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FLUJOS DE ENERGÍA DE UN BANCO FORRAJERO MIXTO EN UNA REGION DE BOSQUE HUMEDO TROPICAL EN LA AMAZONIA COLOMBIANA
ALFONSO RESTREPO LLANOS
UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA AGROECOLÓGICA
FLORENCIA
2013
FLUJOS DE ENERGÍA DE UN BANCO FORRAJERO MIXTO EN UNA REGION DE BOSQUE HUMEDO TROPICAL EN LA AMAZONIA COLOMBIANA
ALFONSO RESTREPO LLANOS
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniero Agroecólogo
Mercedes Mejía Leudo
Ingeniera Agrónoma, M.Sc
Directora
UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA AGROECOLÒGICA
FLORENCIA
2013
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Tabla de Contenido
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 5
1. PROBLEMA ........................................................................................................................ 7
2. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................. 9
3. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 12
4. MARCO REFERENCIAL ................................................................................................. 13
4.1 Economía ecológica ............................................................................................................. 13
4.2 Sostenibilidad ....................................................................................................................... 14
4.3 El Agroecosistema ................................................................................................................ 15
4.4 El Sistema termodinámico según Sonntag & Gordon (1979) ............................................. 17
4.4.1 Energía y trabajo ........................................................................................................ 17
4.4.2 Calor .......................................................................................................................... 18
4.5 Flujos de materia y energía en los agroecosistemas. ............................................................ 19
4.6 Balances termodinámicos ..................................................................................................... 20
4.6.1 El balance de materia, Moreno, 2001. ....................................................................... 20
4.6.2 Balance de energía ..................................................................................................... 21
4.7 Estructura del Modelo de Flujos de Energía en el Agroecosistema .................................... 22
4.8 Definiciones del Modelo ..................................................................................................... 22
4.8.1 Entradas al sistema .................................................................................................... 24
4.8.2 Transformaciones dentro del sistema ........................................................................ 25
4.8.3 Salidas del sistema ..................................................................................................... 28
4.8.4 Supuestos del modelo ................................................................................................ 29
4.8.5 Condiciones generales de sostenibilidad desde la perspectiva termodinámica ......... 30
4.8.6 Indicadores energéticos de sostenibilidad. ................................................................ 31
5. METODOLOGÍA............................................................................................................... 32
5.1 Ubicación ............................................................................................................................. 32
5.2 Descripción agroecológica del sistema ................................................................................ 32
5.3 Materiales ............................................................................................................................. 33
5.4 Métodos. ............................................................................................................................... 33
5.4.1 Variables representativas del agroecosistema ........................................................... 33
5.4.2 Cuantificación de las variables del modelo ............................................................... 34
5.5 Flujo de materiales y energía para el BFM. ......................................................................... 39
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5.6 Balance de energía del BFM ................................................................................................ 40
5.7 Eficiencia energética del BFM ............................................................................................. 40
6. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ............................................................................. 41
7. PRESUPUESTO................................................................................................................. 42
8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 43
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INTRODUCCIÓN
Los agroecosistemas están compuestos por organismos que transforman y transfieren energía y
compuestos químicos. Dichos agroecosistemas están abiertos a la entrada de energía y su fuente
más importante es la solar directa que es convertida por la fotosíntesis en productos. Por la
fotosíntesis, la energía solar que cae sobre la Tierra actúa sobre el dióxido de carbono y el agua,
que forman los carbohidratos de las plantas, fuente directa o indirecta de nuestra alimentación
(Martínes Alier, 1998).
Antes de la industrialización, las fuentes de energía eran energía solar directa, energía solar
transformada en viento o caídas de agua previamente evaporada por la energía solar. Con la
industrialización, se añadió una nueva fuente de energía, el carbón, y más el petróleo y el gas,
esas energías también proceden de la energía solar de épocas geológicamente remotas, y lo que
ahora hacemos es extraer esos combustibles fósiles y quemarlos a un ritmo mucho más rápido
que el de su producción geológica; más específicamente, en la agricultura lo que hacemos es
acelerar los ciclos biogeoquimicos, con lo que provocamos una contaminación. (Martínes Alier,
1998).
El petróleo no se produce, porque ya se produjo; se extrae y se destruye. La primera ley o
postulado de la termodinámica, que fue enunciado hacia 1840, dice que la energía se conserva,
por tanto la energía del petróleo quemado, no se pierde pero se transforma en calor disipado. Ese
calor disipado es incapaz ya de proporcionar una energía de movimiento (Martínes Alier, 1998).
La agricultura necesita entradas de energía y materiales, estas entradas producen dos tipos de
residuos: el calor disipado, y los residuos materiales, que mediante reciclaje pueden volver a ser
parcialmente utilizados. Desde el punto de vista energético la introducción intensiva de energías
externas a la producción agrícola exige cada vez mayores requerimientos energéticos
comerciales; esto lleva a los productores a introducir más energía al sistema, generando
degradación en los recursos naturales, causando menores rendimientos y mayor dependencia
debido al desequilibrio de los flujos de energía en estos sistemas. Son muchos los insumos
utilizados en los procesos agrícolas, si estos son de alto contenido energético es necesario
estudiar en que se materializan y su efecto en el contorno, (Moreno P. G., 2001).
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El flujo de energía en la naturaleza inicia cuando la energía solar es captada por las plantas verdes
y transferida como forraje a los herbívoros, como presas a los carnívoros, y como materia muerta
a los descomponedores, este mismo flujo a través de los distintos niveles tróficos está compuesto
a su vez por un elevado número de flujos parciales que el hombre puede estar interesado en
controlar (Soriano, 2001) y que serán estudiados en el presente trabajo.
El análisis de los flujos de energía permite medir la sostenibilidad de un agroecosistema ya que
realiza un análisis abierto de los recursos naturales y los materiales involucrados en los procesos
productivos, lo cual permite establecer tendencias y tener una visión real del balance energético
de los agroecosistemas (Moreno P. G., 2001).
El desarrollo de este trabajo será una aproximación a la valoración de un banco forrajero mixto
BFM desde una perspectiva energética, donde se analizaran sus flujos de energía con el fin de
evaluar la eficiencia energética de este agroecosistema y dar un primer aporte a la futura
evaluación de la sostenibilidad de los bancos forrajeros mixtos BFM en la región.
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1. PROBLEMA
Los sistemas silvopastoriles han adquirido vital importancia ya que se han tomado como una
opción de producción amigable con la biodiversidad que permitirá mejorar la productividad y la
conservación de la biodiversidad de importancia global y reducir la degradación de suelos (Uribe,
y otros, 2011).
El proyecto “Ganadería Colombiana Sostenible” (Uribe, y otros, 2011) busca promover la
adopción de sistemas de producción silvopastoriles amigables con el medio ambiente, en fincas
ganaderas colombianas en las zonas del proyecto, para mejorar la gestión de los recursos
naturales, incrementar la prestación de servicios ambientales, y elevar la productividad en las
fincas participantes. Para lograr estos objetivos se plantean diferentes temas, desde la
implantación de prácticas agrícolas amigables con el ambiente hasta pago por servicios
ambientales PSA.
Un elemento importante de la ganadería contemplado en este proyecto son los bancos forrajeros
mixtos que son aquellos donde se combinan tanto forrajes proteicos como energéticos, que
aunados a prácticas de agricultura ecológica ayudan a la conservación de nacimientos y
quebradas, y disminuyen la presión de los ganados sobre bosques y zonas frágiles (Uribe, y otros,
2011).
