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El nitrógeno en la agricultura

El nutriente más esencial en la producción mundial de cultivos es también uno de los más difíciles de manejar.

El nitrógeno es el nutriente más importante en la producción de cultivos, pero también uno de los más difíciles de manejar. El compuesto es fundamental para la producción agrícola mundial —en particular para los principales cereales— pero si bien muchas partes del mundo no tienen suficientes recursos para lograr la seguridad alimentaria y nutricional, el exceso de nitrógeno de los fertilizantes se filtra al medio ambiente con consecuencias dañinas.

¿Qué es el nitrógeno?

Alrededor del 78% de la atmósfera de la Tierra está formada por nitrógeno gaseoso o N2 — una molécula formada por dos átomos de nitrógeno unidos por un enlace triple estable.

Aunque constituye una gran parte del aire que respiramos, la mayoría de los organismos vivos no pueden acceder a él de esta forma. El nitrógeno atmosférico debe pasar por un proceso natural llamado fijación de nitrógeno para transformarse antes de que pueda usarse para la nutrición de las plantas.

¿Por qué las plantas necesitan nitrógeno?

Tanto en las plantas como en los seres humanos, el nitrógeno se usa para producir aminoácidos, que producen las proteínas que construyen las células, y es uno de los componentes básicos del ADN. También es esencial para el crecimiento de las plantas porque es un componente importante de la clorofila, el compuesto por el cual las plantas usan la energía de la luz solar para producir azúcares a partir del agua y dióxido de carbono (fotosíntesis).

El ciclo del nitrógeno

El ciclo del nitrógeno es el proceso a través del cual el nitrógeno se mueve de la atmósfera a la tierra, a través de los suelos y se libera de nuevo a la atmósfera — convirtiéndose en sus formas orgánicas e inorgánicas.

Comienza con la fijación biológica del nitrógeno, que ocurre cuando las bacterias fijadoras de nitrógeno que viven en los nódulos de las raíces de las leguminosas convierten la materia orgánica en amonio y posteriormente en nitrato. Las plantas pueden absorber el nitrato del suelo y descomponerlo en el nitrógeno que necesitan, mientras que las bacterias desnitrificantes convierten el exceso de nitrato nuevamente en nitrógeno inorgánico que se libera a la atmósfera.

El proceso también puede comenzar con un rayo —el calor por el cual se rompen los triples enlaces del nitrógeno atmosférico— liberando sus átomos para que se combinen con el oxígeno y generen gas de óxido nitroso, que se disuelve en la lluvia como ácido nítrico y es absorbido por el suelo.

El exceso de nitrato o el que se pierde por lixiviación — en el que los nutrientes clave se disuelven debido a la lluvia o el riego, puede filtrarse y contaminar las corrientes de agua subterránea.

Un diagrama muestra el proceso a través del cual el nitrógeno se mueve de la atmósfera a la tierra, a través del suelo y se libera nuevamente a la atmósfera. (Gráfico: Nancy Valtierra/CIMMYT)

¿Qué pasa con los fertilizantes nitrogenados?

Durante miles de años, los seres humanos no tuvieron que preocuparse por el nitrógeno, pero a principios del siglo XX era evidente que la agricultura intensiva estaba agotando el nitrato en el suelo, lo que generó preocupaciones sobre el aumento de la población mundial y una posible crisis alimentaria.

En 1908, un químico alemán llamado Fritz Haber ideó un proceso para combinar nitrógeno atmosférico e hidrógeno bajo calor extremo y presión para crear amoníaco líquido — un fertilizante de nitrógeno sintético. Más tarde trabajó con el químico e ingeniero Carl Bosch para industrializar este proceso y hacerlo comercialmente disponible para los agricultores.

Una vez que se industrializó la producción, los fertilizantes nitrogenados sintéticos —utilizados en combinación con nuevas variedades de semillas de alto rendimiento— ayudaron a impulsar la Revolución Verde e impulsar significativamente la producción agrícola mundial desde finales de la década de 1960 en adelante. Durante este tiempo, México se volvió autosuficiente en la producción de trigo, al igual que India y Pakistán, que estaban al borde de la hambruna.

