Interference Alignment Scheme

El agroecosistema es un ecosistema originado por la acción del hombre, a partir de la modificación del ecosistema natural. Tiene como objetivos la utilización del ambiente en forma sostenida, para obtener plantas y/o ani- males de consumo inmediato o transformable por los humanos. Los agro- ecosistemas son comunidades de plantas y animales, interactuando con su ambiente físico y biótico, modificados continuamente por los agricultores. La agroecología es el estudio holístico de los agroecosistemas, incluidos todos los elementos naturales y humanos. Centra su atención sobre el diseño de la estructura, la dinámica y funcionamiento ecológicos, y los procesos sociales, a escalas prediales y de paisaje.

Un área de producción agrícola puede ser analizada como un sistema complejo en el cual ocurren procesos ecológicos en forma natural, por ejem- plo, ciclado de nutrientes, flujo de energía, interacciones predador-presa, competencia, mutualismos y cambios sucesionales; y procesos de interven- ción antrópica como son las actividades de manejo. Si se atienden los procesos ecológicos con acciones pertinentes, los agroecosistemas pueden ser maneja- dos para mantener la producción de forma sustentable, con impactos ambien- tales y sociales positivos.

Un aspecto sustancial en el sistema agroecológico, es conocer que las po- blaciones de los cultivos implantados, las especies vegetales ruderales de cre- cimiento espontáneo, las aves, los roedores, los artrópodos, los arácnidos, los hongos y las bacterias, entre otros, responden en su dinámica a los efectos de manejo y a relaciones poblacionales de competencia, depredación (relación predador – presa, parasitismo, parasitoidismo y herbivoría), mutualismos y facilitación. La comprensión de los efectos de las intervenciones humanas, y las implicancias de estas relaciones en el manejo, ofrecen una extensa contri- bución a las estrategias de diseño de los agroecosistemas.

Para diseñar y manipular adecuadamente el agroecosistema tras los ob- jetivos de producción sustentable, es preciso que conozcamos la estructura, el funcionamiento, la complejidad de interacciones y visualicemos sistémi-

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camente todos los factores que limitan o promueven la productividad agrícola. Es frecuente que de manera reduccionista, se destaquen los factores negativos como plagas, malezas y enfermedades, con el mito de que continuamente hay que “luchar”. Por otra parte, son crecientes las menciones sobre la importancia de una visión holística donde, desde un examen integral del sistema producti- vo, p, se incorporen preferentemente en las decisiones de manejo, las relaciones sinérgicas con el cultivo, la importancia de los descomponedores en el suelo, polinizadores, la regulación que ejercen en la trama trófica los depredadores y parasitoides sobre los insectos fitófagos, las micorrizas, entre muchas otras, sin perder de vista que todas contribuyen a maximizar la producción con sustenta- bilidad ecológica, económica y social. Es decir, desde la mirada sistémica es po- sible incorporar varias dimensiones, ecológicas, sociales, culturales, históricas, que permiten abordar la complejidad de la agricultura agroecológica.

La estructura del agroecosistema se refiere a la disposición espacial de los componentes del sistema en un momento dado, que puede referirse al tama- ño, la forma y la densidad de los cultivos, o la cantidad y tipo de animales her- bívoros como gallinas, caballos, chanchos y rumiantes. Forman la estructura del ecosistema los individuos de cada especie, las densidades poblacionales y sus biomasas, la diversidad de especies, la distribución horizontal y vertical de la comunidad vegetal, y el conjunto de conexiones o de intercambio (flujo) de energía, materia e información entre las partes.

Bajo la agricultura industrial y convencional, el interés es obtener un solo producto a cosechar, incorporando grandes cantidades de insumos (principal- mente energía fósil), mediante grandes maquinarias. La intensificación de la agricultura ha promovido la utilización de combustibles fósiles (subsidios de energía), para mover máquinas de labranza, pulverización, siembra, cosecha, etc., elaborar fertilizantes, pesticidas, herbicidas, plásticos, etc., pero solo para canalizar la energía en un sistema de monocultivo. En estos sistemas la efi- ciencia energética (la relación entre la energía añadida al sistema y la obtenida en el producto) disminuye aún más en la medida que incrementan los proce- sos de degradación del ambiente. Además, en la agricultura industrial, suplen este hecho aumentando la extensión de las de tierras cultivadas (avance de la frontera agropecuaria), en consecuencia se buscan las mejores tierras, general- mente aquellas donde hay bosques, y un aumento del tamaño promedio de los predios (escala de la unidad de producción). El único objetivo de la aplicación de estos subsidios energéticos, es canalizar las producciones cosechables en desmedro de los demás componentes y del funcionamiento del agroecosiste- ma; promoviendo la dependencia de insumos externos, la afectación de todos

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los mecanismos homeostáticos naturales y la aparición de plagas, malezas, y enfermedades. Este modelo contribuye solo a la sustentabilidad económica de las grandes empresas productoras de los insumos agropecuarios mencionados.

