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Introducción
El maíz es el cereal que más se cultiva en el mundo, la producción en 2014 fue de 982 millones de toneladas métricas (tm) a nivel mundial (USDA, 2014; IGC, 2015). En México, es el grano que más se destina para consumo humano y se calcula que en promedio se consumen 343 g por día per cápita (CEDRSSA, 2014). El frijol es un grano que a nivel global tiene menor importancia que el maíz, pues acorde a la USDA, durante 2014 se cosecharon alrededor de 16 millones tm, pero en México su importancia para el consumo humano es mayor, calculándose 11 kg anuales per cápita, aunque en zonas rurales y en estratos de menores ingresos se incrementa a más de 13 kg (SE, 2012).
El maíz en México tradicionalmente se cultivaba asociado con algún tipo de frijol enredador y calabaza, ocasionalmente también se asociaban chile y tomate entre otros. A este tipo de policultivo se le conoce como sistema milpa tradicional (SMT) y es considerado como una alternativa viable que combina ingeniosas prácticas campesinas e indígenas e integra productos para la diversificación de la dieta. Además, la Food and Agriculture Organization (FAO) lo reconoce como Sistema Importante del Patrimonio Agrícola Mundial (FAO, 2011). De acuerdo a Hernández y Aguirre (1998), la agricultura tradicional se caracteriza por aprovechar mejor los recursos locales, se produce más para autoconsumo y es de baja entropía. Cada vez se siembran menos policultivos, debido a la aplicación del paquete tecnológico de la Revolución Verde (RV), diseñado en México desde los años 40’s del siglo pasado e implementado en los 60’s (Hewitt, 1985).
Actualmente, la principal forma de cultivo de maíz es en monocultivo (SMo) con algunas consecuencias negativas hacia los suelos como los altos niveles de erosión, la pérdida de fertilidad, la contaminación de mantos acuíferos y en general al ambiente; debido a las formas intensivas de producción agroindustrial en el país. El paquete tecnológico de la RV ha fomentado mucha dependencia de pesticidas, semillas, maquinaria y equipo que producen las grandes empresas trasnacionales a través de sistemas tecno científicos (Álvarez-Buylla, 2013).
Este modelo hegemónico de producción, implica altos costos del paquete tecnológico que no son accesibles para campesinos e indígenas y que utilizan grandes cantidades de combustibles fósiles en la producción y aplicación de agroquímicos, así como en la fabricación y operación de maquinarias y equipos agrícolas como tractores, combinadas, empacadoras, segadoras, etc. Se consumen las reservas de combustibles no renovables, propician la producción de biocombustibles a partir de alimentos humanos y generan grandes cantidades de GEI que, de acuerdo al Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), la agricultura es responsable de 14% de las emisiones globales de GEI, aunque si se contabiliza la fabricación de maquinaria, agroquímicos y su uso, la proporción rebasa 30% de emisiones globales en el sector agrícola (Martínez y Fernández, 2008; Bermejo, 2010; IPCC, 2013).
Varios autores como Altieri (1999); Altieri y Nichols (2000); Gliessman (2002); Pimentel y Pimentel (2005); Damián et al. (2013); entre otros, coinciden en que los agroecosistemas modernos se han vuelto en los años recientes a la intensificación en el uso de energía de origen fósil, y que dependen de dos flujos energéticos principales: el natural que corresponde a la energía solar y un flujo auxiliar controlado por el agricultor a través del uso de combustibles fósiles básicamente, ya sea de forma directa o indirecta. Los energéticos fósiles corresponden a un tipo de energía “almacenada”, su existencia es finita, relativamente costosa y, generalmente, no es amigable con el ambiente, debido a que su uso origina contaminación a través de la emisión de diversos gases perjudiciales, entre estos el CO2 por sus efectos de GEI (Pimentel y Pimentel, 2005). El objetivo de este trabajo, fue conocer la eficiencia del uso de energéticos fósiles en el SMT y SMo y la emisión derivada de GEI para el estado de Tlaxcala, México.