La producción de forrajes ha sido evaluada de diferentes formas; evaluando la calidad del forraje
durante la etapa inicial de crecimiento (Medina, Garcia, González, Cova, & Moratinos, 2009), el
establecimiento de plantas nativas con potencial forrajero (Moreno A. J., 2008), la producción de
biomasa (Suárez, Ramírez, & Velásquez, 2008) y la disponibilidad del forraje (FEDEGÁN-FNG,
SENA, 2010); también realizando estudios comparativos a diferentes frecuencias de corte
(Navarro M & Villamizar Corpas, 2012) y determinando el rendimiento (Ramírez, Verdecia, &
Leonard, 2008).
La falencia que presentan todas estas formas tradicionales de evaluar forrajes es que todos están
únicamente enfocados a variables que están directamente relacionadas con la productividad
económica y de mercado y aunque son adecuados para algunos fines no lo son para medir la
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sostenibilidad de la producción de forrajes. La evaluación actual de la producción agrícola y por
ende de forrajes se encuentra enmarcada por la economía neoclásica, que analiza el mercado
lubricado por el dinero, en cambio la economía ecológica ve el planeta Tierra como un sistema
abierto a la entrada de energía solar donde la economía necesita entradas de energía y materiales
(Martínes Alier, 1998), es decir ve la economía y la agricultura como lo que es, un flujo de
energía.
El análisis de los flujos de energía conecta las actividades humanas con el medio natural,
implicando un análisis abierto de los recursos naturales, ya que los materiales involucrados en los
procesos productivos son energía incorporada, y su evaluación en el tiempo permite establecer
tendencias y tener una visión real del balance energético de los agroecosistemas (Moreno P. G.,
2001).
A nivel mundial se están evaluando los flujos energéticos de los diferentes agroecosistemas en
todas las escalas, como el maíz en estados unidos (Pimentel, 1973), los sistemas agrarios
catalanes (Cussó, Garrabou, Olarieta, & Tello, 2006), los sistemas ganaderos forestales en cuba
(Guevara, Rivero, Guevara, & Curbelo, 2006), la caficultura en Costa Rica (Mora, Ramires, &
Quiros, 2006) y la agricultura española (Naredo Pérez & Campos Palacín, 1980); todos estos
estudios han permitido conocer estos sistemas y proponer acciones en pro de la mejora de su
eficiencia energética. En Colombia podemos citar el trabajo de balance energético del sistema de
producción de arroz (Moreno P. G., 2001) y los Consumos energético en siembra de maíz en el
Valle del Cauca (Chaparro Anaya, Herrera, & Pena, 2005).
Evaluar los flujos energéticos de un agroecosistema nos permitirá dar un primer paso para
analizar la sostenibilidad más allá de la productividad o de la ganancia monetaria, ya que se
analizaran todas las variables reales que influyen en todo el proceso del mismo, no solo
poniéndole precio a los daños ambientales que se puedan causar sino generando un
agroecosistema energéticamente eficiente.
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2. JUSTIFICACIÓN
La importancia de aplicar esta investigación a la producción de forrajes, radica en que la
utilización de sistemas silvopastoriles como bancos de proteína utilizados mediante el sistema de
corte y acarreo ha sido vistos como alternativa tecnológica para mejorar la productividad animal
(Suárez, Ramírez, & Velásquez, 2008). También es una gran ventaja la capacidad que tienen los
forrajes tropicales para producir biomasa ya que por ser C4 sus procesos fotosintéticos son muy
eficientes y se desarrollan en regiones geográficas donde la irradiación solar y la temperatura
ambiente les permite crecer en forma más o menos continua durante todo el año (Minson, 1990;
Van Soest, 1994).
Otro aspecto influyente es la importancia del sector ganadero para la economía nacional con un
total de 23’008.253 cabezas distribuidas en 496.554 predios (ICA, 2013), las expectativas de
nuevos mercados, y la necesidad de avanzar en fortalecer la capacidad institucional para
adelantar acciones de investigación, innovación y transferencia de tecnología en pastos y forrajes
(Díaz M, Cuesta M, Barahona R, & Mila P, 2005), las especies forrajeras constituyen la base de
la alimentación de los sistemas de producción bovina en Colombia. Este componente representa
más del 60% del total de los costos de producción de la carne y leche que genera el país (Díaz M
et al. 2005).
Los bancos forrajeros mixtos BFM (Uribe, y otros, 2011), son una apuesta fuerte por parte de
FEDEGAN ya que son cultivos intensivos de forrajes arbustivos y herbáceos, diseñados para
maximizar la producción de hojas y de tallos, se pueden cortar, acarrear y suministrar a los
animales durante todo el año. Estas características los convierten en una excelente alternativa
para mejorar la oferta alimenticia y el sostenimiento del ganado, además de que traen múltiples
beneficios ambientales ligados a la protección del suelo, el reciclaje de nutrientes y la generación
de sombra. Tan solo en el primer semestre de 2010 se sembraron 39 predios de BFM en 28
municipios de 14 departamentos, de los cuales 21 están ubicados en clima caliente seco (53,5
has); 14 predios en clima caliente húmedo (28,8 has); 2 en clima frío seco (4 has) y 2 más en
clima frío húmedo (4 has). La implementación de estos BFM están propuestos en el Plan
Estratégico de la Ganadería 2019, que busca elevar la eficiencia e incremento del hato ganadero
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y, a la vez, a reducir el área dedicada a la ganadería extensiva en diez millones de hectáreas como
un aporte al mejoramiento del medio ambiente (Vanguardia, 2010).
Según el plan de desarrollo del Caquetá 2012-2015 “Gobierno de oportunidades” (2012)
históricamente la ganadería ha representado una de las actividades económicas más
representativas en el departamento, teniendo como ventaja competitiva el poseer el quinto hato
ganadero del país, pero como desventaja la debilidad en investigación y transferencia
tecnológica. Aunque el ultimo consolidado nacional coloca al Caquetá en el séptimo lugar con un
inventario bovino de 1’338.753 cabezas (5.8% del total nacional) distribuidas en 11614 predios,
quedando en un nivel inferior al departamento de Santander pero superior al departamento de
Magdalena (ICA, 2013). El piedemonte del Caquetá es una de las regiones más activas en el
desarrollo ganadero, donde predominan explotaciones con sistemas de doble propósito que
comercializan sus productos en otras zonas del país (Botero, 1993; Michelsen, 1990) y ya se han
desarrollado algunos trabajos previos de investigación sobre el uso de leguminosas forrajeras en
la producción animal (Maldonado & Velásquez, 1994; Ullrich, Vera, & Weniger, 1994).
Actualmente el sistema de producción ganadero extensivo es dominante en el departamento del
Caquetá, produciendo ganado de doble propósito, basando su alimentación principalmente en
pastoreo de gramíneas introducidas como el Brachiaria sp. así como con gramíneas nativas como
las gramas dulce (Paspalum notatum Flugge) y trenza (Axonopus compressus), y en periodos
recientes praderas degradadas de Guaduilla (Homolepsis aturensis Kunth), los cuales presentan
niveles bajos de proteína que limitan la producción lechera y no permite que los animales
expresen su potencial genético en producción (Moreno A. J., 2008), se requiere fortalecer los
bancos forrajeros mixtos BFM en dicha producción, aportando desde los diferentes ámbitos de
investigación que tengan impacto en esta área.
El análisis de los flujos de energía conecta las actividades humanas como la producción de
forrajes con el medio natural y su evaluación en el tiempo permite establecer tendencias y tener
una visión real del balance energético de los agroecosistemas (Moreno P. G., 2001).
Este trabajo pretende aplicar los modelos de evaluación de flujos de energía propuestos por
Moreno (2001) para establecer los consumos, transformaciones y salidas energéticas en el banco
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forrajero mixto BMF, compuesto por Caña (Sacharum sp.), mombasa (Panicum máximum), cuba
22 (Pennisetum sp.), botón de oro (Tithonia diversifolia), morera (Morus alba), cratylia (Cratylia
argéntea), moringa (Moringa oleifera) y matarratón (Gliricidia sepium); logrando un aporte
inicial a la evaluación de la sostenibilidad desde el enfoque energético al sector ganadero.