Se encontró que los cultivos agrícolas de la Región Pampeana Argen- tina, tuvieron mayor eficiencia energética en los sistemas mixtos familiares (MF) que en los sistemas agrícolas empresariales (AE), lo cual estuvo asociado principalmente a los menores consumos de energía en los sistemas MF. Los sistemas MF tienen un gran potencial para desarrollar la producción agrícola con un menor subsidio energético que los sistemas AE, a la vez que permiten la producción (Sarandón y Flores, 2014).

Los sistemas agroecológicos son biodiversos, la energía se canaliza hacia una diversidad de productos cosechables, donde la biorregulación natural y la ordenación humana contribuyen a la estabilidad productiva con elevada eficiencia energética. El diseño de los agroecosistemas agroecológicamente sustentables, está basado en la aplicación de los principios agroecológicos (Al- tieri, 2002) que a continuación se mencionan: - Diversificación de especies vegetales y animales en el tiempo y en el espacio. – Promoción del ciclado y el balance de nutrientes. – Impulso de condiciones del suelo favorables para el crecimiento de las plantas, particularmente a través del aumento de la materia orgánica y la actividad biótica del suelo. – Optimización de los flujos de radia- ción solar. – Colaboración de la cosecha del agua y el manejo del microclima a través de la cobertura del suelo. – Promoción de las interacciones biológicas positivas y los sinergismos entre los componentes del agroecosistema.

La agricultura tradicional, se basa fundamentalmente en la intervención humana asociada a fortalecer los procesos naturales de regulación bióticas, en el mutualismo agricultores – naturaleza y en el continuo aprendizaje que brinda el trabajo en el campo. Se sustenta en enormes cantidades de informa- ción provenientes del conocimiento de procesos ecológicos, culturales y de la historia de la agricultura.

La información se relaciona con el manejo de la diversidad de especies y de la diversidad genética de plantas y animales. Dicha información se mide a través de la diversidad específica. El ecólogo Margalef (Flos, 2005) dice: “Una propiedad de importancia esencial en el estudio de la estructura, dinamismo y evolución de las comunidades naturales es la riqueza de especies”.

También, el concepto de información se halla íntimamente asociado al de termodinámica, ya que no se puede hacer ninguna predicción que no se base en ella (Margalef, en Flos, 2005). Existe una relación inevitable del flujo de información, o de la estructura, con la red de interacciones entre los elemen- tos del ecosistema. Esta relación está formanda por una red de interacciones

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flexible y adaptable, de intercambio de materia, energía e información entre los elementos del ecosistema (Flos, 2005).

El manejo, implica, por ejemplo, tomar decisiones sobre: la profundidad y calidad de la cama de siembra, la cantidad y calidad de materia orgánica muerta que se promueve para la fertilidad estable del suelo, el manejo de la densidad de siembra de los cultivos para regular la interferencia sobre las es- pecies ruderales de crecimiento espontáneo, el diseño espacial y temporal de los cultivos, el cultivo de flores y aromáticas, instalar hoteles para el refugio de enemigos naturales de insectos fitófagos, la eficacia de la cosecha, el diseño de los cultivos y la estructura del canopeo (densidad, altura del follaje y la in- clinación de las hojas con respecto a la vertical), entre otras. Estas decisiones también inciden en la información del agroecosistema. .

La compresión integral de la diversidad de trabajos o subsidios de ener- gía, de materia e información, puede interpretarse a través del flujo de energía del agroecosistema.

Flujo de energía del agroecosistema

Las plantas sintetizan su propia biomasa con la mediación de la luz solar como aporte energético, toman dióxido de carbono (CO₂) de la atmósfera, los elementos inorgánicos y el agua como insumo fundamental y vehículo de las reacciones. El resultado, es la formación de los tejidos vegetales y constituye la producción primaria. Luego, los animales comen las plantas y aprovechan esos compuestos orgánicos para crear sus propios tejidos, que podrá servir también de alimento a otros animales, lo que constituye la producción secun- daria (Odum, 1972).