Materiales y métodos
El estado de Tlaxcala se ubica en el altiplano central mexicano entre 19° 44”-19° 06” latitud norte y 97° 37”-98° 44” longitud oeste, a una altitud media de 2 230 m. Colinda al suroeste, sur, este y una sección del norte con el estado de Puebla; al norte y noroeste con el estado de Hidalgo y en una pequeña franja del noroeste con el estado de México. Es la entidad más pequeña del país; se divide en 60 municipios, tiene una extensión de 3 997 km2 y en 2010 tenía 1 169 936 habitantes, de los cuales 20% se ubicaban en zonas rurales (INEGI, 2010). El clima es templado subhúmedo C(w) en 92% del territorio; la temperatura media anual de 14.5 °C y la precipitación media anual de 720 mm con lluvias en verano.
Para obtener información primaria se empleó una metodología mixta a través de la encuesta y la entrevista semiestructurada. En la encuesta, se partió de datos del programa federal Proagro Productivo de 2014 para Tlaxcala. El universo de beneficiarios productores de maíz fue de 29 828 (N) (Proagro Productivo, 2014). Se calculó el tamaño de muestra con valores de varianza máxima; precisión de 5%; valor de la distribución normal de 1.96; probabilidad de error de 5%; y nivel de confianza de 95%. Se utilizó la siguiente fórmula.
Se realizaron los cálculos para determinar el tamaño de muestra n= 379 y se eligió al azar a igual número de maiceros para aplicación de la encuesta. Con los datos recabados se clasificó a los productores en dos sistemas de interés para este trabajo, quedando de la siguiente manera: 1) SMT nμ= 59; y 2) SMo nμ= 320. También se realizaron 20 entrevistas semiestructuradas a informantes clave para corroborar y complementar la información de la encuesta. Luego, se vaciaron y ordenaron los datos en Excel para Windows, se codificaron y analizaron en el programa Statistical Package for the Social Sciences (SPSS) versión 16.
Para obtener los datos del consumo de combustibles en cada sistema, se generó la información de productores en cada grupo que emplean maquinaria y equipo para labores de preparación de suelos, siembra, labores culturales y cosecha. A la vez se entrevistó a dueños de tractores y máquinas para saber cuántos litros de combustible requieren para cada labor. Esos datos se convirtieron a Mega Joules (MJ) de energía empleada. La conversión se realizó dependiendo el tipo de energético utilizado: en diésel, los litros calculados se multiplicaron por 36.7 para convertir a MJ; para gasolina, el factor de conversión fue 32 y para la electricidad 3.6 MJ kW-1 h-1. Posteriormente, se sumaron los datos parciales para conocer el consumo total de energía fósil y se calculó el CO2e, para lo cual se estimó primero la cantidad de CO2, CH4 y N2O generados por la ignición del combustible fósil, enseguida se multiplicaron por 21 y 310 respectivamente los datos relativos a CH4 y N2O para calcular el CO2e con base a cien años. Finalmente se sumó este dato a la cantidad calculada de CO2 (Pimentel y Dazhong, 1990). Con la finalidad de calcular la energía fósil total se empleó la siguiente fórmula:
Donde: efTotal= energía fósil total calculada; efprep= energía fósil empleada en la preparación de suelos; efsiembra= energía fósil utilizada para actividades relacionadas con la siembra; eflabcul= energía fósil para labores culturales (escarda, labra, asegunda, fertilización y fumigación); efcosecha= energía fósil empleada para cosecha de grano y zacate.
A la vez, se planteó una fórmula para calcular el combustible utilizado y la energía derivada para cada una de las fases del ciclo agrícola por hectárea. A continuación se desarrolla la fórmula empleada para calcular energéticos fósiles utilizados en la preparación de suelos.
Donde: efprep= energía fósil calculada para preparación de suelos; nµ= tamaño de estrato (aplica para todas las fórmulas parciales); barbecho= número de productores que barbechan (multiplicado por 14.3 L ha-1); rastra= número de productores que rastrean (multiplicado por 8 L ha-1).
Para calcular energía utilizada en actividades relacionadas con la siembra, se aplicó la siguiente.
Donde: efsiembra= energía fósil utilizada para la siembra; surcado con tractor= número de productores que surcan con tractor (multiplicado por 7 L ha-1); siembra con tractor= número de productores que siembran con tractor (multiplicado por 8 L ha-1).
