miércoles, 30 de julio de 2014

La prensa se hace eco de nuestra investigación: modelos matemáticos y rendimiento del maíz en España


          Hace unos días se ha publicado en las noticias del CSIC nuestra reciente publicación en PLOS sobre el estudio de la dinámica espacio-temporal del rendimiento del maíz bajo efectos del Cambio Climático en España, comparando sistemas de regadío y secano. Por suerte nuestros hallazgos están teniendo mucho eco mediático; les dejo un trozo de la noticia y los principales resultados del estudio.

Un modelo matemático explica la dinámica de productividad de las cosechas de maíz
Un equipo de investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y de la Pontificia Católica Universidad de Chile ha desarrollado un modelo matemático para explicar y predecir la dinámica de productividad de las cosechas de maíz. Este trabajo se centra en la comparación del rendimiento de los cultivos de maíz con y sin riego ante los efectos combinados del cambio climático y la escasez de agua. El estudio se publica en la revista PLOS ONE. Enlace a la noticia en la página del CSIC.

El problema a resolver
            Para alimentar a una población mundial cada vez más numerosa debemos aumentar la producción agrícola. Dicho incremento está limitado por los efectos combinados del cambio climático y la escasez de agua. El reto es satisfacer la futura demanda de alimentos de manera sostenible.
            España es un “punto caliente” en las predicciones del calentamiento climático. Se predice menores disponibilidades de agua para el riego y eventos climáticos extremos, especialmente para la zona Mediterránea. Incluso, algunos estudios pronostican que se podría necesitar transladar los cultivos del maíz a zonas del norte del territorio Español.
            Para mitigar y adaptarse a ese nuevo escenario se necesita mejorar la gestión del agua de riego. En este sentido, hemos evaluado los efectos del cambio climático en los cultivos de secano y regadío, detectando qué provincias españolas se han visto amenazadas y en cuáles el riego fue efectivo a la hora de mitigar estos efectos adversos.



Objetivos específicos
  •       Determinar dónde y cómo la variabilidad climática (temperatura, precipitación, dióxido de carbono CO2) ha afectado la producción de maíz en España bajo condiciones con y sin riego. Este es el primer estudio que evalúa mediante modelos matemáticos los mecanismos biológicos invoucrados en la relación clima-cultivo.
  •       Cuantificar la importancia relativa de las variables climáticas en estas dos condiciones de manejo de agua. Se trata del primer estudio que compara el comportamiento de los sitemas de cultivo con y sin riego.
  •       Estimar el rendimiento potencial de cada provincia, bajo estas condiciones de manejo de agua, y evaluar las pérdidas de rendimiento potencial que se deben al estrés hídrico. Para este punto, hemos desarrollado una herramienta capaz de estimar el rendimiento potencial del maíz en cada provincia a partir de los datos históricos de los cultivos a nivel provincial. Esto es de especial importancia ya que el paso a seguir, y estamos trabajando en ello, será poder crear mapas con los rendimientos potenciales de cada provincia y así predecir qué zonas serán las más vulnerables y cuáles las más beneficiadas. Es decir, poder tomar decisiones de gestión a partir mapas espacio-temporales de producción.
Definición de las provincias de estudio con el porcentaje de producción respecto al total nacional para el período 1996-2009. Solo se han considerado aquellas provincias que presentaron tanto cultivo en secano como en regadío.


Metodología
            Para responder a estos objetivos y estimar el rendimiento máximo sostenible de los cultivos desarrollamos una nueva herramienta matemática inspirada en modelos de dinámica poblacional (ver 1). Con los modelos creados es posible saber, por ejemplo, qué cultivos se ven afectados por el cambio climático y cómo es este efecto o qué mecanismos biológicos se ven afectados. En este estudio, utilizamos datos públicos del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente (MAGRAMA) del rendimiento del maíz en 31 provincias de España desde 1996 al 2009, comparando el desempeño del maíz en dos sistemas de manejo distintos: con y sin riego.