En los sistemas agrícolas intensivos actuales, los fertilizantes nitrogenados sintéticos se han vuelto cada vez más importantes. En todo el mundo, las empresas producen actualmente más de 100 millones de toneladas métricas de este producto cada año, y la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura predice que la demanda seguirá aumentando de manera constante, especialmente en África y el sur de Asia.

¿Es sostenible?

A medida que la demanda continúa aumentando en todo el mundo, el desafío de la gestión del nitrógeno es proporcionar suficiente para satisfacer las necesidades de seguridad alimentaria mundial y, al mismo tiempo, minimizar el flujo de nitrógeno no utilizado, que es 300 veces más contaminante que el dióxido de carbono, al medio ambiente.

Si bien en muchas regiones hay escasez de nitrógeno disponible para lograr la seguridad alimentaria y nutricional, en otras casi la mitad del nitrógeno fertilizante aplicado en la agricultura se filtra al medio ambiente, con consecuencias negativas que incluyen un aumento de los peligros ambientales, la degradación irreparable de la tierra y la contaminación de los recursos acuáticos.

Este desafío se puede abordar mejorando la eficiencia del uso del nitrógeno, un cálculo complejo que a menudo implica una comparación entre la biomasa de los cultivos (principalmente rendimiento económico) o el contenido/absorción de nitrógeno (rendimiento) y el nitrógeno aplicado (insumo) a través de cualquier abono o fertilizante sintético. Mejorar esta proporción no solo mejora la productividad de los cultivos, sino que también minimiza las pérdidas ambientales a través de un manejo agronómico cuidadoso y ayuda a mejorar la calidad del suelo con el tiempo.

En la actualidad, la eficiencia media global en el uso de nitrógeno no supera el 50%, lo que no llega al 67% estimado necesario para satisfacer la demanda mundial de alimentos en 2050 y, al mismo tiempo, mantener el exceso de nitrógeno dentro de los límites para mantener la calidad aceptable del aire y el agua.

Se vislumbran opciones tecnológicas de vanguardia para el manejo del nitrógeno, aunque a corto plazo la eficiencia en el uso del nitrógeno puede mejorarse para los agricultores, mediante la aplicación de fertilizantes, el uso de fertilizantes de nitrógeno de liberación lenta, el uso de herramientas de precisión para la aplicación de nitrógeno (como el Green Seeker) o la fertirrigación mediante el microriego.

A woman in India uses a precision spreader to apply fertilizer on her farm. (Photo: Wasim Iftikar)
Una mujer en India usa un esparcidor de precisión para aplicar fertilizante en su granja. (Foto: Wasim Iftikar)

Tecnología ideal

Se ha avanzado mucho en el desarrollo de tecnologías para un manejo eficiente del nitrógeno, que junto con una buena agronomía ha demostrado mejorar la cosecha de los cultivos y la eficiencia del uso de nitrógeno con un menor excedente del mismo.

Los científicos están investigando los méritos de la inhibición biológica de la nitrificación, un proceso mediante el cual una planta excreta material que influye en el ciclo del nitrógeno en el suelo. Cuando este proceso ocurre naturalmente, en algunos pastos y parientes silvestres del trigo, ayuda a reducir significativamente las emisiones de nitrógeno.

En 2007, los científicos descubrieron rasgos biológicos de nitrificación en un pariente del trigo y en 2018 lograron transferirlos a una variedad china de trigo de primavera. El resultado inicial mostró una baja productividad y permanece en las primeras etapas de desarrollo, pero los investigadores están ansiosos por evaluar si este proceso puede aplicarse a las variedades comerciales de trigo en el futuro. Si es así, esta tecnología podría cambiar las reglas del juego para alcanzar los objetivos globales de eficiencia en el uso del nitrógeno.