La fórmula planteada para calcular energía utilizada para labores culturales es la siguiente.
Donde: eflabcul= energía fósil calculada para fertilización, labores culturales y fumigación; fertilización= número de productores que fertilizan con tractor (multiplicado por 3 L ha-1); escarda= número de productores que escardan con tractor (multiplicado por 7 L ha-1); labra= número de productores que labran con tractor (multiplicado por 7 L ha-1); Asegunda= número de productores que asegundan con tractor (multiplicado por 7 L ha-1); fumigación= número de productores que fumigan con tractor (multiplicado por 3 L ha-1, o en su caso, si emplean aspersor de motor a gasolina se multiplica por 2 L ha-1).
Fórmula planteada para calcular energía utilizada para cosecha de grano y zacate seco.
Donde: efcosecha= energía fósil empleada para transporte y cosecha de grano y zacate; combinada= número de productores que cosechan con combinada (multiplicado por 35 L ha-1); empacadora= número de productores que empacan zacate seco (multiplicado por 20 L ha-1); desgran a gasolina= productores que usan desgranadora a gasolina (multiplicado por 1.8 h ha-1 y por 2 L gasolina h-1); flete= productores que transportan la cosecha (multiplicado por 20 L de gasolina); desgran eléc= productores que usan desgranadora eléctrica (multiplicado por 1.8 h ha-1 y 1.5 kW h-1).
Además, se aplicó la prueba de t de student para muestras independientes a los valores respecto a la cantidad de combustible por cada conjunto de actividades agrícolas en los dos sistemas (SMT y SMo). En este proceso, primeramente se realizó la prueba de Normalidad de Kolmogorov-Smirnova debido a que las muestras son mayores de 30 unidades en cada grupo con un valor de α≤ 0.05. Una vez comprobado que los datos de ambos grupos se comportan dentro de la Normalidad, se procedió a aplicar la prueba de igualdad de varianza (prueba de Levené) para posteriormente aplicar la prueba de significancia bilateral.
Resultados y discusión
Sistema milpa tradicional (SMT)
El SMT es un policultivo que tiene diversas variantes de acuerdo a condiciones biofísicas y culturales. Para el caso de Tlaxcala, se encontraron varios tipos de asociaciones, en todas, el maíz (Zea mayz L.) con una o más de las siguientes especies y variedades: frijol (Phaseolus vulgaris L.); ayocote (Phaseolus coccineus L.); haba (Vicia faba); y calabaza (Cucurbita sp). El SMT es resultado de la conservación de prácticas tradicionales mesoamericanas que recibe diversos nombres como “milpa” o “Sistema Milpa Tradicional” (Sánchez y Castro, 2011; Sánchez y Hernández, 2014). En el SMT se ubicó 20% del total de productores encuestados (59 personas); sin embargo, el 5% son campesinos encontrados al azar, el resto se ubicaron de manera dirigida, debido a la baja proporción de campesinos que aún siembra milpa.
La edad de los productores de este grupo varía de 35 a 86 años (con media y mediana de 58 años), poseen en promedio 3.7 ha, aunque el rango fluctúa entre 0.5 y 9 ha. El grupo de encuestados está conformado por 14% de mujeres y el resto son hombres. En general, la escolaridad media es de cinco años, y 6.8% del total no saben leer ni escribir. Además, 28% de productores tienen otro trabajo para la generación de ingresos complementarios y, el promedio de integrantes por familia es de cinco, aunque 57% de familias se conforman de dos a cuatro personas y el resto lo integran de cinco a 11.
Preparación de suelo
De acuerdo a la información recabada, para preparar el suelo antes de la siembra se realiza barbecho y rastra, dependiendo de las condiciones económicas de los productores. Ocasionalmente no se barbecha, por el alto costo de esta actividad y solo se rastrea; en otros casos, se realizan hasta dos barbechos y tres o cuatro rastras previo a la siembra cuando el productor tiene tractor propio. Para barbecho el costo de la renta de tractor oscila entre $600.00 y $1 200.00 ha-1, y para rastra de $400.00 a $1 200.00 ha-1 dependiendo de la región del estado. La proporción de productores que barbecha con tractor es 57.6%, mientras que 76.4% rastrean una vez y 8.3% rastrean dos veces. Para calcular la cantidad de combustible usado en la preparación de suelo, se empleó un factor de 36.7 para convertir los litros de diésel (Ld) a MJ.