HALLAZGOS
  •             La temperatura durante el período de crecimiento del cultivo fue la variable climática más importante, en línea con otros estudios mundiales. Pero aquí hemos detectado 3 nuevos aspectos: 1) que los efectos de la temperatura son distintos para cultivos con y sin riego (ver 2); 2) que los valores extremos fueron los más relevantes (ver 3), y 2) que la temperatura actúa principalmente mediante efectos no aditivos, es decir, sus efectos son más severos cuando el maíz presenta un alto rendimiento (ver 4). Este es el primer estudio que identifica los mecanismos biológicos detrás de las respuestas no lineales del cultivo ante el cambio climático (anteriormente se han propuesto modelos de umbrales que responden a necesidades estadísticas más que biológicas).
  •             Encontramos principalmente efectos negativos del aumento de la temperatura para los sistemas de secano, más acusados en el sur del país. La temperatura produce estrés hídrico, debido a que afecta tanto a la demanda como a la oferta de agua.
  •          Para los sistemas de riego hemos encontrado que, algunas provincias (como la de León), se benefician en cierta medida ante el aumento de la temepratura. Este beneficio es leve, y debemos recordar que hace referencia a los años 1996-2009; puede que en el futuro, ante un mayor aumento de la temperatura estos beneficios desaparezcan cuando se sobrepase el rango de tolerancia del cultivo. Sin embargo, es interesante destacar que en estas provincias se ha conseguido una ventaja climática en el rendimiento del maíz gracias al riego. La causa de esta ventaja puede deberse a una cierta tolerancia al calor o a un efecto de enfriamiento debido al riego.
  •         Las pérdidas de rendimiento del maíz debido al estrés hídrico fueron generalmente mayores al 50% (es decir, los sistema bajo riego presenataron en promedio un 50% más de rendimiento potencial en comparación con los sistemas de secano). El riego es un factor clave que explica la brecha del rendimiento del maíz (yield gap), brecha que se acentúa con el calentamiento (provincias con elevadas temperaturas tienen mayor brecha del rendimiento al comparar regadío y secano).

Efectos de la temperatura, precipitación y emisiones de dióxido de carbono CO2 en el rendimiento del maíz para cultivos en secano y regadío.  



EN DETALLE (CUESTIONES NO MENOS IMPORTANTES)
           
  •       1.     Modelos matemáticos. Los modelos de dinámica poblacional permiten el tratamiento matemático de cualquier fenómeno dinámico, es decir, cualquier fenómeno que incluya magnitudes que cambian con el tiemo (o con otras magnitudes). Entre los campos de aplicación de estos modelos se encuentran la Física, Química, Biología y Economía, entre otros. Cabe destacar que el padre de estos modelos es el economista Thomas Malthus (1766-1843) quién, mediante estos modelos, influyó enormemente en los estudios de Charles Darwin (1809 – 1882). Aquí, hemos modelado el rendimiento del cultivo según sus valores de rendimiento año a año y evaluando explícitamente los efectos del clima sonbre parámetros biológicos del cultivo. Estos modelos nos permiten estimar el rendimiento potencial sostenible del cultivo, algo así como la capacidad de carga del sistema para sostener dicha producción.

  •       2.    Secano vs. regadío. El maíz bajo secano fue afectado negativamente por las olas de calor, particularmente en Sevilla, Cádiz, Almería, Navarra y Ávila. Sin embargo, bajo regadío, el maíz mostró algún grado de tolerancia al calentamiento (excepto en Almería y Ourense).


La precipitación no fue importante para sistemas de riego, como era de esperar, pero fue importante en algunas provincias bajo secano. Para estos últimos, detectamos efectos positivos de la precipitación en Teruel y Soria, y negativos en Córdoba, Zaragoza.
El nivel de dióxido de carbono (CO2) afectó negativamente al cultivo de regadío en Lugo, y al de secano en Ourense y Soria; mientras que benefició al cultivo de secano en Ávila.

  •       3.     Valores extremos. Los valores extremos son más importantes que los valores medios. Detectamos que la temperatura mínima (nocturna) fue el factor dominante de la producción de maíz. Este hallazgo coincide con otros estudios mundiales en otros cultivos, y todo indica que se debe a que acorta el período de llenado de grano y aumenta la tasa de crecimiento del grano, disminuyendo su rendimiento final. Nuestros resultados resaltan la importancia de incluir estas variables extremas en próximos estudios.

