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Capítulo 2 Acuapónica: Cierre del ciclo sobre recursos limitados de agua, tierra y nutrientes

1. 2.1 Introducción

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   El término «punto de inflexión» se utiliza actualmente para describir sistemas naturales que están al borde de un cambio significativo y potencialmente catastrófico (Barnosky et al. 2012). Los sistemas de producción de alimentos agrícolas se consideran uno de los servicios ecológicos clave que se están acercando a un punto de inflexión, ya que el cambio climático genera cada vez más nuevos riesgos de plagas y enfermedades, fenómenos meteorológicos extremos y temperaturas mundiales más elevadas. La mala gestión de las tierras y las prácticas de conservación del suelo, el agotamiento de los nutrientes del suelo y el riesgo de pandemias también amenazan el suministro mundial de alimentos.

   Las tierras cultivables disponibles para la expansión agrícola son limitadas, y el aumento de la productividad agrícola en los últimos decenios se debe principalmente al aumento de la intensidad de los cultivos y al mejor rendimiento de los cultivos en lugar de la expansión de la masa agrícola (por ejemplo, el 90% de los aumentos en la producción agrícola han sido el resultado de aumento de la productividad, pero sólo 10% debido a la expansión de la tierra) (Alexandratos y Bruinsma 2012; Schmidhuber 2010). Se estima que la población mundial llegará a 8.3—10.900 millones de personas para 2050 (Bringezu et al. 2014), y esta creciente población mundial, con el correspondiente aumento del consumo total y per cápita, plantea una amplia gama de nuevos desafíos sociales. El informe de la Convención de las Naciones Unidas de Lucha contra la Desertificación (CLD) Global Land Outlook Working Paper 2017 señala tendencias preocupantes que afectan a la producción de alimentos (Thomas et al. 2017), incluida la degradación de la tierra, la pérdida de biodiversidad y ecosistemas, y la disminución de la resiliencia en respuesta a las tensiones ambientales, como así como una brecha cada vez mayor entre la producción y la demanda de alimentos. La distribución desigual de los suministros alimentarios da lugar a cantidades inadecuadas de alimentos o a la falta de alimentos de calidad nutricional suficiente para parte de la población mundial, mientras que en otras partes del mundo el consumo excesivo y las enfermedades relacionadas con la obesidad se han vuelto cada vez más frecuentes. Esta yuxtaposición desequilibrada del hambre y la malnutrición en algunas partes del mundo, con el desperdicio de alimentos y el consumo excesivo en otras, refleja complejos factores interrelacionados que incluyen la voluntad política, la escasez de recursos, la asequibilidad de la tierra, los costos de la energía y los fertilizantes, la infraestructura de transporte y una gran cantidad de otros factores socioeconómicos que afectan la producción y distribución de alimentos.

   Los recientes reexámenes de los enfoques de la seguridad alimentaria han determinado que se necesita un enfoque de «nexo agua-energía-alimentario' para comprender, analizar y gestionar eficazmente las interacciones entre los sistemas mundiales de recursos (Scott et al. 2015). El enfoque del nexo reconoce la interrelación entre la base de recursos —la tierra, el agua, la energía, el capital y el trabajo— y alienta las consultas y colaboraciones intersectoriales a fin de equilibrar los diferentes objetivos e intereses de los usuarios de los recursos. Su objetivo es maximizar los beneficios generales al tiempo que se mantiene la integridad del ecosistema con el fin de lograr la seguridad alimentaria. Por consiguiente, la producción sostenible de alimentos requiere una utilización reducida de los recursos, en particular del agua, la tierra y los combustibles fósiles, que son limitados, costosos y a menudo mal distribuidos en relación con el crecimiento de la población, así como el reciclado de los recursos existentes, como el agua y los nutrientes, dentro de los sistemas de producción para minimizar los desperdicios.

   En este capítulo, discutimos una serie de desafíos actuales en relación con la seguridad alimentaria, centrándose en las limitaciones de recursos y las formas en que las nuevas tecnologías y los enfoques interdisciplinarios, como la acuapónica, pueden ayudar a abordar el nexo agua-foodenergía en relación con los objetivos de desarrollo sostenible de las Naciones Unidas. Nos concentramos en la necesidad de aumentar el reciclaje de nutrientes, reducir el consumo de agua y las energías no renovables, así como aumentar la producción de alimentos en tierras marginales o inadecuadas para la agricultura.

