Cambios en los ciclos biogeoquímicos
La agricultura jugó un papel importante en los cambios en el ciclo del carbono y en el balance de energía y de agua y, además, contribuyó al incremento en la liberación a la biósfera de contaminantes y gases parcialmente responsables del calentamiento global (Foley et al. 2005). Algunas estimaciones señalan que la combustión de energía fósil y la deforestación incrementaron 30% la concentración de CO2 atmosférico en los últimos 300 años, y que más de la mitad de este aumento tuvo lugar en los últimos 40 años, potenciado por la agricultura. A su vez, el incremento en la concentración de metano y otros gases también contribuyó al calentamiento global (Chapin et al. 2000).
En la escala global, la cantidad de recursos (nutrientes y agua) disponibles para la agricultura ha disminuido, rápida o lentamente, como resultado de la degradación física, química y biológica de los suelos causada por la intensificación en su uso , y también por el consumo directo de los cultivos. Por ello, la productividad de los cultivos se ha mantenido a través del reemplazo de recursos por insumos (fertilización y riego) y del mayor aprovechamiento de los recursos por parte del cultivo. Esto tuvo lugar tanto a través del uso de cultivares más eficientes como de la reducción de la competencia con malezas o del ataque de plagas y patógenos mediante el uso de agroquímicos. No obstante, en ambientes muy subsidiados el transporte de fertilizantes fosforados y nitrogenados desde los sitios de fabricación hacia los sitios cultivados ha generado un excedente de nutrientes en algunas áreas agrícolas. Esto ha resultado en procesos fuertes de contaminación (Carpenter et al. 1998). El incremento del flujo de fósforo a los océanos se atribuye al aporte excesivo en los suelos agrícolas y a las crecientes tasas de erosión. Entre 1950 y 1995 se aplicaron 600x106 t de fertilizantes fosforados en el mundo, principalmente en áreas cultivadas. La mayor parte permanece en los sitios agrícolas, pero entre 3 y 20% llega al agua superficial por erosión o lavado, lo cual resulta en la eutrofización de los cuerpos de agua (Carpenter et al. 1998). La producción industrial de fertilizantes nitrogenados ha aumentado de manera lineal desde 1940. En EE.UU., sólo 18% del fertilizante aplicado se traduce en productos cosechables, lo cual deja un excedente promedio de 174 kg/ha. Como en el caso del fósforo, este excedente puede acumularse en suelos, exportarse hacia el agua por erosión o lixiviación, o bien puede entrar en la atmósfera por volatilización de amoníaco y producción óxidos de nitrógeno, que contribuyen al calentamiento global y puede catalizar la destrucción del ozono (Carpenter et al. 1998).
En Argentina, las evidencias indican que la disponibilidad de nutrientes en los suelos agrícolas ha disminuido como consecuencia de su degradación (Michelena et al. 1989) y de la extracción sostenida por parte de los cultivos. Ochenta y cinco por ciento del área cultivada con trigo o maíz se fertiliza principalmente con nitrógeno, mientras que esta práctica se aplica en menos de 30% de la superficie con girasol o soja. No obstante, en vistas del pronunciado crecimiento de la producción de granos, los aportes de nutrientes resultan insuficientes para revertir el balance negativo entre lo que se exporta con cada cosecha y lo que se restituye por medios naturales o artificiales. Como consecuencia, el área con altos contenidos de fósforo en el suelo disminuyó marcadamente en los últimos veinte años (Díaz Zorita 2005). Por otra parte, la pérdida de suelo a menudo limita la posibilidad de las raíces de explorar los sectores en los cuales el agua o los nutrientes están disponibles para el cultivo. En suelos de la Pampa Ondulada con larga historia agrícola y avanzado nivel de deterioro, la abundancia de raíces del cultivo de maíz se redujo en 60%, y el tamaño del canopeo entre 5 y 13% con respecto a aquellos que crecieron en suelos menos deteriorados (Cárcova et al. 2000). Esto afectó las posibilidades de absorción de los nutrientes disponibles.