Siembra
Aquí se ubicaron dos posibilidades en el uso del tractor: a través del surcado (para posteriormente sembrar de forma manual a pala, a tapapié o con sembradora de yunta) y siembra con equipo para tractor. En el SMT 40.7% de productores surcan con tractor; 45.7% siembran con sembradora de yunta y 13.6% usan sembradora de tractor. Al sustituir los datos en la fórmula planteada se obtuvieron los siguientes resultados.
Labores culturales
En este rubro se consideraron la fertilización, escarda, labra, asegunda y fumigación. En el SMT solo cuatro productores fertilizan con tractor en el momento de la siembra. Además, 11.9% de campesinos escardan, 8.5% labran y 15.3% asegundan con tractor; el resto usa yunta y algunos no realizan estas labores. Finalmente, 11.9% aplican algún insecticida; no obstante, solo 3.4% usan aspersor de motor a gasolina y el resto, mochila manual. Para convertir los litros de gasolina (Lg) a MJ, se calculó con un factor de 32.
Cosecha
En el SMT, la proporción de productores que usan combinada es de 6.8% y 94.9% muele o trilla su zacate, con el propósito de venderlo o guardarlo para su ganado. En estas actividades el combustible utilizado fue diésel. La proporción de campesinos que desgranó con máquinas a gasolina fue 28.8% y 83% empleó flete. Finalmente, los productores que usan máquina desgranadora de motor eléctrico representan 8.5%. La energía calculada se muestra a continuación.
Con estos resultados se calculó la energía total utilizada por hectárea en el SMT, quedando como sigue:
Los resultados muestran que se utilizan 2 114.42 MJ ha-1 que corresponde a 57.62 litros de diésel equivalente (Lde) por hectárea entre los integrantes del SMT. Se calculó la biomasa seca cosechada (BSC) sumando el rendimiento por hectárea de maíz, frijol y semilla de calabaza, zacate seco de maíz, paja de frijol y de calabaza. El rendimiento de maíz fue de 1 978 kg ha-1 y de pacas 140 piezas por hectárea (de 21.354 kg cada una). El promedio de la BSC fue 5 638 kg ha-1, y se emplean 29.13 Lde para producir una tm de maíz. Con estos datos se calculó las emisiones directas, y el resultado para el SMT fue de 163.3 Kg de CO2e ha-1.
Sistema de maíz en monocultivo (SMo)
En el SMo el maíz se siembra sólo. De esta manera, se adecúan las condiciones del cultivo para la mecanización en lo referente a siembra, labores culturales, riego, aplicación de herbicidas y cosecha. Esta forma de cultivo es resultado del paquete tecnológico de la RV. En este grupo se ubicó a 80% de productores muestreados en el estado de Tlaxcala (320 personas), con un rango de edad que va de 23 a 93 años y una media de 62 años. La cantidad de tierra que cultivan es de 5.5 ha en promedio; sin embargo, el rango fluctúa entre 0.5 y 60 ha. De las personas encuestadas, 15% son mujeres; el nivel de analfabetismo es de 6.2% y cada familia tiene cinco integrantes en promedio. Las prácticas realizadas se mencionan a continuación.
Preparación de suelo
La proporción de campesinos que barbechan con tractor es 85.3%, y 6.9% no barbechan por los altos costos que implica. En el caso de la rastra, cuando estas actividades se realizan con yunta, los campesinos le llaman “contlapanear”; ocasionalmente se contlapanéa al momento de cosechar y luego antes de sembrar, incluso, se hace pasar una biga para deshacer los terrones y sellar el suelo para que no pierda mucha humedad. En este grupo 8.8% rastrea con yunta y 90.9% utiliza el tractor con este fin. A continuación se muestra el cálculo de combustible y energía empleados.
