 MS-rec rotación maíz-soya, manejo recomendado MS-int rotación maíz-soya, manejo intensivo MC-rec maíz continuo, manejo recomendado MC-int maíz continuo, manejo intensivo Adviento-Borbe et al., 2007. Global Change Biol. in press

13. Aporte de C y N con los residuos del cultivo, Lincoln, NE 130 7000 (a) a C de los residuos a N de los residuos 120 b 6000 a 110 c Aporte anual de C de los residuos, kg ha-1 año-1 Aporte anual de N de los residuos, kg ha-1 año-1 100 5000 d b 90 b 4000 80 3000 70 MS-rec MS-int MC-rec MC-int Promedios para maíz y soya cultivados durante el periodo 2000-2005 MS-rec rotación maíz-soya, manejo recomendado MS-int rotación maíz-soya, manejo intensivo MC-rec maíz continuo, manejo recomendado MC-int maíz continuo, manejo intensivo Adviento-Borbe et al., 2007. Global Change Biol. in press

14. Arado de vertedera normal Arado de labranza de conservación

15. Cambio en el C y N del suelo, Lincoln, NE 5000 500 (b) Δ MOS a 400 4000 Δ NTS a a 300 a 3000 200 2000 Cambio acumulado de NTS, kg de N ha-1 Cambio acumulado de MOS, kg de C ha-1 100 1000 b 0 0 -100 -1000 b b -200 -2000 b -3000 -300 MS-rec MS-int MC-rec MC-int Muestras de suelos colectadas en Junio del año 2000 y 2006 MS-rec rotación maíz-soya, manejo recomendado MS-int rotación maíz-soya, manejo intensivo MC-rec maíz continuo, manejo recomendado MC-int maíz continuo, manejo intensivo Adviento-Borbe et al., 2007. Global Change Biol. in press

16. Eficiencia de uso de N a nivel de sistema, Lincoln, NE MS-Int MC-Int MS-Rec MC-Rec Aplicación anual de N, kg N ha-1 70 172 201 299 Remoción anual de N en el grano, kg N ha-1 229 238 176 194 Cambio de N total en el suelo, 0-30 cm, kg N ha-1 -30 -10 215 340 Eficiencia de uso de N kg N en el grano kg-1 N aplicado 3.27 1.38 0.88 0.65 kg grano N +cambio de N total en el suelo kg-1 N aplicado 2.84 1.33 1.95 1.79 Promedios para maíz y soya cultivados durante el periodo 2000-2005 MS-rec rotación maíz-soya, manejo recomendado MS-int rotación maíz-soya, manejo intensivo MC-rec maíz continuo, manejo recomendado MC-int maíz continuo, manejo intensivo

17. Potencial de calentamiento global, Lincoln, NE Adviento-Borbe et al., 2007. Global Change Biol. in press

18. La intensificación no necesariamente incrementa las emisiones de GI y el PCG total cuando se utilizan en los cultivos las mejores prácticas de manejo a niveles cercanos al potencial de rendimiento • Principales componentes en este estudio: • Correcta combinación de variedades, fecha de siembra y población para maximizar el potencial de rendimiento, la producción de biomasa y el aporte de residuos • Decisiones tácticas de manejo de agua y N que minimizan el uso de energía, logran alta eficiencia de uso de N y evitan altas emisiones de N2O • Estrategia de labranza y uso de residuos que pueden manejar las grandes cantidades de residuos producidos y que favorecen la acumulación de materia orgánica del suelo