  •       4.    Efectos no lineales. Nuestros resultados indican que el calentamiento produce mayores efectos en aquellos cultivos con alto rendimiento. Cuando el cultivo tiene un mayor rendimiento, y por tanto una mayor demanda de nutrientes, el efecto de la temperatura es mayor; la temperatura actúa sobre los recursos limitantes (agua, nitrógeno N, etc.) de los cultivos. Estos resultados contradicen el uso general de estadísticos como el grados-día (growing degree days GDDs and killing degree days KDDs for climate), que asumen que el efecto de la temperatura sobre el cultivo es el mismo, sea cual sea el rendimiento de dicho cultivo. Como consecuencia de nuestros hallazgos, sugerimos que los cultivos de maíz con alto rendimiento son especialmente vulnerables a las variaciones ambientales o, lo que es lo mismo, que los cultivos de bajo rendimiento son adecuados para condiciones adversas (o de bajos recursos).

  •       5.     Estructura del rendimiento del maíz. Hemos descubierto que los sistemas de producción de cultivos presentan una estructura propia que determina su estabilidad ante perturbaciones ambientales. Hemos demostrado que cuando esta estructura presenta retroalimentaciones negativas, como el termostato que regula un calefactor, los rendimientos de los cultivos son más estables. Un resultado impactante respecto a la estructura del rendimiento del maíz, es que ésta fue la misma bajo secano y regadío. Esto se debe a que los cultivos registran la información proveniente del ambiente y del medio interno de la planta y a partir de ella regulan el funcionamiento de órganos y sistemas. Es decir, el cultivo ajusta sus procesos internos en función de esta información, y reduce así la probabilidad de que un cambio en las condiciones ambientales provoque un colapso en la producción del cultivo. Sin embargo, la estabilidad del rendimiento del cultivo puede verse afectada por el cambio climático, cuando las variaciones del clima se vuelven más pronunciadas y extremas. Estos hallazgos son importantes a la hora de preveer cuán resistentes serán los cultivos al cambio global, es decir, cuál es la magnitud de la perturbación ambiental que el cultivo puede absorber o amortiguar antes de que colapse o en qué momento es más efectivo manipular el cultivo para mitigar los efectos negativos del clima.



CONCLUSIONES
            El cambio climático no ha tenido efectos uniformes en España y la efectividad del riego para mitigar estos cambios varió también de manera espacial debido al efecto de la temperatura. Hemos obtenido un mapa heterogéneo de vulnerabilidades y potencialidades a partir del cual desarrollar las estrategias de adaptación y mitigación del cambio climático en España. Las herramientas propuestas en este estudio explican de manera adecuada los datos históricos observados, permiten detectar los mecanismos biológicos involucrados en los efectos del cambio climático y estimar el rendimiento potencial del cultivo ante diversas situaciones. A partir del conocimiento obtenido podremos estimar, a medio y largo plazo, las proyecciones del rendimiento del maíz en España (un trabajo que estamos desarrollando actualmente). Asimismo, las herramientas que hemos propuesto podrán ser empleadas en otros cultivos y otras regiones claves para asegurar las necesidades alimentarias en un futuro próximo.

Pérdidas de rendimiento en el maíz debidas a valores sub-óptimos de disponibilidad de agua (YGRw; %). Este porcentaje de pérdida de rendimiento indica qué tan similares son los rendimientos potenciales del maíz bajo secano y regadío para la provincia dada.



REFERENCIA
Ferrero, R., Lima, M., & Gonzalez-Andujar, J. L. (2014). Spatio-Temporal Dynamics of Maize Yield Water Constraints under Climate Change in Spain. PloS one, 9(5), e98220. Disponible en:


EQUIPO DE TRABAJO
            Nuestro equipo estuvo formado por investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), de la Pontificia Católica Universidad de Chile (PUC), del Laboratorio Internacional en Cambio Global (LINCGlobal) y del Center of Applied Ecology and Sustainability (CAPES).

Affiliations: Rosana Ferrero1,4*, Mauricio Lima2,3,4, Jose Luis Gonzalez-Andujar1,3
1Departamento Protección de Cultivos, Instituto de Agricultura Sostenible, Consejo Superior de Investigaciones Científicos (CSIC), Córdoba, Spain.
2Departamento de Ecología, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile.
4Center of Applied Ecology and Sustainability (CAPES), Santiago, Chile.
3Laboratorio Internacional de Cambio Global, LINCG (CSIC-PUC), Santiago, Chile.