2. 2.2 Oferta y demanda de alimentos

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   2.2.1 Predicciones

   En los últimos 50 años, el suministro total de alimentos se ha triplicado casi, mientras que la población mundial sólo se ha duplicado, un cambio que ha ido acompañado de cambios significativos en la dieta relacionados con la prosperidad económica (Keating et al. 2014). En los últimos 25 años, la población mundial aumentó un 90% y se espera que alcance la marca de 7.600 millones en el primer semestre de 2018 (Worldometers). Las estimaciones del aumento de la demanda mundial de alimentos en 2050 en relación con 2010 varían entre el 45% y el 71% dependiendo de las hipótesis relativas a los biocombustibles y los residuos, pero es evidente que hay una brecha de producción que debe cubrirse. A fin de evitar una inversión en las recientes tendencias a la baja desnutrición, debe haber reducciones en la demanda de alimentos y/o menos pérdidas en la capacidad de producción de alimentos (Keating et al. 2014). Una razón cada vez más importante para el aumento de la demanda de alimentos es el consumo per cápita, como resultado del aumento de los ingresos per cápita, que se caracteriza por cambios hacia alimentos ricos en proteínas, en particular carne (Ehrlich y Harte 2015b). Esta tendencia crea nuevas presiones en la cadena de suministro de alimentos, ya que los sistemas de producción basados en animales generalmente requieren desproporcionadamente más recursos, tanto en el consumo de agua como en los insumos de piensos (Rask and Rask 2011; Ridoutt et al. 2012; Xue y Landis 2010). A pesar de que la tasa de aumento de la demanda de alimentos ha disminuido en las últimas décadas, si las trayectorias actuales en el crecimiento de la población y los cambios en la dieta son realistas, la demanda mundial de productos agrícolas crecerá entre 1,1 y 1,5% anual hasta 2050 (Alexandratos y Bruinsma 2012).

   El crecimiento de la población en las zonas urbanas ha ejercido presión sobre las tierras que tradicionalmente se han utilizado para los cultivos basados en el suelo: la demanda de vivienda y servicios sigue invadiendo las tierras agrícolas primarias y elevando su valor mucho más allá de lo que los agricultores podrían obtener con el cultivo. Cerca del 54% de la población mundial vive actualmente en zonas urbanas (Esch et al. 2017), y la tendencia hacia la urbanización no muestra signos de disminución. Los sistemas de producción que pueden suministrar alimentos frescos de forma fiable cerca de los centros urbanos están en demanda y aumentarán a medida que aumente la urbanización. Por ejemplo, el aumento de la agricultura vertical en centros urbanos como Singapur, donde la tierra es una prioridad, proporciona un claro indicio de que los sistemas agrícolas concentrados y altamente productivos formarán parte integrante del desarrollo urbano en el futuro. Los avances tecnológicos están haciendo cada vez más económicos los sistemas de cultivo en interior, por ejemplo, el desarrollo de luces LED hortícolas de larga duración y eficiencia energética ha aumentado la competitividad de la agricultura interior, así como de la producción en latitudes altas.

   El análisis de la agrobiodiversidad muestra sistemáticamente que los países de ingresos altos y medianos obtienen diversos alimentos a través del comercio nacional o internacional, pero esto también implica que la producción y la diversidad alimentaria están desacopladas y, por lo tanto, son más vulnerables a las interrupciones en las líneas de suministro que en los países de bajos ingresos donde la mayoría de los alimentos se producen a nivel nacional o regional (Herrero et al. 2017). Además, a medida que aumenta el tamaño de las explotaciones, la diversidad de cultivos, especialmente para los cultivos pertenecientes a grupos alimentarios altamente nutritivos (verduras, frutas, carne), tiende a disminuir en favor de los cereales y legumbres, lo que nuevamente corre el riesgo de limitar la disponibilidad local y regional de una serie de diferentes grupos alimentarios (Herrero et al. 2017).

