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Demanda de nitrógeno y fosforo de los cultivos bajo cambio climático

Publicado: 2 de septiembre de 2014
Por: Norton, R.M.* IPNI Australia y Nueva Zelanda
INTRODUCCION
El dióxido de carbono atmosférico (CO2) se ha incrementado desde la revolución industrial, y a la tasa actual de aumento llegará a 550 μmol mol-1 para el 2050. Este incremento, junto con las consecuentes perturbaciones del clima, influenciará profundamente la producción de alimentos y los sistemas agrícolas. Niveles más altos de CO2 son generalmente reportados como estimulantes del crecimiento en plantas con metabolismo C3, así como reductores del uso de agua, constituyendo eldenominado “efecto fertilización”. Las respuestas en plantas C4 como maíz son menoresdebido a que la asimilación de C ya esta saturada por la vía Hatch-Slack. Para las leguminosas, como la soja, la respuesta es moderada por el suministro de P, y al estar menos limitadas por N que los cereales C3, sus respuestas al CO2son mayores (Ainsworth and Long, 2005). El quinto informe de evaluación del IPCC (2013) indica que podemos esperar cambios significativos en el clima para el 2050, y el grado de cambio dependerá de los futuros escenarios de emisiones de gases. Para Australia, considerando un escenario medio, en 2050 hay un probabilidad media de temperaturas invernales y estivales entre 1-2 y 1-3 º C más cálidas que en el periodo 1986-2005. Se espera que las precipitaciones disminuyan en un 10% durante el verano y el invierno. Similiares cambios en temperatura se predicen para el sudeste de América del Sur, pero las precipitaciones en las regiones más meridionales serían un 10% inferior. Estas perturbaciones climáticas afectarán a los cultivos de grano y los sistemas de producción de pasturas, y el entendimiento de estos impactos permitirá intervenciones necesarias para ayudar a cumplir nuestro desafío global de satisfacer las crecientes demandas nutricionales de los 9 mil millones de personas en 2050. La incertidumbre sobre cómo el efecto "fertilización" del CO2 interactuaría con condiciones de crecimiento más cálidas y secas llevó a la creación de la instalación AGFACE en 2007. Otras instalaciones de FACE se han centrado en zonas de mayor precipitación o donde el riego está disponible. Este documento ofrece una visión general de los resultados del grupo de investigación AGFACE relacionados con el ciclo de nutrientes del suelo y la nutrición de los cultivos de trigo.
 
MATERIALES Y MÉTODOS
La instalación de AGFACE se encuentra en Horsham (36.7519oS, 142.1144oE), en el sudeste de Australia. La instalación cuenta con 8 anillos FACE de elevado CO2(~550 μmol mol-1) y 8 anillos de control (~385 μmol mol-1), con anillos de 12 m y 12 parcelas cada uno de 4 x 1.7 m por anillo (2007/2008) o anillos de 16 m con 24 parcelascada uno(2009). Estos efectos principales del CO2 se combinan con diferentes abastecimientos de agua (a través de riego), temperaturas durante el llenado del grano (alterando la fecha de siembra), niveles de N (por fertilización) y cultivares. El CO2 se inyectó sobre el cultivo en anillos abiertos desde la emergencia hasta su madurez en 2007, 2008 y 2009 (Mullah et al. 2009). Se ha cuantificado el crecimiento, el rendimiento, el uso del agua, y el contenido de nutrientes en grano de trigo (Triticum aestivum) para cada uno de los tratamientos y los datos se analizaron mediante un análisis factorial de la varianza.
El sitio también ha albergado otras investigaciones de la dinámica del N y la calidad del grano (calidad panadera y contenido de micronutrientes). Inicialmente se utilizaron dos cultivares comunes pero más tarde esto se amplió para investigar respuestas intraespecíficas a CO2, tanto para trigo como para arveja forrajera (Pisum sativum), un cultivo de rotación común en el sur de Australia. El diseño experimental permitió evaluar respuestas a niveles elevados de CO2 en un rango de temperatura y de suministro de agua dentro y entre años.
 