Algunos factores reguladores de procesos físicos químicos y biológicos han sido alterados por la actividad humana (e.g., la temperatura del aire y del suelo, el nivel de CO2 atmosférico y de O3 troposférico, la cantidad de radiación UVB recibida y el pH del suelo). Por ejemplo, en las plantas con ruta metabólica C3 una concentración elevada de CO2 puede incrementar el rendimiento y la eficiencia en el uso de los recursos, o puede reducir la toxicidad de O3 y la resistencia a enfermedades. El aumento de la temperatura acelera el desarrollo y reduce la duración de las etapas de desarrollo, reduce la eficiencia en el uso de los nutrientes, aumenta el consumo de agua y afecta la sincronía entre el efecto de la temperatura y el del fotoperíodo (Fuhrer 2003).
Las actividades agrícolas, como las labranzas y el manejo de los rastrojos, alteran los regímenes de temperatura y humedad y el intercambio de gases en el perfil del suelo, lo cual influye en la mineralización de los nutrientes y la materia orgánica (Magid et al. 1997; Myers et al. 1997). Estos cambios afectan tanto a las poblaciones de microorganismos e invertebrados del suelo como a sus interrelaciones (Yeates & Bongers 1999; Berkelmans et al. 2003; Zak et al. 2003; Brussaard et al. 2007). La diversidad de microorganismos del suelo protege a los cultivos de las enfermedades producidas por patógenos edáficos, pero el cultivo, el tipo de suelo y el manejo juegan un papel importante en el establecimiento de estas interacciones (Back et al. 2002; Norris et al. 2003; Bezemer et al. 2005; Brussaard et al. 2007; Sánchez-Moreno & Ferris 2007). Las fluctuaciones en la temperatura y en el pH del suelo se consideran factores críticos en la interacción entre algunos nematodos y hongos patógenos (Back et al. 2002). Por otra parte, los incrementos en la disponibilidad de fósforo disminuyen la colonización de las raíces por micorrizas, que aumenta la absorción radical de agua y nutrientes (Pankhurst 1997; Facelli & Facelli 2005). Las características estructurales del suelo condicionan la actividad y diversidad de lombrices, nematodos y protozoos (Pankhurst 1997; Yeates & Bongers 1999). Las lombrices ocupan estratos superficiales del suelo, frecuentemente modificados por las actividades de manejo agrícola. Su abundancia y diversidad guardan estrecha relación con la incorporación de la materia orgánica, la infiltración del agua, la aireación, la penetración de las raíces y la actividad microbiana del suelo. También la porosidad del suelo modifica la importancia de protozoos o de nematodos como consumidores de bacterias; los protozoos pueden penetrar por espacios más pequeños que los nematodos (Grupta & Yeates 1997; Pankhurst 1997).
El efecto de la agricultura sobre las características físicas, químicas y biológicas del suelo no solamente regula el rendimiento del cultivo, sino también impacta sobre la emisión de sustancias volátiles que pueden funcionar como atrayentes o repelentes de otros organismos (Baldwin & Preston 1999; van Tol et al. 2001; Norris et al. 2003; de la Fuente et al. 2006). En condiciones experimentales, Lenardis y colaboradores (2007) observaron que cultivos de trigo y coriandro que crecían en suelos con distinto nivel de deterioro emitían señales químicas que afectaban la composición de la cadena trófica de cultivos de trigo vecinos.