En los ecosistemas se establecen relaciones alimentarias entre las distintas poblaciones que les permiten la supervivencia. Una relación alimentaria es un traspaso continuo de materia y energía, en la cual las agrupaciones de orga- nismos (representando un nivel trófico) establecen interacciones de manera tal que los primeros son alimentos de los segundos de un nivel al siguiente (Tabla 1). El primer nivel trófico, de cualquier red alimentaria siempre está representado por los productores (las plantas), organismos autótrofos, capaces de transformar la energía lumínica (solar) en energía química para que sea comestible para el resto de los seres vivos; así, las plantas son las únicas pro- ductoras, ya que son organismos fotosintéticos que producen biomasa a través de la fotosíntesis. También, se pueden agrupar en dos grandes grupos tróficos: los autótrofos y los heterótrofos (Tabla 1). La vida en el planeta se sostiene gracias a los organismos fotosintéticos.

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Tabla 1. Niveles tróficos en los agroecosistemas Niveles tróficos Descripción

Productores o autótrofos Compuesto por todos los organismos autótrofos: vegetales, algas, bacterias foto-quimio-sintetizadoras (Ej.: cultivo de

maíz, remolacha, caña de azúcar).

Consumidores primarios Integrado por herbívoros que se alimentan de productores Consumidores secundarios Constituido por los carnívoros verdaderos, parásitos y

parasitoides

Consumidores terciarios Grupo de carnívoros que se alimentan de otros carnívoros. También hay parásitos.

detritívoros Organismos que se alimentan de restos orgánicos (saprófitos),

cadáveres (carroñeros) y excrementos (coprófagos).

Descomponedores Integrado por hongos y bacterias que oxidan la materia

orgánica, transformándola en materia inorgánica en el suelo.

Una trama trófica (red alimentaria) es la interconexión natural de las cadenas alimenticias y generalmente es una representación gráfica (imagen de intercone- xiones) que muestra “quién se come a quién” en una comunidad biótica (Fig. 1). El número de conexiones tróficas por consumidor es una medida de la conectancia de la trama trófica. Los grupos funcionales tienen los mismos depredadores y pre- sas dentro de la red alimenticia, lo que permite lo que se denomina redundancia.

Fig. 1. Estructura de redes tróficas en sistemas agrícolas orgánicos. Autótrofos en la base, consumidores primarios o fitófagos (segundo nivel trófico), consumidores secundarios (tercer nivel trófico, predadores, parasitoides), consumidores terciarios (cuarto nivel trófico, aves insectívoras).

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Una característica fundamental de los ecosistemas y por ende de los agro- ecosistemas es el flujo de energía (Fig. 2a). En los agroecosistemas los agricul- tores manejan el flujo de energía de manera de facilitar que una alta propor- ción de la energía solar sea fijada como energía química (energía potencial de las uniones químicas entre átomos) por la fotosíntesis en los vegetales (Fig. 2b). Solamente, la energía solar que ingresa al agroecosistema hace posible su funcionamiento: productividad primaria y transferencia de la productividad, circulación del agua y de los nutrientes, regulación de las tramas tróficas.

En el análisis se parte de los conceptos fundamentales relacionados con la termodinámica (Tabla n° 2) y la manera como el flujo de energía incide y se distribuye en el agroecosistema (Fig. 2a). La vida de la comunidad biótica es mantenida por la energía radiante proveniente del sol, fijada por las plan- tas por medio de la fotosíntesis y transformada en forma de energía química (Fig. 2.b). Esta es transferida a todos los demás niveles tróficos mediante los procesos de alimentación.

Tabla n° 2. Propiedades básicas de la energía.

Proceso Descripción

Se transforma La energía no se crea, sino que se transforma, siendo durante esta transformación cuando se ponen de manifiesto las diferentes formas de energía.

Se conserva. Al final de cualquier proceso de transformación energética nunca puede haber más o menos energía que la que había al principio, siempre se mantiene. La energía no se destruye.

Se transfiere La energía pasa de un cuerpo a otro en forma de calor, ondas o

trabajo.

Se degrada Solo una parte de la energía transformada es capaz de producir

trabajo y la otra se pierde en forma de calor.