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3. OBJETIVOS
GENERAL
Evaluar la eficiencia energética de un banco forrajero mixto BFM en una región de bosque
húmedo tropical en la amazonia colombiana.
ESPECÍFICOS
• Determinar y medir las variables de contexto y de balance que componen un banco
forrajero mixto BFM.
• Determinar el modelo de flujo de materiales y energía específico para el banco forrajero
mixto BFM.
• Determinar el balance de energía del banco forrajero mixto BFM.
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4. MARCO REFERENCIAL
Históricamente, el ser humano, en busca inicialmente de su supervivencia y posteriormente de
una producción comercial, ha generado un avance tecnológico en sus fuerzas productivas,
modificando así su entorno y los ecosistemas que lo componen (Moreno P. G., 2001). La
intensificación producida en el siglo XX se basó en el aumento de los insumos externos,
especialmente agroquímicos y energía fósil, el incremento de las escalas de explotación, la
especialización y la mecanización a gran escala (Guevara G. E., 2005).
De continuar dicho consumo energético, la producción agrícola requerirá cada vez más energía
externa para mantener la misma productividad. Se configura entonces el concepto de energía
como uno de los más importantes para las actividades humanas, ya que es esta la que permite el
funcionamiento de los sistemas al transmitirse o transferirse como calor o trabajo. La unidad
internacional de energía es un Joule (J) y en algunos casos se expresa en calorías (1 caloría
equivale a 4,18J).
4.1 Economía ecológica
La economía ecológica es una corriente del pensamiento económico con importante influencia
teórica. Es de carácter transdisciplinario, derivado de la necesidad de estudiar la relación entre los
ecosistemas naturales y el sistema económico, lo que demanda la participación no sólo de
economistas, sino también de cientistas naturales y otras disciplinas. De manera que, a diferencia
de la teoría económica neoclásica-keynesiana y la economía ambiental, que parte de su propio
instrumental económico para analizar los problemas ambientales de origen antrópico, la teoría
económica-ecológica pretende incorporar otras disciplinas, lo que correspondería más fielmente
con el carácter multidisciplinar que la problemática ambiental exige (Foladori, 2005).
Para estudiar esta relación entre los ecosistemas naturales y el sistema económico es necesaria la
evaluación de flujos de materia y energía (Moreno P. G., 2001), para determinar dichos flujos se
deben tener en cuenta las dos categorías del consumo de energía, según Sánchez et al. (2001) la
energía demandada por el hombre puede ser endosomática y exosomática: la primera es la
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energía necesaria para vivir que se obtiene de los alimentos. La segunda es la energía para usos
no alimenticios como carbón, petróleo y gas.
La economía ecológica extiende el ámbito económico al campo de los recursos naturales
abandonando los conceptos económicos tradicionales para así lograr una verdadera gestión de los
recursos acorde con el entorno que conlleve a evitar su degradación; para esto se deben analizar
cada una de las partes de la biosfera y el papel que desempeña en la vida humana (García Teruel,
2003), de allí surge la necesidad de aplicar las leyes de la termodinámica las cuales se configuran
como el principal fundamento de la económica ecológica.
Según Aguilera Klink & Alcántara (1994) los principales fundamentos de la termodinámica son:
a) Ley de la conservación, según la cual la materia y la energía ni se crean ni se destruyen, sólo se
transforman. La principal aportación a la economía ecológica viene de la constatación de que la
generación de residuos es algo inherente a los procesos de producción y consumo. b) Ley de la
entropía, por la que la materia y la energía se degradan continua e irreversiblemente desde una
forma disponible a otra no disponible, o como diría Georgescu-Roegen (1975), “al proceso
económico ingresan materiales de baja entropía que se transforman en materiales de alta
entropía” c) La tercera noción presenta una doble vertiente. La primera es la imposibilidad de
generar más residuos de los que puede tolerar la capacidad de asimilación de los ecosistemas; la
segunda advierte sobre la imposibilidad de extraer de los sistemas biológicos más de lo que se
puede considerar como rendimiento sostenible o renovable. Es por esto que se deben poner
límites a la actividad humana y su economía como fruto de un conocimiento profundo y certero
de la estructura y el funcionamiento de los ecosistemas naturales. Toda esta disciplina surge con
el reconocimiento de que la degradación de la materia–energía se produce continua e
irrevocablemente en una sola dirección, por tanto no puede explicarse por la mecánica.
4.2 Sostenibilidad
La aplicación de los conceptos de economía ecológica necesariamente debe dirigir nuestra
sociedad hacia el desarrollo sostenible, y es por esto que Constanza (1991), define la economía
ecológica como la ciencia de la gestión de la sostenibilidad; pero la sostenibilidad de los sistemas
en el tiempo depende de los intercambios en el entorno físico que no son analizados por los
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economistas, por eso la economía ecológica trata de extender su objeto a aquellas partes del
proceso físico de producción que no eran tenidas en cuenta (Naredo Pérez, 1994).Una gestión que
además de ser económica pretenda ser sostenible debe tener en cuenta que los residuos generados
dependen de los recursos utilizados en los procesos, por lo que la preocupación por la viabilidad
de un sistema debe abordar conjuntamente ambos extremos (Naredo Pérez, 1994).
La actividad económica se alimenta de fuentes energéticas cuyos depósitos pueden agotarse
dependiendo de la intensidad del uso. De ahí la necesidad de gestionar el patrimonio energético
para asegurar su reproducción y desarrollo; estructurar los flujos energéticos mediante el trabajo
y la información, para satisfacer las necesidades sociales del ser humano, con el menor costo
social, económico y energético, tal como es la esencia de la economía (Passet, 1994).
4.3 El Agroecosistema
El análisis de la naturaleza se basa en los sistemas abiertos, en estos existe un continuo flujo de
materia y energía entre sus componentes y con el entorno. El sistema básico para analizar los
procesos que ocurren en la naturaleza sin intervención de la actividad humana se llama
ecosistema, el cual puede acumular y producir una cantidad de energía en forma de materia
orgánica, que sufre variaciones cíclicas y tendenciales en el tiempo. La introducción de cultivos
en ellos conforma una estructura denominada agroecosistema (Moreno P. G., 2001).
La producción agrícola depende básicamente del proceso de la fotosíntesis, dicho proceso,
depende de la disponibilidad de condiciones físicas y biológicas presentes en el medio como la
radiación solar, el agua, el clima y el suelo y las características ecofisiológicas de la misma
vegetación, las cuales cambian en el espacio y en el tiempo (Moreno P. G., 2001).
En los agroecosistemas interactúan una serie de componentes físicos primarios básicos para el
desarrollo de las plantas, que se potencian con una serie de insumos culturales, para mejorar la
productividad económica con el objetivo de que la actividad sea rentable y trascienda las
fronteras nacionales, atendiendo cada vez un mayor número de población (Moreno P. G., 2001).
Dentro de los componentes físicos primarios mencionados por Moreno (2001) se encuentran:
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El componente hídrico. Es uno de los elementos utilizados en los procesos de crecimiento y
desarrollo de la planta, en la fotosíntesis y en especial, para el transporte de los nutrientes
necesarios para sus diferentes órganos; cuantificada por medio de la evapotranspiración. Su
disponibilidad está relacionada con el balance hídrico de cada región, con las características de la
cuenca hidrográfica y las tecnologías para su manejo y suministro.