Cambios en el uso de la tierra
Los seres humanos transformamos entre 40 y 50% de la tierra libre de hielos al reemplazar pastizales, bosques y humedales por sistemas agrícolas y urbanos (Chapin et al. 2000). La expansión agrícola entre 1860 y 1920 fue de 430 millones de hectáreas y tuvo lugar principalmente en las zonas templadas de América del Norte y de los países que a partir de 1922 conformaron la URSS. Entre 1920 y 1978, una superficie similar fue transformada, en particular, en las regiones tropicales de África, Asia y América del Sur. A partir de entonces, la tasa de expansión disminuyó considerablemente (Evans 1993). El cambio en el uso de la tierra estuvo asociado, además, al nivel de desarrollo tecnológico de los países y al tipo de cultivos producidos (Mannion 1995). Por ejemplo, desde 1960, el área destinada a la producción de cereales y oleaginosos fue mayor en los países en desarrollo que en los países desarrollados. Por otra parte, los rendimientos fueron crecientes y mayores en los países desarrollados, que utilizan niveles de insumos más elevados que los países en desarrollo. No obstante, en el caso de los oleaginosos, los aumentos del rendimiento fueron mayores en los países en desarrollo y han llegado a niveles muy altos en los últimos años. Estas transformaciones, tendientes a incrementar el área cultivada, incluyeron acciones como la eliminación de rocas, el drenado de suelos, la elevación del fondo de los lagos, el secado de mares, el riego de zonas áridas, la deforestación, la generación de un horizonte orgánico mediante el agregado de abonos y residuos, la reducción de limitantes físicas, químicas y biológicas a través de actividades culturales del laboreo del suelo y la aplicación de fertilizantes, herbicidas y pesticidas (Evans 1993; Mannion 1995; Ghersa 2006). Más de 87% de las posibilidades de expansión futuras de tierras cultivadas involucran a países en desarrollo, y contemplan la eliminación de bosques como el amazónico, la irrigación de zonas áridas y el drenaje de humedales, con los consiguientes daños ecológicos (Evans 1993).
Al nivel global, desde 1960 hasta la actualidad el área de cultivos y pasturas el consumo de fertilizantes nitrogenados y fosforados, el uso de riego y la producción de pesticidas crecieron simultáneamente (Tilman et al. 2001). En Argentina, las áreas con cultivos y con pasturas no crecieron conjuntamente, sino que la expansión de la actividad agrícola desde 1960 ocurrió, en gran medida, a expensas de la reducción del área de pastizales naturales y praderas cultivadas Por otra parte, el incremento sostenido del uso de fertilizantes y productos fitosanitarios comenzó recién a partir de los años 90 y estuvo relacionado con mejoras en los precios relativos de estos productos.
Figura 4. Área global de pasturas y cultivos sin considerar la ex URSS (superior, adaptado de Tilman et al. 2002) y área argentina (inferior, FAO 2008) de pasturas y cultivos desde 1960 hasta 2000.
Figure 4. Global grassland and cropland area without considering ex USSR (upper, adapted from Tilman et al. 2002) and Argentinean grassland and cropland area (FAO 2008) from 1960 to 2000.
Figura 5. Uso global de fertilizantes y fitoquímicos sin considerar la ex URSS (adaptado de Tilman et al. 2002) y en la Argentina desde 1960 hasta 2000 (CASAFE 2008).
Figure 5. Global use of fertilizers and phytochemicals without considering ex USSR (upper, adapted from Tilman et al. 2002) from 1960 to 2000 and Argentinean use of fertilizers and phytochemicals (CASAFE 2008) from 1980 to 2000.
Cambios en la biodiversidad
Los niveles de extinción de especies a escala global superan ampliamente a los esperados sobre la base de los registros geológicos, y la tasa de pérdida de especies es mayor a la que tuvo lugar en el pasado (Thompson & Starzomski 2007). Existen evidencias de que en la actualidad hay numerosas especies amenazadas de extinción: 12% de aves, 23% de mamíferos, 25% de coníferas, 32% de anfibios (Baillie 2004, citado por Loreau et al. 2006). El cambio climático podría conducir a la extinción prematura de 15 a 37% de las especies restantes (Thomas 2004, citado por Loreau et al. 2006).