3. 2.3 Tierra cultivable y nutrientes

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   2.3.1 Predicciones

   A pesar de que es necesario producir más alimentos, las tierras utilizables para las prácticas agrícolas se limitan intrínsecamente a aproximadamente el 20 al 30% de la superficie terrestre del mundo. La disponibilidad de tierras agrícolas está disminuyendo y hay escasez de tierras adecuadas donde más se necesitan, es decir, en particular cerca de los centros de población. La degradación del suelo es uno de los principales factores que contribuyen a esta disminución y por lo general puede clasificarse de dos maneras: desplazamiento (erosión del viento y del agua) y deterioro químico interno del suelo y físico (pérdida de nutrientes y/o materia orgánica, salinización, acidificación, contaminación, compactación y anegamiento). Estimar la degradación total del suelo natural e inducida por el hombre en todo el mundo está plagado de dificultades dada la variabilidad en las definiciones, la gravedad, el calendario, la categorización del suelo, etc. Sin embargo, en general se acepta que sus consecuencias han dado lugar a la pérdida de la producción primaria neta en grandes superficies (Esch et al. 2017), restringiendo así el aumento de las tierras cultivables y cultivadas permanentemente al 13% en las cuatro décadas desde principios de la década de 1960 hasta finales de la década de 1990 (Bruinsma 2003). Lo que es más importante en relación con el crecimiento demográfico durante ese período, las tierras cultivables per cápita disminuyeron aproximadamente un 40% (Conforti 2011). El término «tierra cultivable» implica la disponibilidad de nutrientes adecuados para apoyar la producción de cultivos. Para contrarrestar el agotamiento de nutrientes, el consumo mundial de fertilizantes ha aumentado de 90 kg/ha en 2002 a 135 kg en 2013 (Pocketbook 2015). Sin embargo, el aumento del uso de fertilizantes a menudo da lugar a excesos de nitratos y fosfatos que terminan en ecosistemas acuáticos (Bennett et al. 2001), causando floraciones de algas y eutrofización cuando la biomasa de algas en descomposición consume oxígeno y limita la biodiversidad de la vida acuática. Los cambios ambientales inducidos por el nitrato y el fosfato en gran escala son particularmente evidentes en las cuencas hidrográficas y las zonas costeras.

   El nitrógeno, el potasio y el fósforo son los tres principales nutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas. Aunque la demanda de fertilizantes fósforo sigue creciendo exponencialmente, las reservas de fosfato de roca son limitadas y las estimaciones sugieren que se agotarán en un plazo de 50 a 100 años (Cordell et al. 2011; Steen 1998; Van Vuuren et al. 2010). Además, se espera que el aporte antropogénico de nitrógeno impulse a los ecosistemas terrestres hacia mayores limitaciones de fósforo, aunque es fundamental comprender mejor los procesos (Deng et al. 2017; Goll et al. 2012; Zhu et al. 2016). En la actualidad, no hay sustitutos del fósforo en la agricultura, lo que limita la productividad agrícola futura que depende de la aportación clave de fertilizantes de fosfato extraído (Sverdrup y Ragnarsdottir 2011). La 'paradoja', en otras palabras, un exceso de P que perjudica la calidad del agua, junto con su escasez como recurso no renovable, significa que debe haber aumentos sustanciales en el reciclaje y la eficiencia de su uso (Leinweber et al. 2018).

   Las prácticas agrícolas intensivas modernas, como la frecuencia y el tiempo de labranza o labranza cero, la aplicación de herbicidas y plaguicidas, y la adición infrecuente de materia orgánica que contiene micronutrientes, pueden alterar la estructura del suelo y su biodiversidad microbiana de tal manera que la adición de fertilizantes ya no aumenta la productividad por hectárea. Dado que los cambios en el uso de la tierra han dado lugar a pérdidas de carbono orgánico del suelo estimado en alrededor del 8%, y las pérdidas proyectadas entre 2010 y 2050 son 3,5 veces superiores a la cifra, se supone que la capacidad de retención de agua del suelo y las pérdidas de nutrientes continuarán, especialmente en vista del calentamiento global (Esch et al. 2017) . Obviamente hay compensaciones entre satisfacer las necesidades humanas y no comprometer la capacidad de la biosfera para sustentar la vida (Foley et al. 2005). Sin embargo, al modelar los límites planetarios en relación con las prácticas actuales de uso del suelo, es evidente que es necesario mejorar el ciclo N y P, principalmente reduciendo las emisiones de nitrógeno y fósforo y la escorrentía de las tierras agrícolas, pero también mediante una mejor captura y reutilización (Conijn et al. 2018).

   2.3.2 Acuapónica y Nutrientes

   Uno de los principales beneficios de la acuapónica es que permite el reciclaje de recursos nutritivos. La aportación de nutrientes en el componente de pescado proviene de los piensos, cuya composición depende de la especie objetivo, pero los piensos en la acuicultura suelen constituir una parte significativa de los costos de insumos y pueden ser más de la mitad del costo total anual de producción. En ciertos diseños acuapónicos, la biomasa bacteriana también puede aprovecharse como alimento, por ejemplo, donde la producción de biofloc hace que los sistemas acuapónicos sean cada vez más autónomos (Pinho et al. 2017).