El componente suelo. Sirve como fuente de minerales y es soporte físico para las plantas; su
potencial para la producción agrícola está en función de sus propiedades físico-químicas y
biológicas; como variable exógena de su configuración superficial se considera la topografía.
Son inherentes al proceso productivo ciertas características secundarias de tipo biológico y
socioeconómico que se expresan al establecer si los cultivos son de tipo determinado e
indeterminado; en la estacionalidad de la producción, y en los riesgos en el proceso productivo de
tipo climático, fitosanitario y socioeconómico.
Para diferenciar y caracterizar los agroecosistemas se tienen en cuenta parámetros tales como: el
tipo y forma de cultivo, sistemas de uso del suelo, patrones tecnológicos y grados de utilización
de maquinaria y equipos, abastecimiento y uso de agua, sistema de rotaciones, forma y grado de
vinculación laboral, grado de penetración al mercado de los insumos y de los productos finales
(Machado & Torres, 1991).
Los agroecosistemas se han clasificado de diversas formas; Agricultura migratoria, Agricultura
tradicional de bajo rendimiento, Agricultura tradicional de moderado rendimiento, Agricultura
tradicional mejorada, Utilización moderada de tecnología, Utilización intensiva de tecnología,
Utilización especializada de tecnología (Tolba, 1992).
La clasificación más simple se denota en el documento del IDEAM “El Medio Ambiente en
Colombia”, según este, los sistemas de producción se pueden agrupar en Agricultura campesina,
agricultura migratoria, agricultura extensiva y agricultura intensiva (IDEAM, 2001).
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4.4 El Sistema termodinámico según Sonntag & Gordon (1979)
Un sistema termodinámico se define como una cantidad de materia fija sobre la cual se enfoca la
atención para su estudio sujeto a cambios de las propiedades que lo definen. Este sistema está
separado por sus límites o fronteras los cuales pueden ser movibles o fijos, en respuesta a sus
interacciones internas o con el medio exterior.
Cuando varían una o más de las propiedades de un sistema, se dice que ha ocurrido un cambio en
su estado; para el caso de los sistemas agrícolas, estas variaciones están en función de la actividad
natural y de la intervención humana; aunque en los procesos naturales y especialmente en los
antrópicos se conserva en forma global la energía, pero por la característica de irreversibilidad, se
mantiene la tendencia a su degradación.
La termodinámica aplicada a la actividad agrícola en una dimensión ambiental, se manifiesta en
la forma como una sociedad, utiliza y maneja tanto los recursos naturales y culturales en sus
cultivos, como los productos, subproductos y residuos; de convertirse estos últimos en desechos,
resultarían de la incapacidad humana de involucrarlos en los procesos naturales.
Por esto la energía útil será aquella que está contenida en los productos agrícolas que la sociedad
comercializa sumada a la biomasa restante que se incorpora al ciclo de materiales y a los flujos de
energía. La energía desaprovechada, es aquella que se disipa a destinos distintos a los originales;
esta biomasa convertida en desecho contiene una cantidad de energía que la sociedad no está
aprovechando, generando una pérdida energética, ecológica y económica y agregando desorden y
entropía al entorno, consolidando procesos de contaminación y pérdida de rentabilidad en el
tiempo.
4.4.1 Energía y trabajo
La energía puede transmitirse de un sistema a otro mediante el trabajo y el calor. Cuando se trata
la termodinámica desde un punto de vista macroscópico, se debe enlazar la definición de trabajo
con los conceptos de sistemas, propiedades y procesos; donde W representa el trabajo realizado
por un sistema.
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En los agroecosistemas, las actividades antrópicas se pueden estimar en términos de la energía
suministrada en los insumos culturales: maquinaria, fertilizantes, plaguicidas, tecnología, entre
otros; los cuales afectan cada vez más la posibilidad de alcanzar los estados de equilibrio. Una
tendencia obvia de sostenibilidad en un sistema agrícola, está orientada a que dentro del balance
de energía en términos de trabajo se produzca una determinada cantidad de energía permanente
con base en la oferta natural, empleando mínimas inversiones energéticas del entorno,
produciendo la mayor cantidad de trabajo útil.
En síntesis, la energía es un indicador de sostenibilidad; un uso y asignación ineficiente e
inequitativa de la energía en la actividad económica producto de paradigmas socioeconómicos y
marcos de política sesgados sin ética ambiental genera efectos irreconciliables en la relación
ecosistema-cultura.
4.4.2 Calor
En termodinámica se define calor como la forma de energía que se transmite a través de la
frontera de un sistema que está a una temperatura mayor, en relación con otro sistema que
presenta una temperatura inferior; esta transferencia se realiza en virtud de la diferencia de
temperatura entre los dos sistemas, hasta que se establezca el equilibrio entre ellos; en ese
momento deja de haber transmisión de calor y se llega al equilibrio térmico.
El calor positivo representa energía que entra a un sistema, y un calor negativo representa energía
que sale de un sistema. El símbolo Q se emplea para representar el calor. En este sentido un
indicador de la sostenibilidad es el de mantener un balance adecuado de calor frente a la demanda
de energía del agroecosistema.
Se puede considerar a la radiación electromagnética del sol, al calor transferido por el aire y el
agua, y al balance térmico del suelo como las formas de calor más importantes para su análisis
energético. Estas formas de energía, son importantes cuando se analiza el efecto energético del
medio sobre los estados de equilibrio de los agroecosistemas.
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4.5 Flujos de materia y energía en los agroecosistemas.
Según Gladys Moreno (2001), en un sistema natural, el flujo se inicia con la entrada de los rayos
solares al sistema, fijada por la planta a través de la fotosíntesis produciendo energía que es
utilizada para obtener compuestos orgánicos esenciales que luego se incorporaran al suelo.
Los flujos se reparten entre las entradas del medio ambiente y la retroalimentación proveniente de
la economía, que inicia con la preparación del suelo, y la entrada de bienes que van desde la
aplicación de fertilizantes, plaguicidas y maquinaria.
La agricultura utiliza los insumos primarios del medio ambiente y los productos de otros sectores
económicos para transformarlos en productos finales o intermedios que fluyen hacia los
mercados y en retribución la agricultura obtiene recursos que se reinvierten para el pago a los
factores productivos, para la compra de insumos como el combustible, maquinaria y fertilizantes
y para otras actividades que generen rentabilidad. Algunos de los diversos subproductos de estos
procesos se reutilizan y los que no, se convierten en contaminantes.
Figura 1. Flujo de materiales y energía en la actividad agrícola.
Tomado de Moreno (2001).
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4.6 Balances termodinámicos
Los principales balances enunciados por Janna & Betanncourt (1992) son: El balance de materia,
de energía, de entropía, entre otros. La aplicación de estos modelos depende de la información
disponible requerida para el análisis de los procesos dentro de este contexto.
4.6.1 El balance de materia, Moreno, 2001.
Establece la ley de la conservación de la materia y define que la cantidad de materia que entra a
un sistema es igual a la cantidad de materia que sale más la acumulación de masa dentro del
sistema estudiado. Si este enunciado se analiza a la luz del proceso productivo actual de
alimentos basado en el uso permanente de la oferta natural, con una estructura socioeconómica y
política determinada, se tiene que:
RN + PS = P + (S + D)
Donde, RN, representa las entradas de ofertas de la naturaleza a través de los ecosistemas, PS son
otros productos de otros procesos que se necesitan para hacer eficiente y rápida la producción de
la naturaleza, como fertilizantes, distritos de riego, semillas mejoradas, plaguicidas, energía
animada y maquinaria, generalmente se denominan formas de materia subsidiadas al
agroecosistema.
Las salidas de materia están asociadas con P como las unidades de producto principal
comercializables, S son los subproductos como bagazo de caña, pulpa de café, hojas y tallos que
quedan en los lugares de cosecha o beneficio y D son los desechos.