19. La primera refineria de biocombustibles a escala comercial de ciclo cerrado, Mead, Nebraska www.e3biofuels.com CH4 CO2 N2O Producción de maíz y soya - Rendimientos de grano y residuos ...en relación al clima y manejo - Todos los ingresos y salidas …tienensus equivalentes en PCG - Secuestro de C en el suelo, …calidad del suelo y del agua CO2 Planta de Etanol (24 M galones año-1) - Producción de etanol en relación al ...uso de grano y energía - Emisiones de gases invernadero - Destilados del grano y otros sub-…productos Grano 8 M bu año-1 = 15,000 ha Etanol Grano Lixiviación NO3 100% energía termal Destilados del grano Residuos del proceso N2O CH4 CH4 CO2 Corral (28,000 cabezas de ganado) - Alimentos, energía y otros insumos - Ganancia de peso de animales y …eficiencia en la alimentación - Producción de majada y orina - Emisiones de gas es invernadero Biodigestor de Metano - Majada, orina y residuos del proceso - Producción de biogas (metano) - Producción de biofertilizantes , valor …en reemplazo de fertilizantes Carne majada, orina Biofertilizantes Lixiviación NO3 Usos en horticultura/agricultura orgánica? Reemplazo parcial de fertilizantes en la producción agrícola

20. Riego Secano, inundado Secano, no inundado Cada punto representa 5000 ha de arroz

21. Principales sistemas de arroz con riego: Arroz un solo ciclo (clima temperado) Arroz-arroz o arroz-arroz-arroz: ~24 Mha de tierra (40% del suplementom mundial) de arroz) Arroz-trigo: ~17 Mha terreno (China, Panicie Indo-Gángica) Arroz-maíz, arroz-arroz-maíz, arroz-maíz- maíz: ~2 Mha

22. Arroz TL Arroz TL Sistemas intensivos de arroz de tierras bajas en Asia Central Luzon Arroz TS Arroz TL Arroz-Arroz Filipinas Mekong Delta Arroz-Arroz Arroz Arroz TS Vietnam Oeste de Java Arroz TL Arroz TS Arroz-Arroz Indonesia Delta del Cauvery Arroz-Arroz Legumin Arroz TL Arroz TS Sur de India Leguminosas Sur de Arroz-Arroz Arroz precoz Arroz tardío China (híbridos) Planicie Indo - Trigo Arroz TL Arroz-Trigo Gángica & SC China Delta del Río Rojo Arroz-Arroz Arroz-primavera Arroz-verano Maíz Vietnam Maíz Centro de Java Arroz-Arroz Arroz Maíz Arroz Indonesia Maíz E F M A M J J A S O N D Meses

23. Arroz barato para pobres urbanos y rurales sin tierra Sustento de >50 millones de familias de agricultores Control de la erosión Control de inundación Purificación del agua (N, P) Biodiversidad – control natural de plagas Regulación de enfermedades Regulación del clima Recreación Cultura

24. 6.0 Diversificación Siembra en seco, labranza cero, Cultivo para preservar agua MNSE Manejo de residuos Manejo de pérdidas poscosecha MIP comunitario Servicios al ecosistema adaptación/mitigación al CC Tasa de incremento anual de rendimiento: 53 kg de grano ha-1 (R2=0.982) Labranza mecanizada Siembra directa de la semilla Herbicidas MIP Más fertilizante N y P Reducción en residuos de corral Cosecha mecanizada 5.0 4.0 Riego 2-3 cultivos año-1 Fertilizantes nitrogenados Pesticidas Mejoramiento preciso: - Submergencia - Germinación anaeróbica - Salinidad - Biofortificación - Tolerancia a altas temperaturas - Resistencia a plagas - Calidad del grano Rendimiento mundial de arroz, t ha-1 3.0 Plantas semi-enanas, Precoces MV Resistencia a estrés abiótico Hibridación amplia Nuevos tipos de plantas Líneas isogénicas/MAS Piramidación genética Calidad del grano, Arroz híbrido Arroz de inundación Arroz de secano 2.0 Resistencia a insectos y enfermedades Tolerancia a condiciones adversas de suelo Potencial de rendimiento Plantas más pequeñas Precoces Dormancia del grano 1.0 IR8 IR26 IR36 IR64 IR72 PSBRc18 NSIC Rc158 0.0 1960 1970 1980 1990 2000 2010

25. Sin incrementos en el potencial de rendimiento desde el IR8 • Reducción de la tasa de crecimiento del rendimiento a <1% año-1 • Los rendimientos del arroz deben incrementarse en un 1% año-1 para alcanzar 6.5 a 7 t ha-1 en el 2030 • El promedio de rendimiento de arroz con riego es de alrededor de 65% del potencial del rendimiento • Brechas de rendimiento económicamente explotables: 1.5-2.5 t ha-1 • Suficiente para 20-30 años – pero requiere de inversiones en mejoramiento y manejo.