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Crecimiento y rendimiento
Los niveles elevados de CO2 incrementaron la biomasa de los cultivos a madurez en un 22% (2007), 31% (2008) y 32% (2009). El rendimiento de grano promedio de dos cultivares de trigo comunes (Yitpi y Janz) aumentó en promedio de 252 a 322 g m-2 cuando se cultivaron bajo niveles elevados de CO2 (Tabla 1). La fecha de siembra y el agua adicional afectaron el crecimiento y el rendimiento, pero la siembra más tardia no mostró respuesta a la más alta de concentración de CO2 en uno de los tres años (2008). En dos de los tres años, el peso del grano se incrementó con mayor CO2, aunque no hubo ningún cambio consistente en otros componentes del rendimiento (Norton et al., 2010).
En general, el aumento en el crecimiento se produjo durante la primavera mas que en los meses mas frios del invierno. Un resultado importante de la investigación es que la estimulación se produce en la mayoría de las situaciones, incluso en los climas más cálidos y más secos. El índice de cosecha no se vio afectado en virtud del CO2 pero las condiciones más secas y más calientes pueden afectar negativamente esta relación llevando los cultivos a una maduracion prematura (Nuttall et al., 2012).
Demanda creciente de nutrientes
Con niveles elevados de CO2, las plantas tuvieron un menor contenido de N, en particular en estadios mas avanzados de crecimiento, pero hubo pocas interacciones con la temperatura, el agua o el cultivar. Por ejemplo, en 2008, la concentración de N en las hojas durante la floración disminuyó de 3.8% a 3,5% (p<0,001) (Norton et al., 2010), aunque el bajo contenido de N de la hoja no comprometió la capacidad fotosintética, ya que la actividad de la principal enzima de la fotosintesis (RubisCo) se incrementó (Thilikarthne et al., 2013).
Como resultado de la pequeña disminución en el contenido de N de la hoja y un aumento en la asimilación de C, la eficiencia fotosintética del uso de N aumentó con niveles elevados de CO2. A nivel de cultivos, esto significa que el N se utiliza de manera más eficiente, pero incluso más ganancias podrían ser posibles si el contenido de N de la hoja no se hubiera reducido y la concentración de RubisCose mantuviera constante con una tasa de asimilación de C más alta.
La proteína del grano a madurez se redujo significativamente en casi todas las situaciones bajo CO2elevado (Tabla 1). Fernando et al. (2012) demostraron, en un cultivar, que la proteína se redujo de 13.5% a 15.5%. Es importante entender el mecanismo detrás de este cambio, de modo que los nuevos cultivares y sistemas de manejo puedan ser diseñados para reducir al mínimo esta pérdida. Por ejemplo, Fernando (2013) mostró que el trigo fertilizado con N como amonio mostró una disminución de proteína menor que aquellos fertilizados con N como nitratos.
Sin embargo, la demanda de N aumentó debido a la estimulación del crecimiento, lo cual puede ser una consecuencia de que la reducción del N total de la planta cause menor removilización desde las hojas hacia los granos durante el llenado. En promedio, para todos los tratamientos, los niveles elevados de CO2 aumentaron la remocion de N en un 20% (Lam et al., 2012). Esto indica que se requerira N adicional para los cultivos que crezcan en climas futuros enriquecidos con CO2.
Estudios de los efectos de niveles elevados de CO2 en los procesos del N del suelo han indicado que el aumento de la demanda de la planta no siempre es satisfecha por el suelo y, como resultado, a través del tiempo, el N se vuelve más limitante, un efecto denominado “limitación progresiva de N” (LPN). La LPN está estrechamente vinculada al potencial de secuestro de C bajo alta concentración de CO2 (Schlesinger y Litcher, 2001) y se produce cuando la disponibilidad de N mineral se reduce a través del tiempo ante elevado CO2, si no hay ninguna nueva entrada o hay pérdidas más grandes de N, como la extracción en granos. El resultado es una disminución gradual en el incremento del almacenamiento de C inducido por la concentración de CO2 en el ecosistema (Luo et al., 2004), de manera que la respuesta real de estos sistemas estimada a partir de la respuesta potencial al CO2, es significativamente menor que si el N no fuera limitante.
Tabla 1. Efectos de elevado CO2 sobre el rendimiento y el contenido de N en grano de trigo. Experimento AGFACE. Todos los promedios fueron significativamente diferentes dentro de cada año (p<0.05).
Demanda de nitrógeno y fosforo de los cultivos bajo cambio climático - Image 1
Un elevado nivel de CO2 no afectó la eficiencia de recuperación del N de los fertilizantes, y en el experimento no hubo evidencias de diferencias en la mineralización de N de los residuos de cosecha (Lam et al., 2012a). La eficiencia de fijación de N no se vio afectada por el CO2, pero la estimulación del crecimiento de las leguminosas significó que más N se deriva de la fijación biológica de N bajo niveles elevados de CO2. Esta respuesta fue dependiente de un suministro adecuado de fósforo (P) a la leguminosa (Lam et al., 2012b) . El valor relativo del N derivado de leguminosas para los cereales subsiguientes puede reducirse bajo niveles elevados de CO2. Sin embargo, en comparación con la aplicación de fertilizante nitrogenado, la incorporación de leguminosas sería más beneficiosa para el rendimiento de grano y el suministro de N a los cereales posteriores bajo climas futuros (Lam et al., 2013). No hay evidencia de que los cultivos bajo elevado CO2 tengan una mayor eficiencia de absorción de P o el acceso a diferentes fuentes de P del suelo (Jin et al., 2013a). Esto ocurre a pesar de una mayor actividad microbiana alrededor de las raíces de las plantas bajo elevado CO2, probablemente debido a una mayor producción de exudados de las raíces (Jin et al. 2014). Jin et al. (2014) informaron quediferentes fuentes de N afectaron la capacidad de las plantas para acceder a diferentes fuentes de P, el N de urea resultó más eficiente en el acceso al P de la hidroxi-apatita respecto al nitrato como fuente de N.
La concentración en grano de azufre (S), calcio (Ca), zinc (Zn) y hierro (Fe) disminuyó en el trigo cultivado bajo niveles elevados de CO2. Esto no podría ser explicado completamente por la "dilución por rendimiento y la disminución de la relación N:S”(Fernando et al., 2012.). Además de cambiar la cantidad de proteína del grano, los tipos de proteínas también cambiaron, lo que afectala calidad panadera. La reducción de la proteína del grano se correlacionó con la concentración de Fe, Zn, y S, de manera que es probable que un elevado nivel de CO2exhacerbe la malnutrición mundial de Fe y Zn para aquellos con dietas a base de cereales, aunque las menores concentraciones de fitato en grano pueden compensar en parte este descenso (Fernando et al. 2012).
 