21
4.6.2 Balance de energía
Según la primera ley de la termodinámica, el flujo de energía que entra a un sistema más el calor
transferido del entorno es igual al flujo de energía que sale, más el trabajo producido por el
sistema, más la energía acumulada dentro del sistema.
ES + ESE + EH+ EAN= EP + ESU + ED1 +ED2+ EA
Donde las entradas son: ES, la energía asociada a los recursos naturales principalmente energía
solar, ESE, subsidios energéticos, EH es la energía humana utilizada y EAN es la energía animal
Respecto a las salidas de energía, EP es la energía asociada al producto comercial, representa la
productividad del sistema, ESU es la energía asociada a los subproductos, ED1 es la energía
asociada a los desechos de biomasa, ED2 es la energía asociada a los desechos de los subsidios
energéticos y que generalmente son factor de contaminación, y EA es la energía acumulada
dentro del sistema. El esquema general de balance se muestra en la figura 2.
Figura 2. Balance de energía.
Tomado de Moreno (2001).
Para el balance de entropía, la entropía que entra es igual al flujo de entropía saliente más la
entropía generada, más la acumulada dentro del sistema.
22
4.7 Estructura del Modelo de Flujos de Energía en el Agroecosistema
Al igual que en enfoque de sistemas, el modelo de flujos de energía en la actividad agrícola se
fundamenta en tres componentes: Entradas de insumos, transformaciones y salidas del sistema.
Figura 3. Modelo de flujos de energía en el agroecosistema.
Adaptado de Moreno (2001).
4.8 Definiciones del Modelo
Energías que ingresan al sistema
Energía solar: Con la que las plantas producen energía alimenticia.
Energía Humana: Requiere de energía alimenticia para su desarrollo fisiológico y para poder
realizar un trabajo.
Energía animal: Requiere de energía alimenticia para su desarrollo físico y para realizar trabajo.
Energía alimenticia: Es un insumo externo, auxiliar que se utiliza para el sostenimiento y
desarrollo del trabajo por la población que labora en los campos de cultivo y los animales que se
utilizan en las labores.
23
Energía de potencia: Combustibles que se utilizan para las máquinas.
Energías indirectas: Aquellas producidas fuera de la actividad agrícola, especialmente en la
actividad industrial, pero son utilizadas en el proceso de desarrollo del cultivo,
Transformaciones dentro del sistema agrícola
Las transformaciones que suceden en el desarrollo del cultivo implican una serie de
transferencias de energía, dentro de las cuales se encuentran:
• La transformación de la energía solar en energía química de las plantas.
• La transformación de la energía química de los alimentos a la energía humana y animal
para su desarrollo fisiológico y para poder desarrollar un trabajo.
• La transformación de la energía de potencia de los combustibles para lograr que las
máquinas funcionen.
Salidas de energía
Los productos de la cosecha, de la cual solo una parte es comercial como bien final o como bien
intermedio requiriendo transformaciones previas a llegar al consumidor final (Moreno P. G.,
2001).
La biomasa restante, es decir la que no se comercializa en los mercados; no debería convertirse
en desperdicio, sino incorporada al suelo en los nuevos procesos productivos, de no ser así, indica
incapacidad humana de interactuar equilibradamente con la naturaleza.
Las ineficiencias generadas en el proceso productivo, son de 3 tipos: a) De energía en los
procesos físicos, ineficiencia en el proceso de fotosíntesis, b) Biológico, con la conversión de los
productos alimenticios tanto de animales, como por los humanos y c) Mecánicos, con la
conversión de los combustibles por la maquinaria. La energía se degrada y se degenera en forma
de calor y contribuye con el desequilibrio permanente del sistema (Moreno P. G., 2001).
Cambios en la calidad de los recursos naturales, generados por el uso y la intensidad de uso de los
insumos culturales y el nivel de compatibilidad entre las prácticas culturales y las características
de los recursos naturales.
24
Cambios en la calidad de vida humana: Están determinados por la manera como la sociedad
asigna los factores productivos, en términos de eficiencia y equidad. Al mismo tiempo, los
cambios producidos en la calidad de los recursos naturales como consecuencia de las actividades
humanas, termina afectando la salud y bienestar humano (Moreno P. G., 2001).
La concepción de balance es:
Entradas = Salidas
Xt = (St)
Donde:
Xt: Son las entradas totales de insumos o energías
St: Salidas de energía
4.8.1 Entradas al sistema
Las entradas totales de insumos están representadas por Xt, que se divide en recursos naturales
(RN) y recursos culturales (RC):
Xt = RN + RC
Insumos naturales (RN): La energía de los recursos naturales (RN), proviene básicamente de la
radiación solar (Xrs), del consumo real de agua (Xag), de las características físicas, químicas y
biológicas del suelo (Xsue); entonces:
RN = Xrs + Xag + Xsue
Insumos culturales (RC): Las variables de balance que representan esta etapa son: energía
humana (Xeh), energía animal (Xean), energía en las semillas (Xsem), energía en sistema de
riego (Xrg), energía en fertilizantes químicos (Xf), energía en plaguicidas (Xplag) y energía en
maquinaria (Xmaq).
RC = Xeh + Xean + Xsem + Xrg + Xf + Xplag + Xmaq
25
4.8.2 Transformaciones dentro del sistema
En las interacciones entre variables naturales y culturales. La energía en los recursos culturales
(RC), se divide en dos categorías: Energía Animada (XAN) y energía inanimada (XIN);
entonces:
RC = XAN + XIN
En términos de energía animada e inanimada, las interacciones de las variables naturales y
culturales se analizan por tipo de actividad, cuadro 1.
Cuadro 1. Actividades culturales realizadas para la producción de forrajes y las formas de
energía utilizadas.
ACTIVIDADES O PRÁCTICAS
CULTURALES.
FORMAS DE ENERGÍA UTILIZADAS
ANIMADA INANIMADA
Energía en preparación del suelo
Energía humana Energía animal Energía mecánica
Energía en siembra Energía humana Energía animal Energía en las semillas
Energía mecánica
Energía en labores culturales:
Infraestructura de riego
Energía humana Energía animal
Energía electromecánica, potencial
Control de plantas competidoras
Energía humana Energía animal
Energía mecánica Energía química
Control de insectos y enfermedades
Energía humana Energía animal
Energía mecánica Energía química
Fertilización Energía humana Energía animal
Energía mecánica Energía química
Energía en cosecha Energía humana Energía animal Energía mecánica
Adaptado de Moreno (2001).
26
La energía animada (XAN) proviene de trabajo humano (Xeh), de trabajo animal (Xean) y de las
semillas utilizadas (Xsem); entonces:
RC = (Xeh + Xean + Xsem) + XIN
La energía inanimada (XIN) proviene de energía electromecánica (sistema riego, Xrg), energía
potencial (sistema de riego con gravedad), de la energía química (Fertilizantes, Xf, y plaguicidas
Xplag) y de la energía mecaniza (maquinaria agrícola, Xmaq), entonces:
XIN = Xrg + (Xf +Xplag) +Xmaq
Por lo tanto.