Siembra
En el SMo, 29.7% surcan con tractor y 12.8% con yunta; el resto (57.5%) no surca previamente, precisamente porque siembra con equipo de tractor. Además, 18.4% lo hacen con sembradora tirada por yunta; 23.1% siembran a pala y 1% siembra a tapapié. El uso de combustibles es el siguiente.
Labores culturales
En este grupo 10% de productores fertilizan su maíz con tractor; 83.4% lo hace manual y el resto no fertiliza. Respecto a la escarda, 38.1% la realiza con tractor, 20.9% labra y 33.4% asegunda con maquinaria; el resto lo hace con yunta o no lleva a cabo estas labores culturales. Además, 67.5% afirmó que aplica herbicidas y 12.8% aplica algún insecticida; sin embargo, la mayoría lo realiza con mochila manual, el 8.4% aplican con mochila de motor y 4% lo hace con tractor. A continuación se realizan los cálculos.
Cosecha
Para la cosecha, en este grupo la mecanización es más factible que en el SMT. La proporción de productores que usa máquina combinada para cosechar su maíz es 13.4% y el resto lo hace de forma manual y el zacate lo empacan 89.1% de campesinos. Además, los productores que usan desgranadora de motor a gasolina representan 62.8%, con motor eléctrico 12.5% y 77% empleó flete para trasladar su cosecha. La energía calculada para la cosecha en este grupo se muestra a continuación.
La concentración de los cálculos anteriores permitió estimar la energía total por hectárea en el sistema de producción de maíz en monocultivo, quedando de la siguiente manera
El SMo utiliza aproximadamente 81.8 Lde ha-1; para el cálculo de la BSC se contempló el rendimiento medio de maíz de 1 942.8 kg ha-1 y de 142 pacas ha-1. El promedio de la BSC fue de 4 975 kg ha-1 y para este grupo se emplean 41.35 L de diésel por tonelada de grano de maíz. Respecto al cálculo de emisiones directas de CO2e, los resultados fueron 231.9 kg de CO2e ha-1.
Uso de energéticos fósiles y producción de CO 2 e de los sistemas de cultivo comparados
Se aplicó la prueba de t Student a los datos relacionados al uso de combustibles fósiles (y su consecuente generación de CO2e) por actividad agrícola, los resultados para preparación de suelo fueron F=6.464, p= 0.116, situación que nos indica que no existe diferencia significativa entre los grupos (SMT y SMo). Para los casos de siembra (F= 223.615, p= 0.001) y labores culturales (F= 34.928, p=0.002) existe una diferencia altamente significativa la cual nos muestra que el SMo emplea más combustible y genera más CO2e que el SMT en estas actividades (Guevara, 2013; Doménech et al., 2012). Sin embargo, la labor que más combustible emplea es la cosecha, donde F= 3.068, p= 0.255, no existe diferencia significativa (Cuadro 1).
Cuadro 1 Comparación del uso energético y emisión de CO2e entre los sistemas de producción.
Fuente: elaboración con datos de campo febrero-mayo 2015. nμSMT= 59; nμSMo= 320; ns= no significativo; **= altamente significativo.
Los balances de materia y energía son importantes para conocer si la eficiencia es alta o baja en un sistema. De acuerdo a Odum (1983), los sistemas agrícolas son abiertos y disipativos, situación que implica el uso de energía para crecer, mantenerse y establecer un flujo de materia y energía en su entorno. En este trabajo los resultados obtenidos evidencian que el SMT emplea 2 114.4 MJ ha-1 equivalente a 57.6 L ha-1 de efTotal y produce 82.6 kg de CO2e tm-1 de grano de maíz. Por parte del SMo se utilizan 3 002.6 MJ ha-1 correspondientes a 81.8 L ha-1 que generan 119.4 kg de CO2e tm-1 de maíz.
Guevara et al. (2013); Reyes-Muro et al. (2013) reportaron en un estudio realizado en la región Frailesca de Chiapas, que para esa zona maicera cuyos rendimientos medios fueron de 3.47 tm ha-1, los productores utilizaron 1 788.2 MJ tm-1 de maíz aproximadamente. No obstante, el uso directo de combustibles (para tractor) representa 6% del total, que implica el uso de 108 MJ tm-1. La situación es que en esa región 85.7% de productores usan semillas “mejoradas” con rendimientos relativamente altos y sólo 11% emplean maquinaria para preparación de suelos; el resto realiza las labores de forma manual. En este caso, la mayoría de energía utilizada para los sistemas de producción es biológica (humanos y yunta), situación por la que solo emiten 8.1 kg de CO2e tm-1.