   Las aguas residuales de los corrales de jaula abierta o canales de rodadura a menudo se descargan en cuerpos de agua, donde resulta en contaminación de nutrientes y posterior eutrofización. Por el contrario, los sistemas acuapónicos toman los nutrientes disueltos de los piensos y las heces de peces no consumidos, y utilizando microbios que pueden descomponer la materia orgánica, convertir el nitrógeno y el fósforo en formas biodisponibles para su uso por las plantas de la unidad hidropónica. Con el fin de lograr niveles de producción de plantas económicamente aceptables, la presencia de conjuntos microbianos adecuados reduce la necesidad de agregar gran parte de los nutrientes suplementarios que se utilizan rutinariamente en unidades hidropónicas independientes. Por lo tanto, la acuapónica es un sistema de descarga casi nula que ofrece no sólo beneficios económicos tanto de los flujos de producción de peces como de plantas, sino también reducciones significativas en los vertidos nocivos para el medio ambiente de los sitios de acuicultura. También elimina el problema de la escorrentía rica en N y P de los fertilizantes utilizados en la agricultura basada en el suelo. En los sistemas acuapónicos desacoplados, los biorreactores aeróbicos o anaeróbicos también pueden utilizarse para tratar lodos y recuperar macro- y micronutrientes significativos en formas biodisponibles para su posterior uso en la producción hidropónica (Goddek et al. 2018) (véase cap. 8). Nuevos y emocionantes desarrollos como estos, muchos de los cuales ahora se están realizando para la producción comercial, continúan perfeccionando el concepto de economía circular permitiendo cada vez más la recuperación de nutrientes.

4. 2.4 Control de plagas, malezas y enfermedades

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   2.4.1 Predicciones

   En general, se reconoce que el control de enfermedades, plagas y malas hierbas es un componente crítico para frenar las pérdidas de producción que amenazan la seguridad alimentaria (Keating et al. 2014). De hecho, el aumento del uso de antibióticos, insecticidas, herbicidas y fungicidas para reducir las pérdidas y aumentar la productividad ha permitido aumentar drásticamente la producción agrícola en la segunda mitad del siglo XX. Sin embargo, estas prácticas también están vinculadas a una serie de problemas: contaminación por compuestos orgánicos persistentes en suelos y aguas de riego, cambios en la actividad rizobacterial y micorrízica en suelos, contaminación de cultivos y ganado, desarrollo de cepas resistentes, efectos perjudiciales sobre los polinizadores y una amplia gama de riesgos para la salud humana (Bringezu et al. 2014; Ehrlich y Harte 2015a; Esch et al. 2017; FAO 2015b). La lucha contra las plagas, las malas hierbas y las enfermedades de manera que reduzcan el uso de estas sustancias se menciona en prácticamente todas las llamadas destinadas a proporcionar seguridad alimentaria a una población mundial en crecimiento.

   2.4.2 Control de plagas, malas hierbas y enfermedades

   Como sistema cerrado con medidas de bioseguridad, los sistemas acuapónicos requieren mucho menos aplicaciones de plaguicidas químicos en el componente de la planta. Si se manipulan y vigilan cuidadosamente las existencias de semillas y trasplantes, las malas hierbas, los hongos y los contaminantes bacterianos/algas pueden controlarse en unidades hidropónicas con medidas específicas, en lugar de la aplicación preventiva generalizada de herbicidas y fungicidas prevalentes en la agricultura basada en el suelo. A medida que la tecnología continúa avanzando, desarrollos como los invernaderos de presión positiva pueden reducir aún más los problemas de plagas (Mears and Both 2001). Las características de diseño para reducir el riesgo de plagas pueden reducir los costos en términos de productos químicos, mano de obra, tiempo de aplicación y equipo, especialmente porque la huella terrestre de los sistemas acuapónicos a escala industrial es pequeña, y los sistemas son compactos y están bien contenidos, en comparación con el área de producción abierta equivalente de hortalizas y cultivos frutales de granjas convencionales basadas en el suelo.

   El uso de RAS en sistemas acuapónicos también previene las transmisiones de enfermedades entre poblaciones de piscifactoría y poblaciones silvestres, lo cual es una preocupación apremiante en la acuicultura fluida y de red abierta (Read et al. 2001; Samuel-Fitwi et al. 2012). El uso rutinario de antibióticos generalmente no es necesario en el componente RAS, ya que es un sistema cerrado con pocos vectores disponibles para la introducción de la enfermedad. Además, generalmente se desaconseja el uso de antimicrobianos y antiparasitarios, ya que puede ser perjudicial para la microbiota que son cruciales para convertir residuos orgánicos e inorgánicos en compuestos utilizables para el crecimiento de plantas en la unidad hidropónica (Junge et al. 2017). Si surgen enfermedades, la contención de peces y plantas del medio ambiente circundante hace que la descontaminación y la erradicación sean más manejables. Aunque es evidente que los sistemas cerrados no alivian completamente todos los problemas de enfermedades y plagas (Goddek et al. 2015), las medidas adecuadas de biocontrol que ya se practican en RAS independientes y en hidroponía resultan en reducciones significativas del riesgo. Estas cuestiones se examinan con más detalle en capítulos subsiguientes (para peces, véase cap. 6; para las plantas, más detalles en cap. 14)) .

