Aplicación del modelado multi-agente en un estudio de caso para caracterizar la dinámica y heterogeneidad espacial del nitrógeno en sistemas de producción de leche

En la actualidad existe una preocupación global sobre el impacto ambiental de la actividad humana en general -y agropecuaria en particular-, con atención en el flujo de macronutrientes como el N (Schlesinger, 2009). En sistemas de producción intensivos como es la lechería, la dinámica del N es un aspecto para profundizar, complejizándose el análisis al considerar su dinámica espacial y temporal. Por otra parte, y en términos generales, los modelos de simulación permiten formalizar y analizar el problema de la sustentabilidad (Thompson, 2007). En particular el modelado multiagente (ABM) tiene la ventaja de la espacialización del problema, donde la interacción entre agentes puede ser representada y evaluada dinámicamente (Railsback y Grimm, 2019). El ABM puede representar interacciones complejas dentro de los socioecosistemas (Grimm et al., 2010), reproduciendo reglas de manejo e interacción entre los agentes posibilitando un análisis global de todo el sistema, como local de cada agente (animales, parcelas y sistema de efluentes). Este trabajo presenta un estudio de caso donde se realizó una primera implementación de un modelo de simulación para caracterizar el flujo de N y su dinámica espacial y temporal, aplicando el concepto ABM, ya que este elemento presenta varios compuestos con impacto ambiental, como lo son la emisión de óxido nitroso y la lixiviación de nitratos a aguas superficiales y profundas, tanto a escala de sistema de tratamiento de efluentes como en parcela.

Se desarrolló un modelo ABM (plataforma NetLogo v6.2; Wilensky, 1999) a partir de la información de un sistema lechero comercial uruguayo. Se contó con registros (año 2019) del número de animales, composición y producción de leche, perfil de la dieta (consumo de pasturas, reservas y concentrados) y el uso del suelo. Con esta información se generó un ABM del área vaca ordeñe únicamente (126 ha). Las pasturas corresponden a una rotación de cuatro años con Sorgo forrajero, Raigrás y una pradera compuesta de Alfalfa y Festuca. Las reservas de alimento y concentrado se producen en otra fracción del establecimiento, por lo que son consideradas como entradas al sistema modelado. El ABM además incluyó la dinámica de las pasturas (tasas de crecimiento y su extracción de N), y se calculó la salida de compuestos nitrogenados según el IPCC (IPCC, 2006) considerando las emisiones directas, las pérdidas por volatilización y por lixiviación. También, se calculó la eficiencia de uso del nitrógeno (EUN) de los animales (Powell et al., 2010). La principal dinámica en el ABM se realiza un paso diario, asignando a los animales al potrero de mayor biomasa, y manteniéndolos en ese potrero hasta un remanente de 1500 kg MS/ha. Los animales consumen cada componente de la dieta, con su correspondiente aporte proteico, y excretan N en cada paso de tiempo (considerándose una deposición proporcional al tiempo de permanencia en el tambo y en parcela). El ABM calcula para cada patch el balance de N, donde se consideró como aportes al pool de N móvil la fertilización (urea a razón de 50 kg/ha fertilizada, promedio anual), la orina y 25% de las heces depositadas (Del Prado et al., 2006), y como pool de N inmóvil a la fijación biológica (FBN, 30 kg/ton MS de leguminosa; García et al., 1994) y el 75% restante del N en heces.

La Tabla 1 presenta el balance anual estático de N. Los cálculos, en este estudio de caso, muestran que la mayor proporción de las entradas al sistema corresponden a los alimentos (49%), seguidos por la FBN (29%) y la fertilización (22%). Con respecto a las salidas 65% corresponde a salidas ambientales y 35% a la retención en producto, generando una EUN de 26% (siendo valores aceptables, según Powell et al., 2010). La lixiviación del N depositado en parcela es el mayor componente de salidas del sistema (43%), seguida por la volatilización (28%). Estos resultados estáticos fueron modelados dinámicamente en el ABM, para abordar la heterogeneidad espacial del manejo de los animales y pasturas, y del consecuente N animal excretado. La Fig. 1 presenta una captura de pantalla del tipo de salidas que genera dicha plataforma. En este escenario (Fig. 1) se considera únicamente el N excretado por los animales (sin considerar extracción por las pasturas, ni FBN, ni fertilizantes, ni entradas por alimentos, ni pérdidas ambientales). En este caso, se evidencia el aporte de N de las excretas que es heterogéneo en el espacio, y evidencia el pasaje y la permanencia de las vacas en los potreros, que es función del uso del suelo en cada uno de ellos y su dinámica. Dicho aporte corresponde, en promedio anual, 127 kg N/animal y 237 kg N/ha. Al considerar en la simulación todos los componentes del balance (Fig. 2) los resultados muestran la acumulación de aproximadamente una cuarta parte de las entradas totales en el pool inmóvil, mientras el N móvil desaparece del sistema por las salidas ambientales.

Tabla 1. Balance anual de N del estudio de caso.

Fig. 1. Captura de pantalla del ABM luego de un año de simulación, considerando únicamente los aportes de N de los animales.

Fig. 2. Captura de pantalla del ABM luego de un año de simulación, considerando todos los componentes del balance de N.

Este trabajo muestra la posibilidad de implementación de un sistema complejo utilizando el concepto ABM. La heterogeneidad espacial y temporal, flujos y dinámicas del N pueden ser modeladas en esta plataforma. Esta aproximación puede ser utilizada para evaluar otros usos del suelo, perfiles dietas y características del sistema como carga y esquemas de fertilización, dando pistas de la heterogeneidad espacial en la gestión de los aportes externos (esquemas de fertilización) así como internos (reciclado de efluentes). Resta el desafío de incorporar la dinámica de otro macronutriente con impacto ambiental como lo es el P, para evaluar medidas de reducción del impacto ambiental del sistema de estos macronutrientes.