La capacidad humana para modificar el entorno ha crecido exponencialmente, alterando fuertemente muchos ciclos biogeoquímicos a escala planetaria. Este proceso ha ido asociado al desarrollo de tecnologías que han permitido una creciente e intensa explotación de los recursos naturales y una mayor capacidad de modificar la naturaleza.
Nuestra especie ha experimentado un enorme crecimiento demográfico: desde unos pocos individuos en África hace más de 140.000 años hasta los más de 6.400 millones actuales distribuidos por todo el planeta. Esta nueva capacidad, tan peligrosa por sus potenciales consecuencias, no puede explicarse solo por el número de individuos, sino por haber aprendido a manejar enormes cantidades de energía. El uso que se hace por persona en la actualidad, aunque con un reparto desigual, es muy superior al que hacían los pueblos neolíticos. Los científicos hablan de una perturbación por acción antrópica de los ciclos biogeoquímicos y de los flujos de la energía.
Concepto de Ciclos Biogeoquímicos y su Alteración
Un ciclo biogeoquímico es el que describe un elemento o compuesto químico (carbono, fósforo, agua, etc.) entre los diferentes compartimentos del planeta (atmósfera, hidrosfera, litosfera y biosfera), accionado por un motor alimentado tanto por la energía que surge del propio planeta como por la energía del Sol.
La agricultura, una actividad básica para el hombre y en la base de nuestra expansión como especie, es a su vez una gran generadora de cambios. A lo largo del siglo XX, tuvo lugar la transición desde los modelos agrícolas tradicionales de autoabastecimiento y circuitos locales a uno industrial de mercado globalizado. Este tipo de agricultura, aunque ha conseguido un aumento de productividad, hoy ya es insostenible y las pérdidas que genera desde el punto de vista social, económico y ambiental son muy importantes.
El Ciclo del Agua y su Transformación
El ciclo del agua está profundamente alterado. Más de la mitad de los 192 ríos más importantes del mundo se encuentran afectados por presas. Estos ríos sufren una importante explotación de agua que es utilizada en gran medida en los regadíos, actividad que emplea tres cuartas partes del agua dulce utilizada por el hombre. Las alteraciones que sufren los ecosistemas acuáticos, tanto por las detracciones como por el emplazamiento de las presas, son enormes, y se deben principalmente a la reducción y alteración del régimen de caudales. Los acuíferos son, después de los glaciares, la mayor reserva de agua dulce del planeta, considerados como una alternativa de futuro, pero su tasa de renovación es muy baja (300 años de media).
La sustitución de grandes extensiones de bosques por campos de cultivo puede implicar una alteración del clima a escala regional debido a un cambio del índice de reflexión de la luz solar (albedo) y de la tasa de evapotranspiración de la vegetación. Además, la sustitución indiscriminada de todo tipo de ecosistemas naturales por cultivos intensivos ocasiona una pérdida de materia orgánica de los suelos, lo que reduce la tasa de infiltración del agua a favor de la escorrentía. El agua de escorrentía discurrirá más rápido por la superficie terrestre, propiciará fenómenos erosivos y reducirá la recarga de acuíferos, disminuyendo el tiempo de permanencia del agua en los ecosistemas continentales y su capacidad de almacenamiento.
La Alteración del Ciclo del Carbono
A lo largo de la historia, se han retirado grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera mediante la fotosíntesis, transformándose en moléculas orgánicas que almacenan energía solar. El CO2 cumple una función esencial para nuestro planeta, ya que, junto con el vapor de agua, es el principal responsable del efecto invernadero, manteniendo la temperatura media del planeta. El problema surge cuando la intervención del hombre supone una alteración grave de este ciclo, con un flujo unidireccional de carbono desde la litosfera y la biosfera hacia la atmósfera, a una tasa que el sumidero oceánico no puede asimilar.
Las consecuencias son un incremento del efecto invernadero y la consecuente alteración del clima global. Los principales flujos antropogénicos de CO2 hacia la atmósfera se deben a la quema de combustibles fósiles, la deforestación y sustitución de ecosistemas captadores de carbono, y la pérdida (oxidación) de la materia orgánica del suelo. Esto está íntimamente relacionado con las industrias agroquímicas, consumidoras de combustibles fósiles, y con la deforestación de bosques maduros para campos de cultivo o ganaderos, perdiendo el potencial como sumidero de carbono y liberándolo a la atmósfera.
El carbono acumulado en el suelo en forma de necromasa tiene una magnitud considerable. La agricultura industrial, al considerar el suelo como un mero soporte y emplear labores agresivas y agroquímicos, provoca la pérdida de materia orgánica del suelo, que se oxida y retorna a la atmósfera en forma de CO2. En contraste, los modelos agrícolas sostenibles cuidan y conservan sus suelos, reconociendo las innumerables cualidades y beneficios que producen unos suelos vivos, estructurados y equilibrados.