5. 2.5 Recursos Hídricos

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   2.5.1 Predicciones

   

   Fig. 2.1 Huella de agua (L por kg). Los peces de los sistemas RAS utilizan la menor cantidad de agua que cualquier sistema de producción de alimentos

   Además de requerir aplicaciones de fertilizantes, las prácticas agrícolas intensivas modernas también suponen una gran demanda de recursos hídricos. Entre los flujos bioquímicos (Fig. 2.1), actualmente se cree que la escasez de agua es uno de los factores más importantes que limitan la producción de alimentos (Hoekstra et al. 2012; Porkka et al. 2016). Los aumentos proyectados de la población mundial y los cambios en la disponibilidad de agua terrestre debido al cambio climático exigen un uso más eficiente del agua en la agricultura. Como se señaló anteriormente, para 2050, la producción agrícola agregada tendrá que producir un 60% más de alimentos en todo el mundo (Alexandratos y Bruinsma 2012), y se estima que un 100% más en los países en desarrollo, sobre la base del crecimiento demográfico y el aumento de las expectativas de nivel de vida (Alexandratos y Bruinsma 2012; OMS 2015). La hambruna en algunas regiones del mundo, así como la malnutrición y el hambre oculta, indican que el equilibrio entre la demanda y la disponibilidad de alimentos ya ha alcanzado niveles críticos, y que la seguridad alimentaria y del agua están directamente vinculadas (McNeill et al. 2017). Las predicciones del cambio climático sugieren una reducción de la disponibilidad de agua dulce y una correspondiente disminución de los rendimientos agrícolas para fines del siglo XXI (Misra 2014).

   El sector agrícola representa actualmente aproximadamente el 70% del consumo de agua dulce en todo el mundo, y la tasa de retirada incluso supera el 90% en la mayoría de los países menos desarrollados del mundo. La escasez de agua aumentará en los próximos 25 años debido al crecimiento esperado de la población (Connor et al. 2017; Esch et al. 2017), y el último modelo prevé una disminución de la disponibilidad de agua en un futuro próximo para casi todos los países (Distefano y Kelly 2017). La ONU predice que la búsqueda de prácticas como de costumbre dará lugar a un déficit mundial de agua del 40% para 2030 (Agua 2015). A este respecto, a medida que los suministros de agua subterránea para el riego se agotan o contaminan, y las regiones áridas experimentan más sequía y escasez de agua debido al cambio climático, el agua para la producción agrícola será cada vez más valiosa (Ehrlich y Harte 2015a). La creciente escasez de recursos hídricos compromete no solo la seguridad del agua para el consumo humano, sino también la producción mundial de alimentos (McNeill et al. 2017). Dado que se prevé la escasez de agua incluso en zonas que actualmente cuentan con recursos hídricos relativamente suficientes, es importante desarrollar técnicas agrícolas con bajos requerimientos de insumos de agua y mejorar la gestión ecológica de las aguas residuales mediante una mejor reutilización (FAO 2015a).

   El Informe de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos en el Mundo 2017 (Connor et al. 2017) se centra en las aguas residuales como fuente sin explotar de energía, nutrientes y otros subproductos útiles, con implicaciones no solo para la salud humana y ambiental, sino también para la seguridad alimentaria y energética, así como para la mitigación del cambio climático. Este informe pide tecnologías apropiadas y asequibles, junto con marcos jurídicos y reglamentarios, mecanismos de financiación y una mayor aceptabilidad social del tratamiento de aguas residuales, con el objetivo de lograr la reutilización del agua en una economía circular. El informe también apunta a un informe del Foro Económico Mundial de 2016 que enumera la crisis del agua como el riesgo mundial de mayor preocupación en los próximos 10 años.