RC = [(Xeh + Xean + Xsem)] + [Xrg + (Xf +Xplag) +Xmaq]
Desagregando las energías inanimadas:
Xf: energía de los fertilizantes se clasifica en:
Xfn: energía de los fertilizantes nitrogenados
Xfp: energía de los fertilizantes fosforados
Xfk: energía en fertilizantes potásicos
Xplag: es la energía de los plaguicidas; se dividen en:
Xplag1: Energía en insecticidas
Xplag2: Energía en herbicidas
Xplag3: Energía en fungicidas
Xmaq: es la energía de la maquinaria agrícola
Xmaq1: Energía en tractores
Xmaq2: Energía en combinadas
27
Xmaq3: Energía en aeronaves de fumigación
Entonces:
RC = [(Xeh + Xean + Xsem)] + [Xrg + ((Xfn + Xfp + Xfk) + (Xplag1 + Xplag2 + Xplag3))
+(Xmaq1 + Xmaq2 + Xmaq3)]
Es necesario determinar el uso energético animado e inanimado en relación con los recursos
culturales que entran al sistema:
• Energía en infraestructura de riego = [(Xeh + Xean) + (Xrg)]
• Energía en preparación del suelo = [(Xeh + Xean) + (Xmaq1)]
• Energía en siembra = [(Xeh + Xean + Xsem) + (Xmaq1)]
• Energía en labores culturales = {(Xeh + Xean) + [(Xmaq1+Xmaq3) + (Xfn + Xfp + Xfk)
+ (Xplag1 + Xplag2 + Xplag3)]}
• Energía en cosecha = [(Xeh + Xean) + (Xmaq1 + Xmaq2)]
El balance energético, con la desagregación correspondiente en las entradas de insumos en
términos de energía animada e inanimada, quedaría:
(Xrs + Xag) + (Xeh + Xean + Xsem) + Xrg + (Xfn + Xfp + Xfk) + (Xplag1 + Xplag2 +
Xplag3) + (Xmaq1 + Xmaq2 + Xmaq3)) = St
El cuadro 2 muestra las variables de balance que componen las entradas al sistema y sus unidades
de medida iniciales que luego se convierten en unidades energéticas, es decir la cantidad asociada
de energía por unidad de masa; excepto la radiación solar que de hecho es una energía lumínica
sin masa.
Cuadro 2. Entrada de recursos naturales y culturales al sistema.
Código Variables Unidad de medida
Recursos naturales
Xrs Energía Solar kWh/ha. año
Xag Necesidad de agua mm/ha. año
Xsue Características del suelo a
28
medir
• Físicas Volumen de suelo (m3)
• Químicas Niveles de K2O, Ca, fosfatos Intercambio catiónico
Recursos culturales
Xeh Energía humana Horas – humano (hs-H)
Xean Energía animal Horas – animal (hs-A)
Xsem Energía en las semillas Kg/ha
Xrg Energía en sistema de riego HP hs, kWh
Xfn Fertilizante nitrogenado Toneladas (Tn)
Xfp Fertilizante fosforado Toneladas (Tn)
Xfk Fertilizante potásico Toneladas (Tn)
Xplag1 Insecticidas Toneladas (Tn)
Xplag2 Herbicidas Toneladas (Tn)
Xplag3 Fungicidas Toneladas (Tn)
Xmaq1 Máquinas agrícolas: tractores HPh
Xmaq2 Maquinas agrícolas: Cosechadoras HPh
Adaptado de Moreno (2001).
4.8.3 Salidas del sistema
Como resultado de las interacciones entre los recursos naturales y culturales se generan unas
salidas: la biomasa comercial que representa el objetivo concreto de la actividad agrícola, y otras
que generan cambios en la calidad de los recursos traducidas en forma de almacenamiento. Al
respecto se describen las salidas posibles, su aproximación cuantitativa depende de la
información disponible.
Las variables que representan las salidas del sistema (St) son:
Yt: Producción total de biomasa
Donde:
29
Y1: Energía en el grano.
Y2: Energía en el tallo.
Y3: Energía en las hojas.
Y4: Energía en las raíces, tubérculos y
bulbos.
Y5: Energía en el fruto.
Y6: Energía en las flores.
El modelo con todas las subdivisiones en sus categorías de entradas y salidas queda:
(Xrs + Xag) + (Xeh + Xean + Xsem) + Xrg + (Xfn + Xfp + Xfk) + (Xplag1 + Xplag2 +
Xplag3) + Xmaq = (Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+ Y6)
4.8.4 Supuestos del modelo
Se trabaja con una hectárea de suelo como entrada y como salida.
Los cultivos transitorios tiene periodos vegetativos menores o iguales a un semestre; de ahí que
su cuantificación requiere el número de días del periodo vegetativo y numero de cosechas al año.
Los cultivos permanentes se contabilizan con 365 días puesto que el balance es anual.
Para el análisis de sostenibilidad desde la perspectiva energética, la energía incorporada en cada
una de las variables de salida se categoriza en términos de energía útil (EUTIL), que es aquella
que genera trabajo útil materializado en productos básicos para la mayoría de la sociedad y
energía no aprovechada en el sistema (ENOAPR) que es la que genera la mayor parte de los
efectos ambientales, por ser índice de irreversibilidad y de entropía.
La relación entre la energía útil y la energía no aprovechada por el sistema, es un indicador de
presión al medio ambiente por parte de la actividad agrícola.
La energía útil es aquella energía contenida en la biomasa que se comercializa. La biomasa que
no se transa en el mercado y que se incorpora al suelo es energía útil, pero no se contabiliza por
considerarse una retribución natural al recurso después de un proceso productivo. Si se incorpora
30
su valor energético al balance, lo sistemas agrícolas, serían casi siempre sostenibles, por ser su
valor muy alto. Sin embargo, si esta biomasa no se incorpora en el suelo y se destina a un uso
ambiental inadecuado, se contabiliza como energía no aprovechada en el sistema.
Entonces.
(a) Energía útil (EUTIL) = Yot + Ycf
Donde:
Yot: Biomasa incorporada en otros procesos productivos agrícolas o industriales
Ycf: Biomasa para consumo final
(b) Energía no aprovechada en el sistema (ENOAPR) = Yd
Donde:
Yd: Biomasa que no es aprovechada adecuadamente en el sistema
(c) Salidas del sistema = Energía útil + Energía no aprovechada
Salidas = (Yot + Ycf) +Yd
4.8.5 Condiciones generales de sostenibilidad desde la perspectiva termodinámica
Para lograr un juicio sobre la tendencia del sistema hacia la sostenibilidad desde la perspectiva
energética, se requiere la aplicación del modelo en un periodo amplio de tiempo; si no es así, el
análisis es coyuntural y responde básicamente a la eficiencia termodinámica del sistema en un
momento determinado del proceso productivo.
Si EUTIL es > ENOAPR, el sistema es sostenible cualificado de la siguiente manera:
• Si la EUTIL es > entre 80 y 100% a la ENOAPR: el sistema es altamente sostenible
• Si la EUTIL es > entre 60 y 79% a la ENOAPR: el sistema es moderadamente sostenible
• Si la EUTIL es > entre 40 y 59% a la ENOAPR: el sistema es medianamente sostenible
31
• Si la EUTIL es > entre 20 y 39% a la ENOAPR: el sistema presenta sostenibilidad baja.
• Si la EUTIL es > entre 0 y 19% a la ENOAPR: el sistema presenta sostenibilidad mínima.