El Nitrógeno: Esencia para la Vida y Origen de Contaminación
El nitrógeno es un elemento imprescindible para la vida, formando parte del ADN y de los aminoácidos que conforman las proteínas. La reserva fundamental de nitrógeno es la atmósfera, donde se encuentra en grandes cantidades como nitrógeno molecular (N2). Esta forma no está disponible más que para algunos grupos de microorganismos que, mediante el proceso de fijación de nitrógeno, lo transforman en amoniaco, haciéndolo accesible para otros seres vivos. En la mayoría de los ecosistemas, la cantidad de nitrógeno disponible es muy escasa.
A principios del siglo XX, el descubrimiento del proceso industrial de fijación de nitrógeno, conocido como proceso de Haber-Bosch, revolucionó el mundo de los fertilizantes agrícolas, permitiendo disponer de todo el nitrógeno necesario de forma industrial. Desde ese momento, y especialmente desde el inicio de la Revolución Verde en los años 60, se han añadido a los cultivos, de forma indiscriminada y sin apenas control, enormes cantidades de fertilizantes nitrogenados. Sin embargo, del nitrógeno aplicado a los campos, solo entre el 10% y el 40% es asimilado por los cultivos; el resto es devuelto a la atmósfera o exportado a ecosistemas adyacentes, generando un gran número de problemas ambientales.
Parte del nitrógeno que retorna a la atmósfera lo hace en forma de óxido nitroso (N2O), un potente gas de efecto invernadero. También se emiten otros compuestos nitrogenados responsables de la formación de ozono troposférico y de lluvia ácida. Otra parte del nitrógeno exportado llega a los cuerpos de agua, generando una alteración de los ecosistemas acuáticos (eutrofización) que no están adaptados a disponer de tales cantidades de un elemento que antes era limitante.
Producción y Huella de Carbono de los Fertilizantes Sintéticos
El nitrato de amonio, el fertilizante más común en la agricultura europea, se fabrica a base de amoníaco y ácido nítrico. Su huella de carbono depende del consumo de energía, la materia prima para la producción de amoníaco y las emisiones de N2O en la producción de ácido nítrico. La Unión Europea ha definido el concepto de “mejores tecnologías disponibles” (BAT - Best Available Technologies) para definir estos procesos. La aplicación de BAT resulta en unas emisiones totales de 3.6 kg de CO2 por kilo de N para fertilizantes que usan nitrato de amonio como fuente de nitrógeno, lo que representa un 50% menos de las emisiones que una planta europea que no opera con BAT. Las plantas fuera de Europa suelen tener una huella de carbono mayor que el promedio europeo.
Empresas como Yara se califican como las más eficientes del mundo en consumo de energía, habiendo desarrollado e implementado una tecnología con catalizador que reduce el 90% de las emisiones de N2O en las plantas de ácido nítrico. El impacto general y el potencial referente a las emisiones de gases invernadero son factores importantes. La huella total promedio de carbono en el uso de fertilizantes a base de nitrato de amonio es de 5.6 kg equivalentes de CO2 por kg de N aplicado.
En muchas regiones del mundo, se aplica principalmente la urea como fuente de nitrógeno. La urea tiene una huella de carbono más baja a nivel de producción que el nitrato de amonio, principalmente porque el CO2 generado en la producción de amoníaco se captura en la urea, aunque este CO2 se libera al aplicar la urea al suelo. Sin embargo, la urea emite más amoníaco a la atmósfera durante la producción agrícola que el nitrato de amonio, incrementando el riesgo de no cumplir con los límites nacionales de emisiones de sustancias acidificadoras definidos por el Protocolo de Gotemburgo. Las pérdidas de amoníaco de la urea también requieren una cantidad más alta en la aplicación para compensar.
Impacto Ambiental y en la Salud Humana de los Fertilizantes
La agricultura intensiva y el uso excesivo de fertilizantes químicos conllevan una importante contaminación medioambiental. Los fertilizantes sintéticos afectan a la atmósfera al liberar nitrógeno reactivo que se oxida, convirtiéndose en monóxido y dióxido de nitrógeno (NOx), gases sumamente perjudiciales para la capa de ozono (O3) y cuya presencia en el aire afecta gravemente a la salud de la ciudadanía. Para evitar estos daños, es imprescindible una detección temprana que posibilite una alerta en caso de superar los valores preestablecidos, favoreciendo la toma de decisiones eficiente de los gestores.