   El concepto de huella hídrica como medida de la utilización de los recursos de agua dulce por parte de los seres humanos se ha planteado con el fin de fundamentar la elaboración de políticas sobre el uso del agua. Una huella hídrica tiene tres componentes: (1) agua azul, que comprende las aguas superficiales y subterráneas consumidas durante la fabricación de productos o perdidas por evaporación, (2) agua verde que es agua de lluvia utilizada especialmente en la producción de cultivos y (3) agua gris, que es agua contaminada pero aún dentro del agua existente estándares de calidad (Hoekstra y Mekonnen 2012). Estos autores mapearon las huellas de agua de los países de todo el mundo y encontraron que la producción agrícola representa el 92% del uso mundial de agua dulce, y la producción industrial utiliza el 4,4% del total, mientras que el agua doméstica solo el 3,6%. Esto suscita preocupación por la disponibilidad de agua y ha dado lugar a esfuerzos de educación pública encaminados a sensibilizar sobre las cantidades de agua necesarias para producir diversos tipos de alimentos, así como sobre las vulnerabilidades nacionales, especialmente en los países con escasez de agua del norte de África y el Oriente Medio.

   2.5.2 Acuapónica y Conservación del Agua

   El concepto económico de productividad comparativa mide la cantidad relativa de un recurso necesario para producir una unidad de bienes o servicios. Por lo general, se entiende que la eficiencia es mayor cuando la necesidad de insumos de recursos es menor por unidad de bienes y servicios. Sin embargo, cuando se examina la eficiencia en el uso del agua en un contexto ambiental, también se debe tener en cuenta la calidad del agua, ya que mantener o mejorar la calidad del agua también aumenta la productividad (Hamdy 2007).

   El creciente problema de la escasez de agua exige mejoras en la eficiencia del uso del agua, especialmente en las regiones áridas y semiáridas, donde la disponibilidad de agua para la agricultura y la calidad del agua de descarga son factores críticos en la producción de alimentos. En estas regiones, la recirculación del agua en unidades acuapónicas puede lograr una notable eficiencia de reutilización del agua del 95 al 99% (Dalsgaard et al. 2013). La demanda de agua también es inferior a 100 l/kg de pescado cosechado, y la calidad del agua se mantiene dentro del sistema de producción de cultivos (Goddek et al. 2015). Obviamente, estos sistemas deben construirse y operarse para minimizar las pérdidas de agua; también deben optimizar sus relaciones entre agua de peces y plantas, ya que esta relación es muy importante para maximizar la eficiencia de reutilización del agua y garantizar el máximo reciclaje de nutrientes. Se están desarrollando algoritmos de modelado y soluciones técnicas para integrar mejoras en unidades individuales y comprender mejor cómo gestionar el agua de manera eficaz y eficiente (Vilbergsson et al. 2016). Se proporciona más información en los capítulos 9 y 11.

   A la luz de las necesidades del suelo, el agua y los nutrientes, la huella hídrica de los sistemas acuapónicos es considerablemente mejor que la agricultura tradicional, donde la calidad y la demanda del agua, junto con la disponibilidad de tierras cultivables, los costos de los fertilizantes y el riego son todos obstáculos para la expansión (Fig. 2.1).

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   Fig. 2.2 Ratios de conversión de piensos (RCF) basados en kg de pienso por peso vivo y kg de pienso para porción comestible. Sólo los insectos, que se comen enteros en algunas partes del mundo, tienen una mejor RCF que los peces

6. 2.6 Utilización de la tierra

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   2.6.1 Predicciones

   A nivel mundial, los cultivos terrestres y los pastos ocupan aproximadamente el 33% del total de tierras disponibles, y se estima que la expansión para usos agrícolas entre 2000 y 2050 aumentará entre un 7% y un 31% (350—1500 Mha, dependiendo de la fuente y de las hipótesis subyacentes), con mayor frecuencia a expensas de los bosques y los humedales (Bringezu et al. 2014). Aunque en la actualidad todavía hay tierras clasificadas como «buenas» o «marginales» disponibles para la agricultura de secano, partes importantes de ellas están lejos de los mercados, carecen de infraestructura o tienen enfermedades endémicas, terrenos inadecuados u otras condiciones que limitan el potencial de desarrollo. En otros casos, las tierras restantes ya están protegidas, boscosas o desarrolladas para otros usos (Alexandratos y Bruinsma 2012). Por el contrario, los ecosistemas de tierras secas, definidos en la Comisión sobre el Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas como zonas áridas, semiáridas y subhúmedas secas que suelen tener baja productividad, están amenazados por la desertificación y, por lo tanto, no son aptos para la expansión agrícola, pero, sin embargo, tienen muchos millones de personas viviendo en las proximidades (Economic 2007). Estos hechos apuntan a la necesidad de una intensificación más sostenible de la producción de alimentos más cercana a los mercados, preferiblemente en tierras en gran medida improductivas que tal vez nunca resulten adecuadas para la agricultura basada en el suelo.