Mientras que en un estudio con diversos cultivos en La Rioja, España, los que más se asemejan para el punto de comparación con maíz son el trigo y la cebada; de acuerdo a Doménech et al. (2012) las actividades agrícolas generan 1.42 tm de CO2e ha-1 por el concepto de emisiones directas; la sumatoria de emisiones directas e indirectas rebasan 2 tm de CO2e ha-1 para esos cultivos.
En ambos casos, los resultados de emisiones de CO2e que reportan son extremos. Mientras que en el trabajo de Guevara et al. (2013) las emisiones por uso directo representan 6%, en el reporte de Doménech et al. (2012) es 11 veces mayor (67%) en relación al mismo concepto. Sin embargo, en el primero el cultivo es maíz y en el segundo son cebada y trigo. Además, el contexto es muy diferente entre ellos, el caso de Chiapas es en condiciones de un alto uso de mano de obra para el cultivo de maíz, y en el caso de La Rioja aparentemente es de uso intensivo de maquinaria y equipo en cultivo de cebada y trigo.
Otros referentes, son el caso de Wayne (1990) y de Pimentel y Pimentel (2005), en los cuales aseveran que en Estados Unidos de América se utilizan 142.5 L de diésel tm de grano de maíz producido. Esta cantidad equivale a 7 425.8 MJ tm-1 de maíz y a la vez genera 437 kg de CO2e tm-1, valores superiores a los obtenidos en esta investigación. De acuerdo al SIAP (2015), para el año 2014 en el estado de Tlaxcala se sembraron 115 603 ha de maíz y se cosecharon 114 453 ha con un rendimiento medio de 3.18 tm ha-1. La cantidad total de grano producido a nivel estatal fue de 364 450 tm durante ese año, considerando condiciones de temporal y de riego.
Si en 2014 se hubiese producido todo el maíz de Tlaxcala en condiciones de uso de energía de origen fósil similar a la que emplean en Estados Unidos de América, esta hubiese sido de 2 706 332 810 MJ ó 2 706 333 TJ de energía y se hubiesen generado 151 631 tm de CO2e. Pero si toda la producción de maíz tlaxcalteca hubiese sido en condiciones similares al SMT respecto al uso de energéticos fósiles, la energía empleada debió ser 389 582.5 TJ y se debió emitido la cantidad de 30 103.6 tm de CO2e. Sin embargo, realizando un cálculo acercado a la realidad de cómo se produjo, y considerando que solo 5% de productores sembraron en SMT y 95% en SMo, la energía que se empleó fue aproximadamente de 554 577.2 TJ y se generaron alrededor de 42 844.7 tm de CO2e.
Conclusiones
El maíz es una gramínea que se domesticó en México desde hace aproximadamente nueve mil años y se ha venido cultivando asociada con diversas especies como el frijol, la calabaza y el chile entre otros. En el estado de Tlaxcala, actualmente el SMT casi se ha extinguido, pues solamente cinco de cada cien productores de maíz lo siembran asociado con alguna leguminosa. El uso de combustibles derivados del petróleo es mayor en el SMo, aunque sólo existe diferencia estadística en los rubros de siembra y labores culturales. Sin embargo, en la preparación de suelos y en la cosecha la diferencia en el uso de combustibles fósiles sería significativa si consideramos que en el SMT también se cosecha frijol, haba, ayocote y ocasionalmente semilla de calabaza. No obstante, en este trabajo no se realizó la comparación considerando sus equivalencias. Igualmente, la emisión de CO2e es proporcionalmente menor en el SMT que en el SMo. En términos generales, desde una perspectiva del uso de energía fósil y emisión de GEI, el SMT es más eficiente, además, tiene implicaciones positivas al agroecosistema, aporta beneficios a la economía del campesino así como a la diversidad para su alimentación.