La agricultura provoca niveles elevados de disturbio debido a las múltiples perturbaciones que causa al ecosistema en cada estación de crecimiento. Estas perturbaciones pueden promover la reducción de la biodiversidad global y de la local en todos los niveles (genes, especies, funciones, ecosistemas en un paisaje) (Vandermeer et al. 1998; Yeates & Bongers 1999; Chapin et al. 2000; Norris et al. 2003; Butler et al. 2007) (Figura 3). Esto se da a través de la pérdida, la modificación y la fragmentación del hábitat, de la degradación del suelo y del agua y de la sobreexplotación de las especies nativas (Lacher et al. 1999; Tscharntke 2002; Benton et al. 2003; Foley et al. 2005). Sin embargo, algunos autores señalan que los grandes cambios ambientales causados por el uso de la tierra produjeron modificaciones en la composición de las comunidades a nivel regional pero no en el número de especies (Burel et al. 1998; Ghersa & León 1999; Parody et al. 2001). El hecho de que la intensificación de la agricultura no siempre esté acompañada por una menor biodiversidad podría deberse, en primer lugar, a que la agricultura opera a distintas escalas espacio temporales. Esto podría afectar diferencialmente a los organismos según los taxones considerados. En segundo lugar, podría deberse a que algunos paisajes agrícolas son heterogéneos y, por lo tanto, los disturbios provocados por la agricultura no determinan tasas de cambio similares en todos sus componentes (Burel et al. 1998).
Al inicio de la actividad agrícola el disturbio incrementó la heterogeneidad del paisaje al darle una apariencia típica de mosaico (Ghersa & León 1999), si bien la generalización del disturbio como producto de la expansión agrícola generó un paisaje más homogéneo (Forman 1998) donde el mosaico se repite en una gran superficie. Los agroecosistemas actuales tienden a simplificar el ambiente ya que utilizan en el proceso productivo un número limitado de especies y una escasa diversidad de estructuras vegetales con respecto a los ecosistemas naturales (Lacher et al. 1999). Si bien los procesos característicos del ecosistema natural (e.g., la competencia, la depredación y la herbivoría) continúan operando cuando el sistema de producción agrícola reemplaza al sistema silvestre, ahora están regidos de un modo peculiar por el manejo agrícola (labranzas, rotaciones, aplicación de agroquímicos, etc.). En el sistema agrícola, la biodiversidad está representada, principalmente, por organismos vegetales y animales del sistema diseñado por el hombre, que interactúan entre sí para funcionar como una entidad coherente, con un objetivo aparente, así como también por otros organismos del sistema natural, sin objetivo aparente. La primera es denominada biodiversidad planificada y depende de las actividades incluidas en el sistema productivo y del manejo de insumos. La segunda se denomina biodiversidad asociada y se refiere a la flora y fauna del suelo, a los herbívoros, carnívoros y descomponedores que colonizan el sistema de producción agrícola y a aquellos que se encuentran en las borduras y otros sitios no cultivados (Swift & Anderson 1993).