   Algunos expertos consideran que los dos factores más importantes que contribuyen a la eficiencia de los insumos agrícolas son: i) la ubicación de la producción de alimentos en zonas donde las condiciones climáticas (y del suelo) aumentan naturalmente la eficiencia y ii) la reducción de los efectos ambientales de la producción agrícola (Michael y David 2017). Debe haber aumentos en el suministro de biomasa cultivada gracias a la intensificación de la producción por hectárea, acompañada de una disminución de la carga ambiental (por ejemplo, degradación de la estructura del suelo, pérdidas de nutrientes, contaminación tóxica). En otras palabras, la huella de una producción eficiente de alimentos debe reducirse al tiempo que se minimizan los impactos ambientales negativos.

   2.6.2 Acuapónica y Utilización de la Tierra

   Los sistemas de producción acuapónicos no tienen suelo e intentan reciclar nutrientes esenciales para el cultivo de peces y plantas, utilizando así nutrientes en materia orgánica procedentes de piensos y desechos de peces para minimizar o eliminar la necesidad de fertilizantes vegetales. Por ejemplo, en esos sistemas, el uso de la tierra para extraer, procesar, almacenar y transportar fosfato o fertilizantes ricos en potasio resulta innecesario, por lo que se elimina el costo inherente y el costo de aplicación de estos fertilizantes.

   La producción acuapónica contribuye no sólo a la eficiencia en el uso del agua (Sect. 2.5.2, sino también a la eficiencia de los insumos agrícolas al reducir la huella de tierra necesaria para la producción. Las instalaciones, por ejemplo, pueden estar situadas en tierras no cultivables y en zonas suburbanas o urbanas más cercanas a los mercados, reduciendo así la huella de carbono asociada a las granjas rurales y el transporte de productos a los mercados urbanos. Con una huella más pequeña, la capacidad de producción puede ubicarse en zonas que por lo demás no son productivas, como en tejados o en antiguas fábricas, lo que también puede reducir los costos de adquisición de tierras si esas áreas se consideran inadecuadas para viviendas o negocios minoristas. Una huella más pequeña para la producción de proteínas y vegetales de alta calidad en acuapónica también puede eliminar la presión de limpiar áreas naturales y seminaturales ecológicamente valiosas para la agricultura convencional.

7. 2.7 Recursos energéticos

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   2.7.1 Predicciones

   A medida que la mecanización se extiende a nivel mundial, la agricultura intensiva de campo abierto depende cada vez más de los combustibles fósiles para alimentar la maquinaria agrícola y para el transporte de fertilizantes y productos agrícolas, así como para administrar el equipo de procesamiento, envasado y almacenamiento. En 2010, la Agencia Internacional de Energía de la OCDE predijo que el consumo mundial de energía aumentaría hasta un 50% para 2035; la FAO también ha estimado que el 30% del consumo mundial de energía se dedica a la producción de alimentos y a su cadena de suministro (FAO 2011). Las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) asociadas a los combustibles fósiles (aproximadamente 14% en el análisis del ciclo de vida) añadidas a las de la fabricación de fertilizantes (16%) y óxido nitroso de suelos medios (44%) (Camargo et al. 2013), contribuyen sustancialmente a los impactos ambientales de la agricultura. La tendencia del siglo XXI a producir biocombustibles a base de cultivos (por ejemplo, maíz para etanol) para sustituir a los combustibles fósiles ha aumentado la presión sobre la tala de bosques tropicales, turberas, sabanas y pastizales para la producción agrícola. Sin embargo, los estudios apuntan a la creación de una «deuda de carbono» a partir de tales prácticas, ya que la liberación global de COSub2/sub supera las reducciones de GEI que proporcionan al desplazar combustibles fósiles (Fargione et al. 2008). Podría decirse que existe una deuda de carbono similar al despejar tierras para cultivar cultivos alimentarios a través de la agricultura convencional que depende de combustibles fósiles.

   En un análisis comparativo de los sistemas de producción agrícola, se encontró que las pesquerías de arrastre y los sistemas acuícolas de recirculación (RAS) emiten GEI entre 2 y 2,5 veces el de las pesquerías sin pesca de arrastre y la acuicultura no RAS (corral, pista de rodadura). En RAS, estos requisitos energéticos se refieren principalmente al funcionamiento de bombas y filtros (Michael y David 2017). Del mismo modo, los sistemas de producción de invernadero pueden emitir hasta tres veces más GEI que la producción de cultivos de campo abierto si se requiere energía para mantener el calor y la luz dentro de los rangos óptimos (ibíd.). Sin embargo, estas cifras de GEI no tienen en cuenta otros impactos ambientales de los sistemas no RAS, como la eutrofización o las posibles transferencias de patógenos a poblaciones silvestres. Tampoco tienen en cuenta los GEI procedentes de la producción, el transporte y la aplicación de herbicidas y plaguicidas utilizados en el cultivo de campo abierto, ni el metano y el óxido nitroso de la producción ganadera asociada, que tienen un potencial de calentamiento del invernadero (PCA) a 100 años 25 y 298 veces mayor que el COSub2/sub, respectivamente (Camargo y otros 2013; Eggleston y otros 2006).