Si EUTIL es < ENOAPR, el sistema es insostenible cualificado de la siguiente manera:
• Si la EUTIL es < entre 0 y 20% a la ENOAPR: el sistema presenta una insostenibilidad
baja
• Si la EUTIL es < entre 21 y 40% a la ENOAPR: el sistema presenta una insostenibilidad
media
• Si la EUTIL es < entre 41 y 60% a la ENOAPR: el sistema presenta una insostenibilidad
alta
• Si la EUTIL es < entre 61 y 80% a la ENOAPR: el sistema presenta una insostenibilidad
crítica
• Si la EUTIL es < entre 81 y 100% a la ENOAPR: el sistema presenta una insostenibilidad
total (irreversibilidad)
4.8.6 Indicadores energéticos de sostenibilidad.
• Eficiencia cultural = Salidas útiles/entradas culturales
Eficiencia cultural = Yutil / [(Xeh + Xean + Xsem)+ Xrg + (Xfn + Xfp + Xfk) + (Xplag1 +
Xplag2 + Xplag3) + (Xmaq1 + maq2 + maq3)]
• Eficiencia natural = Salidas útiles/entradas naturales
Eficiencia natural = Yutil / (Xrs2 + Xag)
• Eficiencia total = Salidas útiles/ energía natural + energía cultural
Eficiencia Ecológica = Yutil / [(Xrs + Xag) + (Xeh + Xean + Xsem)+ Xrg + (Xfn + Xfp +
Xfk) + (Xplag1 + Xplag2 + Xplag3) + (Xmaq1+maq2 + maq3)]
• Sostenibilidad energética de la actividad: Energías animadas > Energías inanimadas (XAN >
XIN)
(Xeh + Xean + Xsem) > [Xrg + (Xfn + Xfp + Xfk) + (Xplag1 + Xplag2 + Xplag3) +
(Xmaq1+Xmaq2+Xmaq3)]
• Relación insumo/producto en términos energéticos
32
5. METODOLOGÍA
5.1 Ubicación
Este trabajo se llevara a cabo en un banco forrajero mixto de la granja Villa Dana (1°36’23,18’’N
y 75°34’41,93’’O), ubicada a tres kilómetros por la vía que de Florencia conduce al municipio de
la Montañita a 310 msnm, en el departamento del Caquetá.
5.2 Descripción agroecológica del sistema
El sistema objeto de análisis será un banco forrajero mixto BFM, establecido en 2 has de la
cuales el 70% está destinado a pastos de corte y caña y 30% a banco de proteínas; el sistema está
compuesto por los subsistemas: Caña (Sacharum sp.), mombasa (Panicum máximum), cuba 22
(Pennisetum sp.), botón de oro (Tithonia diversifolia), morera (Morus alba), cratylia (Cratylia
argéntea), moringa (Moringa oleifera) y matarratón (Gliricidia sepium).
La zona en la que está ubicada el sistema se clasifica como bosque húmedo tropical (bh-T), entre
250 y 400 msnm, con una precipitación promedio de 3.600 mm anuales, temperatura de 26°C
diaria y humedad relativa del 80% (Suárez et al. 2008).
El brillo solar totaliza 1.558 horas al año y la radiación solar 4.553 W/m2.día con un Coeficiente
de Correlación (R=0,92). En ambos casos estas variables ocurren por debajo de la mitad del
máximo posible indicando alta nubosidad en el área. El promedio anual de irradiancia alcanza un
45.5% del máximo valor en el límite de la atmósfera. El periodo seco de noviembre a enero
aporta 26.9 % al total anual y los meses lluviosos de Mayo a julio un 22.2%. El fotoperíodo
fluctúa alrededor de las 12 horas. La temperatura media anual es de 24,9°C con una variación
estacional de 2,4°C, con importantes fluctuaciones diarias alrededor de los 9°C. Las temperaturas
mínimas y máximas medias anuales alcanzan 20,2 y 29,4°C, respectivamente. El Coeficiente de
Correlación entre la Radiación Solar y la Temperatura es de (R=0,79) (Reyes Guzman & España
Aristizabal, 2008).
33
Según la caracterización socio-ambiental de la zona de estudio (IGAC, 1993) esta es una zona de
montaña, con clima cálido y húmedo, con tipo de relieve creston; en la zona hay suelos de
fertilidad baja, arcillosos, con baja disponibilidad de oxigeno; fuertemente ácidos a muy ácidos,
con bajo contenido de bases totales, y bien a excesivamente drenados.
5.3 Materiales
Para el desarrollo de esta investigación se requerirán fuentes de información primaria que será
suministrada por el asesor técnico del BFM y los diferentes actores del mismo por medio de
encuestas semiestructuradas, visitas de campo e información obtenida de análisis físico químico
de suelos; fuentes de información secundaria como las estadísticas históricas del IDEAM, el
IGAC y bibliografía general que incluirá también fuentes terciarias, cuya utilización permitirá
ahorrar tiempo y recursos en la investigación.
Se requerirá de herramientas de tipo agrícola de uso general en el manejo de corte y acarreo de
forrajes, materiales de recolección de información como libretas y formatos de campo, equipo
fotográfico; GPS y herramientas para muestreo de suelos.
5.4 Métodos.
5.4.1 Variables representativas del agroecosistema
Con base en las características de los procesos productivos del BMF se determinaran las variables
de balance y de contexto, las cuales se medirán o calcularan según sea el caso. Para este trabajo
se utilizará el modelo implementado por Moreno (2001) que podrá sufrir modificaciones según
las características propias del BMF.
34
5.4.2 Cuantificación de las variables del modelo
Las diferentes variables deben ser expresadas en unidades convenientes para su transformación
energética; estas variables con sus medidas iniciales conformaran el balance de materiales;
posteriormente se expresaran en unidades homogéneas de energía (kilocaloría/ha. año).
5.4.2.1 Entradas
Recursos naturales (RN)
Xrs: Radiación solar: Esta variable se analizara en dos sentidos: el primero es la radiación
ambiental en la región donde se cultiva y el segundo es la radiación efectivamente tomada por la
planta para el proceso de fotosíntesis.
(1) Xrs1. La radiación ambiental (Lasso citado por Moreno 2001).
Cada cultivo exige un comportamiento específico de la radiación solar ambiental o del entorno y
de ella solamente toma la planta un pequeñísimo porcentaje para el proceso de fotosíntesis.
Para cultivos transitorios:
Xrs1 = Radiación solar del área cultivada (promedio diario anual, en kWh/m2) factor de
conversión * periodo vegetativo * número de cosechas
Factor de conversión de kWh/m2 a Kcal/ha: 86 x 105
Para cultivos permanentes:
Xrs1 = Radiación solar del área cultivada (promedio diario anual, en kWh/m2) * factor de
conversión * 365 días
(2) Xrs2: Radiación efectiva
Xrs2 = Xrs1 * % radiación tomado por la planta
(3) Xag: Consumo real de agua por parte del cultivo
35
Para el balance se requiere el consumo de agua antrópico utilizado en el cultivo, es decir, aquel
que culturalmente el cultivador utiliza para el desarrollo del cultivo. El consumo de agua que
requiere el cultivo para sus procesos físicos y químicos es el consumo óptimo.
Xag = Precipitación efectiva en el área de cultivo (en m3/ha.año) + Uso de agua de riego (en
m3/ha. año) * factor de conversión a kcal/ha.año
La precipitación efectiva se define como la cantidad o el porcentaje de precipitación que
realmente queda en el suelo como humedad; el cual depende de las características del suelo y de
la intensidad de la lluvia.
(4) Xsue: energía en suelos
Se trabajara con una hectárea de suelo como entrada.
Recursos culturales (RC)
RC = XAN + XIN
Donde:
XAN: energía animada
XIN: energía inanimada
Energía animada (XAN) = Xeh + Xean + Xsem
Donde:
Xeh: energía humana
Xean: energía animal
Xsem: energía en semillas
(5) Xeh: Trabajo humano
36
Xeh = Número de horas de trabajo humano al año/hectárea sembrada o cosechada * potencia
media humana (W)
Se estima en 75 W la potencia media que puede desarrollar una persona (IDEE-JUNAC-CEPAL,
1987)
(6) Xean: Trabajo animal
Xean = Número de horas de trabajo animal al año/hectárea sembrada o cosechada * potencia
media animal.