Asimismo, los fertilizantes empleados en exceso hacen que el nitrógeno permanezca en el suelo, afectando a su microbiología y alterando la proporción de carbono y fósforo. De este modo, entra en el ciclo del agua, contaminando las fuentes de obtención de agua para los diferentes usos humanos. En el estado indio de Punyab, el empeoramiento de la salud de los agricultores y sus familias ha demostrado estar en relación directa con el uso de fertilizantes y pesticidas. La contaminación de las aguas subterráneas y de las fuentes de agua potable, junto con la degradación permanente del suelo, amenazan la futura productividad agrícola, los ecosistemas naturales y la biodiversidad.
La tierra cultivable es un recurso limitado y hay que usarlo de la manera más apropiada para asegurar la producción agrícola. La reducción de la vegetación autóctona o los bosques tropicales representa un aumento de hasta el 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel global. Los suelos productivos tienen el contenido de carbono más bajo de todos los tipos de suelos, excepto los desiertos o semidesiertos.
Alternativas Sostenibles y sus Implicaciones Económicas
Fertilizantes Biológicos y Bioestimulantes
Una de las medidas más prometedoras para conseguir cultivos más sostenibles es el uso de bioestimulantes. Estos productos estimulan el crecimiento de las plantas favoreciendo la absorción de nutrientes, lo que en principio permitiría reducir el uso de fertilizantes químicos mientras las plantas absorben la misma cantidad de nutrientes. Este enfoque es crucial para mitigar los problemas de contaminación en aguas superficiales y subterráneas causados por el exceso de fertilizantes, alineándose con el ideal europeo e internacional de reducir el impacto de su uso. Actualmente, existe una investigación para desarrollar bioestimulantes basados en microorganismos bacterianos de origen natural, con un proyecto en la Universidad de Barcelona que trabaja con bacterias que permiten la nodulación y fijación de nitrógeno en leguminosas, y se están probando en cultivos extensivos como tomate, colza, soja y arroz.
Los fertilizantes químicos son utilizados porque su coste económico es muy bajo, pero su coste ecológico es muy alto. Es necesaria una transición hacia una agricultura más sostenible. Algunos bioestimulantes, además de favorecer el crecimiento de las plantas, también tienen capacidad protectora frente a episodios extremos como las heladas. Aunque existen bioestimulantes comerciales basados en bacterias, la mayoría se desarrollan a partir de hongos. Las bacterias ofrecen ventajas como un cultivo más rápido y un coste significativamente inferior. Los bioestimulantes de origen orgánico, a menudo formados a partir de desechos o extractos de algas, también son una alternativa.
El progreso de la humanidad se sustenta en gran medida en los hallazgos de la ciencia. Sin embargo, en el caso de los fertilizantes sintéticos, aunque esenciales en su momento, su exceso ha convertido el nitrógeno en compuestos nocivos al retornar al suelo, agua y aire. La planta solo aprovecha entre el 30% y el 50% del fertilizante sintético utilizado.
El estiércol, obtenido de excrementos animales y restos vegetales, ha sido empleado tradicionalmente como fuente de materiales carbonados para estimular el desarrollo de los cultivos. Los microorganismos del suelo los degradan y los convierten en nutrientes minerales. Su aporte de materia orgánica al suelo favorece su fertilidad, porosidad y permeabilidad, factores físicos imprescindibles para la retención de agua. Los fertilizantes orgánicos, al estar constituidos de material carbonado, ofrecen una absorción más gradual por las plantas y son más sostenibles porque no necesitan procesos químicos para su elaboración.
Bioestimulantes: Revolución para la Agricultura Sostenible 🌱🔬
Innovación y Reducción de Costes en la Producción de Fertilizantes
La información actualizada sobre el sector de fertilizantes inorgánicos en la agricultura es de vital importancia tanto desde el punto de vista económico como medioambiental, siendo necesario el conocimiento fiable y puntual de las producciones, de los consumos y del comercio exterior. El Ministerio obtiene datos de comercialización y de comercio exterior para conocer la producción, las ventas agrícolas y su estacionalidad, el comercio exterior, la transformación y los usos no agrícolas de estos fertilizantes.
Una plataforma especializada transformó biorresiduos en ácidos carboxílicos, que luego se usaron para producir fertilizantes mediante cultivo microbiano y filtración. El proyecto RUSTICA utilizó biorresiduos agrícolas para cultivar insectos como fuente de biomasa y "frass" (residuos de insectos ricos en nutrientes). Mediante pirólisis, se transformaron residuos lignocelulósicos en biocarbón para mejorar la salud del suelo. Los biofertilizantes de RUSTICA mostraron resultados prometedores comparables a los de los fertilizantes convencionales, con el valor añadido de mejorar la salud del suelo. En cuanto al impacto ambiental, la mayoría de las nuevas mezclas desarrolladas en el proyecto obtuvieron mejores resultados que los fertilizantes de referencia en muchas regiones, especialmente en Colombia.