Las comunidades de organismos asociadas de forma directa con los agroecosistemas representan sólo un pequeño conjunto de la biodiversidad total de una región. La expansión de los agroecosistemas y la fragmentación del hábitat natural remanente provocan extinciones locales, reducción de la diversidad de especies y cambios en la estructura y funciones de las comunidades a nivel regional. Por lo tanto, las alteraciones en la biodiversidad pueden extenderse mucho más allá de los límites del agroecosistema y resultar en cambios importantes en el funcionamiento del ecosistema (Lacher et al. 1999). En la región pampeana se realizaron distintos estudios tendientes a reconocer los cambios en la estructura de la comunidad biótica como resultado del disturbio agrícola (Soriano et al. 1991; Omacini et al. 1995; Ghersa & León 1999). En la Pampa Ondulada, desde los comienzos de la agricultura, el manejo afectó la disponibilidad de propágulos y de recursos físicos y químicos del suelo. Esto alteró la estructura y funcionamiento de las comunidades de malezas de los pastizales y de los cultivos. En etapas iniciales de la agricultura (1930), la riqueza de malezas de los cultivos disminuyó de 214 a 97 especies como producto del disturbio. Durante los siguientes 60 años se detectó una lenta recuperación de la riqueza de especies, a razón de 0.42 especies por año, y acompañó el incremento de 19% del área agrícola. No obstante, la composición de especies varió considerablemente durante ese lapso (Suárez et al. 2000). Entre 1997 y 2003, la riqueza de malezas asociadas al cultivo de soja comenzó a disminuir a razón de cinco especies por año, y acompañó un incremento de 12% del área cultivada con siembra directa y la adopción del cambio tecnológico descripto más arriba (cultivares transgénicos y herbicidas totales) (de la Fuente et al. 2006). Otro ejemplo de cambios temporales en la riqueza florística corresponde a estudios realizados en campos cultivados de la Pampa Interior, donde luego de suspender la actividad agrícola durante 25 años, la riqueza florística fue de 153 especies y la disminución neta promedio a lo largo del tiempo fue de 28% (Omacini et al. 2005).
El funcionamiento pleno del ecosistema podría mantenerse al evitar el acortamiento de las rotaciones, la disminución de la diversidad de actividades y cultivos, el incremento en el uso de insumos, la simplificación y homogeneización del paisaje, la fragmentación del hábitat natural, la especialización en pocos cultivos en lugar de la producción mixta y la destrucción de corredores y borduras (Tscharntke et al. 2005). El agricultor tiene un rol importante en la conservación de las funciones, dado que es quien planifica el sistema agrícola. Aunque los sistemas especializados pueden parecer más productivos a los ojos del productor, también es posible que este sesgo haya sido introducido por gran parte de la investigación agrícola, que tiene una "caja de herramientas adecuadas" de experimentos y modelos para el desarrollo de tecnología en sistemas simples (Vandermeer et al. 1998; Altieri 2002). En este sentido, algunos desafíos de la investigación son, por ejemplo, diseñar sistemas productivos que imiten a la naturaleza y favorezcan el reciclado de nutrientes y la biodiversidad, y aprovechen las ventajas de los mecanismos de regulación natural, de facilitación y de resiliencia (estabilidad). Esto requeriría ajustar el diseño espacial y temporal de plantas, incluir en el agroecosistema especies perennes, leguminosas y nativas, comprender las interacciones que ocurren en agroecosistemas multiespecíficos y evitar las monoculturas (Altieri 2002).
El efecto de la intensificación sobre la riqueza de especies puede ser reducido al generar heterogeneidad en el paisaje agrícola. Los organismos pueden presentarse espontáneamente o introducirse deliberadamente en el sistema agrícola para promover la biodiversidad y sus servicios. La incorporación de bordes como corredores y reservorios de especies benéficas, la incorporación de abonos verdes y la labranza mínima para generar un ambiente edáfico que potencie el establecimiento y actividad de organismos edáficos, y la rotación de cultivos que permiten el mantenimiento de diversidad temporal y espacial de hábitats son algunas de las herramientas disponibles. La heterogeneidad resulta fundamental para el intercambio de especies y señales entre el espacio cultivado (contenido) y su entorno (contexto). El contexto actúa como refugio, hábitat, alimento y transporte de especies, como fuente, destino y/o filtro de organismos y señales. En la actualidad, se ha generalizado el uso de criterios de producción basados en la adaptación del cultivo a la zona agrícola, condicionados por el mercado para establecer las estrategias productivas. Lamentablemente, son muy pocos los análisis sistémicos que consideran las propiedades emergentes de la inclusión o no de las prácticas agrícolas, tanto en los términos, productivos, agronómicos y económicos como en los ecológicos. En este sentido, también, son necesarios estudios orientados a la ingeniería de sistemas productivos y a la evaluación de las propiedades emergentes a diferentes escalas espacio-temporales.
