Estructura y estabilidad de la producción agrícola ante las perturbaciones del cambio climático

Abstract

La agricultura contemporánea se enfrenta al enorme desafío de satisfacer la demanda de alimentos de una creciente población mundial, de manera sostenible y frente a un clima cambiante. Hasta ahora los modelos estadísticos utilizados consideran que el rendimiento del cultivo sigue el comportamiento del clima en el cual se encuentra. Sin embargo, esto no suele concordar con los nuevos hallazgos de estancamiento del rendimiento ni con la biología del cultivo (e.g. limitaciones biofísicas), lo cual indica que otros factores tienen que estar implicados. En esta tesis utilizamos una aproximación novedosa basada en la teoría de sistemas dinámicos para evaluar los distintos tipos de factores (internos y externos) que pueden determinar la dinámica del rendimiento del cultivo bajo el efecto del cambio climático. Analizamos la dinámica del rendimiento de los principales cultivos de cereales en regiones estratégicas y cómo distintas variables climáticas, el nivel de CO2 atmosférico, el riego y la diversidad de malezas han impactado sobre el cultivo durante su período de crecimiento. Al incluir las limitaciones biofísicas del cultivo en nuestros modelos hemos detectado que la tasa de crecimiento del rendimiento disminuye cuando nos acercamos a su capacidad máxima. Este resultado nos desvela propiedades de regulación y estabilización del sistema, y nos permite explicar y predecir los estancamientos del rendimiento del cultivo a partir de una interpretación biológica simple e intuitiva. Se trata de un resultado clave que determina la capacidad de respuesta y recuperación del cultivo ante modificaciones de su ambiente. Detectamos además características comunes en las dinámicas de rendimiento de cultivos muy distintos (hemos evaluado cultivos de verano e invierno, plantas C3 y C4, cereales y oleaginosas, etc.); todos ellos coinciden en los mecanismos internos que generan el patrón observado (retroalimentaciones negativas de primer orden). Hemos identificado cómo los factores externos (e.g. el cambio climático, el aumento del nivel de CO2 atmosférico y la diversidad de malezas) afectan al rendimiento del cultivo. Para ello hemos modelado explícitamente todos los mecanismos por los cuales dichos factores podrían perturbar la dinámica del rendimiento (i.e. modificando su capacidad máxima de aumento, su potencial de rendimiento o incluso afectando la forma de la función de la tasa de crecimiento). Un aspecto novedoso que se desprende de nuestros resultados es el hecho de que los efectos climáticos no aditivos (multiplicativos o no lineales; i.e. cuando la respuesta del cultivo depende de su nivel de rendimiento) son más comunes que los aditivos (i.e. cuando el efecto del clima es independiente del rendimiento del cultivo). Nuestros resultados indican, por tanto, que los cultivos de alto rendimiento son los más vulnerables al cambio climático. Para estos cultivos un pequeño cambio en el clima puede disminuir drásticamente su rendimiento. Este hallazgo podría explicar por qué los cultivos de alto rendimiento suelen presentar una mayor inestabilidad y cómo se generan los patrones no lineales de respuesta del cultivo que hasta ahora han sido difíciles de explicar y predecir. Se trata de un resultado crucial, ya que ignorar la respuesta diferencial de cultivos de bajo y alto rendimiento conduciría a predicciones imprecisas sobre el impacto del cambio climático. En tercer lugar, en esta tesis evaluamos de manera explícita la efectividad del riego a la hora de disminuir la brecha del rendimiento de los cultivos y, mediante el análisis de experimentos a largo plazo, determinamos bajo qué circunstancias la diversidad de la comunidad de malezas puede ser beneficiosa para los cultivos y cómo interacciona con el clima. Este es un tema clave ya que la adaptación y mitigación del impacto del cambio climático sobre la agricultura pasa por la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos utilizados (e.g. el agua para riego y la diversidad del sistema, entre otros). Avanzamos así soluciones a medio plazo en regiones estratégicas para la seguridad alimentaria.