Impacto del clima en la demanda futura de nutrientes
Si el impacto global del cambio climático, incluyendo el “efecto fertilización” de CO2, aumenta el potencial de rendimiento de los cultivos, alcanzar este potencial requerirá un aporte adicional de todos los nutrientes, incluyendo P, potasio (K), S y micronutrientes. Se ha demostrado que las leguminosas sólo responderán a un CO2 atmosférico superior si el P no es limitante (Newton et al, 2006; Lam et al, 2012a). La limitacion de P podria reducir la entrada de N por fijacion biologica y así contribuir aún más a la LPN (Luo et al., 2004). St. Clair y Lynch (2010) también llegaron esencialmente a la misma conclusión en su estudio de las repercusiones del cambio climático sobre la demanda de nutrientes - que las limitaciones de nutrientes bajo climas más calientes y secos parecen impactar negativamente en la seguridad alimentaria.
La amplia e importante incertidumbre es acerca de la forma en que estos cambios climáticos podran afectar la disponibilidad de N lábil y cómo esto interactuaría con la demanda de P (Newton et al., 2006), la disponibilidad de agua y la temperatura (Hovenden et al., 2008). Por lo tanto, el aumento en la eficiencia de uso de N, sugerida por Oaks (1994) de 22% a 55% como se ve en las plantas cultivadas bajo niveles elevados de CO2, es aun incierta y el desarrollo de estrategias para equilibrar el C adicional con N, y otros nutrientes, es un tema significativo de investigación.
Es difícil extrapolar estos resultados a nivel nacional o internacional, ya que hay otros desafíos que enfrenta la producción agrícola como la necesidad de aumentar la cantidad y calidad de alimentos a los más 2 mil millones de personas extras en 2050, y al mismo tiempo, garantizar un medio ambiente limpio y saludable. Estas cuestiones no son mutuamente excluyentes, y las buenas prácticas agrícolas demuestran resultados positivos para la producción y el medio ambiente.
Con los actuales cultivos C3, la concentración de CO2prevista para el 2050 podría aumentar la demanda de N en un 20%, y la mayor demanda de N también requerirá una nutrición balanceada con P, K, S y micronutrientes.
 
CONCLUSIONES
Esta investigación identificó que las estrategias de manejo de nutrientes necesitarán de revisión bajo niveles elevados de CO2. A medida que el CO2 atmosférico aumenta, habrá un pequeño aumento en la eficiencia de uso de N, debido a los cambios en las respuestas fisiológicas en el germoplasma actual. El patrón de crecimiento y, por lo tanto, el patrón temporal de la demanda de nutrientes, implican que seran necesarias nuevas combinaciones de fuentes, dosis, momento y forma de aplicación de nutrientes, ademas de cultivares más eficientes.

Lo más importante será el desarrollo de estrategias para poner fin a los cambios en las proteínas del grano y así maximizar los beneficios del C extra disponible. Es interesante conjeturar que los rendimientos de los cultivos aumentarían aún más bajo niveles elevados de CO2si la respuesta adaptativa de la regulación de la absorción de N podría superarse. Ambos enfoques, genéticos y agronómicos, son importantes y esto puede lograrse con el cambio a fuentes amoniacales de N, el uso de N foliar alrededor de llenado de grano y basándose en la investigación actual que se está desarrollando para cultivares eficientes en el uso de N.
 
AGRADECIMIENTOS
Esta investigación es financiada por el Gobierno de Australia, la Grain Research and Development Corporation (GRDC), el Departmento de Ambiente e Industrias Primarias de Victoria y la Universidad de Melbourne. Las investigaciones reportadas aquí fueron el trabajo de mis colegas S.K. Lam, S. Seneweera, N. Fernando, S. Tausz-Posch, M. Tausz y D. Chen (Universidad de Melbourne), y R. Armstrong, J. Nuttal, G.O’Leary y G. Fitzgerald (Departmento de Ambiente e Industrias Primarias de Victoria).
 
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