26. 1960 1970 1980 1990 2000 2010 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Tendencia lineal actual de rendimiento (t ha-1) -0.1 -0.2 -0.3 IR8 IR26 IR36 IR64 IR72 PSBRc18 NSIC Rc158 -0.4 • Barreras tecnológicas – limitan el rendimiento? • Falta de incentivos económicos? • Deterioro del recurso base y de la infraestructura? • Plagas recurrentes? • Menores inversiones R&D?

27. Principales objetivos para sistemas de arroz con riego • La intensificación ecológica del arroz para revitalizar el crecimiento del rendimiento y cerrar las brechas de rendimiento existentes • Mejorar las variedades e híbridos (resistencia al estrés abiótico y biótico, calidad del grano) y calidad de la semilla • Incrementar la eficiencia de uso de los insumos: mano de obra, agua, nutrientes • Disminuir el uso de insecticidas para mejorar el control natural de plagas • Manejo sostenido de los diversos sistemas de arroz • Valorar y manejar los servicios al ecosistema a nivel de cuenca • Reducir las pérdidas poscosecha • Mejorar el acceso a información y cadenas de mercadeo de los agricultores • Aumentar el potencial de rendimiento – ingeniería genética para fotosíntesis C4 en arroz. • Cambio climático: impacto, adaptación, mitigación. • Biocombustibles: impacto en el arroz con riego y bioenergía obtenida de la paja y cáscara del arroz.

28. Saludable Enfermo

29. Mojado y secado alterno (MSA) • Mayor productividad de agua: • 15-30% de ahorro en agua, nada/poca pérdida de rendimiento • Incremento de la producción total en esquemas con riego con limitada disponibilidad del agua • Mayor rentabilidad en sistemas de pozos profundos o pozos superficiales • Sistemas de conocimiento intenso que afectan: • Nivelación del terreno • Establecimiento del cultivo • Control de malezas • Manejo de nutrientes • Iniciar el MSA 10 DDT o 20 DDS. • Regar cuando el agua este a una profundidad de 15-20 cm. • Mantener una lámina de inundación de 5-cm al momento de la floración.

30. Manejo de Nutrientes por Sitio Específico (SSNM) • Nutrientes a la medida de las necesidades específicas del campo • Incrementos de 10% en rendimiento + rentabilidad, 30-40% de incremento de la EUN • Presupuestos sostenibles de nutrientes • Beneficios ambientales • Bases científicas sólidas de conocimiento intensivo • Principios genéricos, reglas simples y herramientas para uso local • + 10 años en asociación entre sector público-privado 1. Establecer una meta rendimiento -las necesidades totales del cultivo 3. Llenar el déficit entre las necesidad totales y el suple- mento nativo del suelo 2. Usar efecti- vamente los nutrientes ya existentes

31. ‘3 Reducciones, 3 Ganancias’ • Campañas en el sur de Vietnam: • 3 Reducciones: reducir la cantidad de semillas, no rociar para insectos que comen hojas, reducir el excesivo N al inicio del cultivo • 3 Ganancias: menor incidencia de insectos y enfermedades, mayor rendimiento, ingresos extras (10%) • Procedimiento de investigación participativa con los agricultores • Estrategia de comunicación en los medios para mensajes clave • Novela radial con mensajes sobre manejo del cultivo y del ambiente

32. Nuevos retos = nuevas oportunidades • Producir más alimentos que sean más nutritivos para eliminar la extensiva mala nutrición • Producir materia prima para biocombustibles • Preservar los ecosistemas naturales, la biodiversidad y el amplio rango de otros servicios al ecosistema • Ajustarse a los cambios climáticos  Desarrollar soluciones integradas: G x E x M