La reducción de costes será fundamental. Si bien el precio por tonelada de algunos biofertilizantes era menor que el de los fertilizantes de referencia, algunos requerían dosis de aplicación mucho más elevadas, hasta treinta y cinco veces más. Las tecnologías desarrolladas pueden integrarse con otras soluciones locales, como biocentros o sistemas de tratamiento de residuos, o la incorporación de estiércol local, para producir una variedad de productos sostenibles. El proyecto RUSTICA podría revolucionar la producción de fertilizantes con alternativas más sostenibles y circulares, beneficiando tanto al medio ambiente como a las economías rurales al reutilizar flujos de biorresiduos y cerrar los ciclos de nutrientes a nivel regional.
Desafíos Económicos y Financieros de la Transición
Hay que convencer a los agricultores con datos experimentales, ya que pasar de utilizar muchos fertilizantes a utilizar menos conlleva un riesgo de menor producción, lo cual es difícil. El dinero es esencial para poder desarrollar los ensayos de campo, que son costosos y requieren nueva financiación para caracterizar especies de interés agronómico. La transferencia de conocimiento a la sociedad es crucial para que se perciba el retorno de la inversión pública en investigación, más allá de la generación de conocimiento.
Para controlar el impacto en la calidad del aire, en los procesos de fabricación es habitual que se emitan partículas de hollín y polvo junto a gases contaminantes como el óxido de azufre (SOx), amoniaco (NH3) y subproductos nitrogenados como el óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2). La industria productora de fertilizantes sintéticos puede mitigar sus emisiones contaminantes instalando un anillo perimetral de sensores.
Estrategias para una Agricultura y una Industria de Fertilizantes Sostenibles
Es importante que los agricultores se aseguren de que el tipo, la cantidad y el tiempo de aplicación del nitrógeno no resulten en una pérdida significativa por denitrificación, volatilización o lixiviación. Una buena estructura en el suelo mejora la eficacia en el uso del nitrógeno y reduce las pérdidas de N2O. Programas de fertilización ayudan a escoger el producto correcto y aplicarlo de la manera más eficiente. Ensayos de campo en Alemania constataron el efecto de la aplicación de fertilizantes usando el N-Sensor.
Para una transición hacia prácticas agrícolas más respetuosas y sostenibles respecto a la salud del planeta y sus habitantes, hay que fomentar el uso de fertilizantes orgánicos o ecológicos. Estos, al estar constituidos de material carbonado, ofrecen una absorción más gradual por las plantas, ya que los microorganismos del suelo han de degradarlos antes de que la planta los pueda aprovechar. Los fertilizantes orgánicos que añaden compuestos minerales de sales y rocas también son más sostenibles porque no necesitan procesos químicos para su elaboración.
Es fundamental la lucha por garantizar el abastecimiento alimentario de todas las personas del planeta, pero ha de hacerse de acuerdo con modelos que no comprometan el futuro. Es posible encontrar modelos que reconcilien una productividad aceptable con prácticas ambientalmente sostenibles. Las realidades son diferentes en función de los países y regiones del mundo, por lo que las soluciones deberán particularizarse.
Entre las medidas a tomar, se deben utilizar los fertilizantes en las proporciones y composición idóneas para las necesidades de cada tipo de cultivo. Para ello, hay que incentivar cosechas libres de residuos de fertilizantes como los nitratos mediante prácticas agrícolas sostenibles, como la rotación de cultivos y la agricultura orgánica. Aparte de fomentar un uso eficiente de los fertilizantes de origen químico, hay que mejorar el proceso natural de fijación biológica del nitrógeno molecular (N2). Si bien ninguna planta es capaz por sí misma de fijar el nitrógeno molecular de forma biológica, la simbiosis con microorganismos puede lograrlo en algunos cultivos.
Actualmente, se investiga una revolucionaria tecnología (N-Fix) respetuosa con el medioambiente que permite a las plantas tomar el nitrógeno directamente del aire para convertirlo en amoniaco. En la agroforestería, se integran los árboles junto a las plantas cultivadas y la actividad ganadera para obtener beneficios mutuos. Los policultivos o cultivos mixtos favorecen la biodiversidad, optimizan recursos, mejoran la fertilidad del suelo y evitan plagas y enfermedades. Hay muchas maneras de lograr una agricultura que preserve el medioambiente y contribuya a la acción climática. Una producción responsable es esencial para alcanzar la seguridad alimentaria y para no alterar la calidad del aire.