   Estas estimaciones aleccionadoras del consumo de energía presente y futuro y de las emisiones de GEI asociadas a la producción de alimentos han dado lugar a nuevos modelos y enfoques, por ejemplo, el enfoque del nexo agua-alimento-energía de las Naciones Unidas mencionado en Sect. 2.1. Los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU han señalado la vulnerabilidad de la producción de alimentos a las fluctuaciones de los precios de la energía como un factor clave de la inseguridad alimentaria. Esto ha impulsado esfuerzos para lograr que los sistemas agroalimentarios sean «energéticos inteligentes», haciendo hincapié en mejorar la eficiencia energética, aumentar el uso de fuentes de energía renovables y fomentar la integración de la producción de alimentos y energía (FAO 2011).

   2.7.2 Acuapónica y Conservación de Energía

   Los avances tecnológicos en las operaciones de los sistemas acuapónicos están avanzando hacia ser cada vez más «energéticamente inteligentes» y reducir la deuda de carbono de las bombas, los filtros y los dispositivos de calefacción/refrigeración mediante el uso de electricidad generada a partir de fuentes renovables. Incluso en latitudes templadas, muchos diseños nuevos permiten reintegrar completamente la energía involucrada en el calentamiento y enfriamiento de tanques de peces e invernaderos, de manera que estos sistemas no requieren insumos más allá de las matrices solares o la electricidad/calor generado por la producción de biogás bacteriano de lodos derivados de la acuicultura (Ezebuiro y Körner 2017; Goddek y Keesman 2018; Kloas et al. 2015; Yogev et al. 2016). Además, los sistemas acuapónicos pueden utilizar la desnitrificación microbiana para convertir el óxido nitroso en gas nitrógeno si se dispone de suficientes fuentes de carbono de los desechos, de manera que las bacterias anaeróbicas heterotróficas y facultativas puedan convertir el exceso de nitratos en gas nitrogenado (Van Rijn et al. 2006). Como se señala en [Sect. 2.7.1](#271 -predicciones), el óxido nitroso es un potente GEI y los microbios ya presentes en los sistemas acuapónicos cerrados pueden facilitar su conversión en gas nitrógeno.

8. 2.8 Resumen

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   A medida que la población humana sigue aumentando, hay una creciente demanda de proteínas de alta calidad en todo el mundo. En comparación con las fuentes de carne, el pescado es ampliamente reconocido como una fuente particularmente saludable de proteínas. En relación con el suministro mundial de alimentos, la acuicultura proporciona ahora más proteínas de pescado que las pesquerías de captura (FAO 2016). A nivel mundial, el consumo humano per cápita de pescado sigue aumentando a una tasa media anual del 3,2% (1961-2013), que es el doble de la tasa de crecimiento demográfico. En el período comprendido entre 1974 y 2013, la «sobrepesca» biológicamente insostenible ha aumentado un 22%. Durante el mismo período, las capturas procedentes de las pesquerías consideradas «plenamente explotadas» disminuyeron un 26%. Por lo tanto, la acuicultura es la única solución posible para satisfacer el aumento de la demanda del mercado. Actualmente es el sector alimentario de más rápido crecimiento y, por lo tanto, un componente importante de la seguridad alimentaria (ibíd.)

   Con una población global estimada en 8.3—10.900 millones de personas para 2050 (Bringezu et al. 2014), el desarrollo sostenible de los sectores acuícola y agrícola requiere optimización en términos de eficiencia productiva, pero también reducciones en la utilización de recursos limitados, en particular, agua, tierra y fertilizantes. Los beneficios de la acuapónica no solo se relacionan con el uso eficiente de la tierra, el agua y los recursos nutritivos, sino que también permiten una mayor integración de oportunidades energéticas inteligentes como el biogás y la energía solar. En este sentido, la acuapónica es una tecnología prometedora para producir tanto proteínas de pescado como vegetales de alta calidad en formas que pueden utilizar sustancialmente menos tierra, menos energía y menos agua, al tiempo que minimizan los insumos químicos y fertilizantes que se utilizan en la producción de alimentos convencionales.