La potencia estimada que puede desarrollar un animal de labranza es de 0.6 a 1.0HP. (IDEE-
JUNAC-CEPAL, 1987)
(7) Xsem: Energía en semillas utilizadas
La energía consumida en la producción de semillas comprende: su cultivo, insumos utilizados,
selección y comercialización. En el caso de semillas mejoradas, en promedio contienen 25
Kcal/kg. (Coeficiente)
Xsem = densidad de siembra (en kg./ha) * Coeficiente energético
Energía inanimada (XIN) = Xrg + (Xf + Xplag) + Xmaq
(8) Xrg: Energía utilizada en sistema de riego
Xrg = Número de horas regadas/ha-año * potencia del sistema de riego utilizado (Gravedad,
bombeo, goteo, etc.) (En KWh) * Factor de conversión.
Cuando el sistema utilizado es el de gravedad, se utiliza la energía potencial como medida, así:
Energía potencial = mgh
Donde:
m: Es la cantidad de agua utilizada (en l/kg/seg.)
g: gravedad (= 9.8 m/seg2)
37
h: Altura (en m)
(9) Xf: Energía en Fertilizantes químicos
Fertilizante es un material orgánico e inorgánico, natural o sintético que suministra a las plantas
los elementos químicos que necesitan para su desarrollo.
Esta variable resulta de determinar la cantidad de energía necesaria para fabricar una unidad de
producto más la energía química utilizada en el proceso agrícola.
Entonces:
Xfn = Cantidad de fertilizante nitrogenado utilizado en un cultivo (en kg./ha.año) * Coeficiente
energético
Xfp = cantidad de fertilizante fosforado utilizado en un cultivo (en kg./ha.año) * coeficiente
energético
Xfk = Cantidad de fertilizante potásico utilizado en un cultivo (en kg/ha.año) * coeficiente
energético
Para establecer la cantidad de energía necesaria para fabricar una unidad de producto químico, se
adoptan los coeficientes estimados por Alich, John and Inman R.E. en el artículo “Energy from
agriculture- The most economic method of large scale solar energy conversion” de la revista
inglesa “Energy” Agosto de 1975;
(N) Nitrógeno: 15,600 Btu/lb que equivalen a 8,580 kcal/kg
(P) Fósforo: 6,019 Btu/lb que equivalen a 3,310 kcal/kg
(K) Potasio: 4,158 Btu/lb que equivalen a 2,287 kcal/kg
(10) Xplag: Energía en plaguicidas
Para establecer la cantidad de energía necesaria para fabricar una unidad de producto químico, ya
sea insecticida, herbicida o fungicida, se adopta como coeficiente 22,000 kcal/kg, utilizado en los
mismos estudios (IDEE-JUNAC-CEPAL, 1987):
38
Xplag1 = Cantidad de insecticidas utilizados en un cultivo (en kg./ha.año) * coeficiente
energético
Xplag2 = Cantidad de herbicidas utilizados en un cultivo (en kg./ha.año) * coeficiente energético
Xplag3 = Cantidad de fungicidas utilizados en un cultivo (en kg./ha.año) * coeficiente energético
(11) Xmaq: Energía en maquinaria agrícola
Se toma como referente en esta variable, tres tipos de maquinas:
Tractores (Xmaq1), combinadas (Xmaq2) y aeronaves de fumigación (Xmaq3)
Xmaq1 = Número de horas-máquina utilizadas en tractores (en horas/año.hectárea) * potencia
media del equipo * factor de conversión
Xmaq2 = Número de horas-máquina utilizadas en combinadas (en horas/año.hectárea)* potencia
media del equipo * factor de conversión
Xmaq3 = Número de horas-máquina utilizadas en aeronaves de fumigación (en
horas/año.hectárea)* potencia media del equipo * factor de conversión
5.4.2.2 Salidas del sistema (St)
St = (EUTIL + Yd)
(12) Yt: Energía incorporada en la biomasa total
En primer término se establece la biomasa total/hectárea en toneladas o kilogramos y luego se
transforma a unidades energéticas.
a) Yt = Crecimiento promedio de la planta (en gr/m2/día) * periodo vegetativo (en número de
días promedio para cultivos transitorios o 365 días para cultivos permanentes) * 6 horas de luz
solar diario recibidas por la planta.
Energía incorporada en la biomasa (kcal/ha.año) = Biomasa total (kg/ha.año) * coeficiente
energético
39
Es necesario tener en cuenta que cada cultivo contiene valores energéticos diferentes; de ahí que
lo coeficientes energéticos varíen; estos coeficientes energéticos por lo regular se estiman a partir
del número de calorías existentes como si fueran quemadas en una bomba calorimétrica
(Whittaker, 1975).
Resulta de gran valor descomponer el producto agrícola que se comercializa en términos del
manejo que se le da a cada una de sus partes al salir del área de siembra; de esta manera, las
informaciones presentan mejores órdenes de magnitud; de no contar con esos datos se asume que
el producto comercial agrícola en su totalidad es salida o energía útil.
b) La biomasa comercial (Ycial) y la restante (Yr) que no se comercializa se debe clasificar en las
siguientes categorías:
Ye: Biomasa que ingresa nuevamente al proceso nutriendo el suelo, que en su dinámica termina
incorporándose al ciclo del carbono.
Yot: Biomasa incorporada a otros procesos productivos.
Ycf: Biomasa para consumo final.
Yd: Biomasa desaprovechada.
c) Finalmente se ordenan en términos de energía en biomasa útil (Yutil) y Energía en biomasa no
aprovechada (Ynoapr):
Yútil = Yot + Ycf
Ynoapr = Yd
5.5 Flujo de materiales y energía para el BFM.
Se construirá el modelo de flujo de materiales y energía para el banco forrajero mixto BFM
basados en los criterios enfoque sistémico y la estructura general del modelo construido por
Moreno (2001).
40
5.6 Balance de energía del BFM
Habiendo definido y medido las variables y los flujos energéticos en el agroecosistema estudiado,
se determinara el balance de energía (Moreno P. G., 2001).
ES + ESE + EH+ EAN= EP + ESU + ED1 +ED2+ EA
5.7 Eficiencia energética del BFM
Eficiencia energética es la razón entre las unidades energéticas producidas y la energía invertida
en los insumos (Mora, Ramires, & Quiros, 2006), por lo tanto, teniendo en cuenta los datos
obtenidos y el balance de energía del banco forrajero mixto BFM, la eficiencia energética del
sistema estaría determinada por la relación que se establece entre la energía producida (salidas de
energía desde el sistema EE y el total de energía ingresada al sistema IE, donde se obtiene una
medida de la eficiencia energética del proceso analizado (Ef E: EE/IE) (Denoia & Montico,
2010).
Eficiencia energética (Ef E) Ef E = EE/IE
41
6. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
ACTIVIDADES A REALIZAR
MES
1 2 3 4 5 6 7 8
Ajustes jurados X X
Recolección de información X X
Observaciones de campo X X X X
Procesamiento de datos X X X X
Cuantificación de variables X
Resultados y discusión X
Informe final X
Sustentación X
42
7. PRESUPUESTO
DETALLE UNIDAD CANTIDAD VALOR
UNITARIO ($) TOTAL ($)
Bibliografía Libro 3 60,000 180,000
Internet horas 150 1,000 150,000
Papelería Resmas 2 8,000 16,000
Tinta Tóner 2 30,000 60,000
Material
fotográfico Impresiones 25 1,000 25,000
Grabaciones Pilas 12 3,000 36,000
Libreta Unidad 1 2000 2,000
Bolígrafos Unidad 6 1000 6,000
Entrevista
exploratoria Unidad 1 50,000 50,000
Encuesta Unidad 2 50,000 100,000
Visitas de
campo Visitas 10 20,000 200,000
Asesoría Unidad 30 50,000 1,500,000
Total 2,325,000
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8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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