El camino de la energía se puede describir a través de dos leyes de la termodinámica (Odum, 1972). La primera ley se refiere a la conservación de la energía y establece que esta puede ser transformada de un tipo a otro, pero no se crea ni destruye. La segunda ley de la termodinámica o ley de la entropía, dice que ningún proceso de transformación ocurre al 100 % (Tabla n° 2). Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el senti- do contrario. También establece el impedimento de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro (energía lumínica a química) sin pérdidas en forma de calor. Ambas leyes dictan que, una gran proporción de la energía química, aproximadamente el 90%, transferidas entre niveles (tróficos) de la

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alimentación dentro de un sistema, se convierte en energía calórica, que es de valor limitado para los componentes bióticos del sistema. La energía “perdi- da” entre los niveles de alimentación resulta en una transferencia ineficiente de la materia orgánica (por ejemplo, pérdidas gaseosas, por vías urinarias y fe- cales) y la energía necesaria para el mantenimiento interno de los organismos (energía calórica). Más adelante se retoma el tema (Fig. 6).

Otro aspecto a tener en cuenta en el análisis de los agroecosistemas es que, es necesario simplificar la realidad a través de medios gráficos, aunque sepamos que son sistemas complejos y dinámicos. Para ello debemos distin- guir entre variables de flujo o tasas (variaciones de cantidades en función del tiempo) y de estado o depósitos (cantidades en una unidad de área en un momento dado). Así, los flujos toman valores que representan velocidades de un determinado proceso, por ejemplo la tasa de acumulación de biomasa por unidad de tiempo y superficie (kg.ha-1_.mes-1_{), mientras que las variables}

de estado toman valores que representan el tamaño de los componentes de un agroecosistema en un momento determinado (por ejemplo, kg.ha-1 _{de forraje}

seco en pie). En el diagrama de flujo de la Fig. 2a, los procesos indicados me- diante flechas son flujos o velocidades y las cajas representan la cantidad de energía presente en forma de vegetales, herbívoros, carnívoros y descompone- dores (cantidad de energía por unidad de superficie).

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Figura 2a: Flujo de energía en el agroecosistema. PAR: Luz fotosintéticamente activa. LA: Luz absorbida. RA: Respiración de autótrofos o de las plantas. PPB: Productividad Primaria Bruta. PPN: Productividad Primaria Neta y sus tres destinos: PPN a cosecha, PPN no utilizada (NU) que va a materia orgánica muerta (MOM) y la PPN consumida por herbívoros (CH). La Productividad secundaria de herbívoros (PSh) pasa a consumo de depredadores (Cdp), y la productividad secundaria de depredadores (PSdp) puede ir a Consumo de hiperdepredadores e hiperparásitos o hiperparasitoides. NA: No asimilado en los casos de herbívoros (NAh) y depredadores (NAdp). RH: Respiración de herbívoros. Rdp: respiración de depredadores. . Rdp: Respiración de carnívoros o depredadores. Rdesc: Respiración de descomponedores. (Adaptado de Odum, 1972). Las cajas con las líneas puntateadas son como lupas de los niveles tróficos.

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Fig. 2.b. Representación esquemática del procesos de la Fotosíntesis.

La producción primaria es el resultado del proceso de la fotosíntesis (Fig. 2b). Como ya dijimos las plantas verdes captan la energía solar (cuantos de luz que activan la clorofila) y se convierte en energía química, para esto necesita captar CO₂ a través de los estomas de las hojas, también requiere agua y los nutrientes que las plantas absorben por medio de sus raíces. Una vez produ- cida la glucosa en la fotosíntesis, se empiezan a sintetizar todas las macro- moléculas: almidón, celulosa, lípidos (aceites), vitaminas, proteínas y ácidos nucleicos (ADN y ARN) (Tabla n° 3) (Micocci, 2018) que forman la estruc- tura viva de la planta. La eficiencia promedio de la fotosíntesis es de 33 %. El contenido energético de la planta en forma de biomasa vegetal se almacena en macromoléculas que estructuran los tejidos que constituyen los diferentes órganos del vegetal (raíz, tallos, hojas, frutos, semillas).

Aquí se presenta la ecuación de la fotosíntesis, para comprender como se produce la glucosa y el oxígeno desde las plantas:

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Existen tres vías de la fotosíntesis: C3 (95% de especies, 80-90% de PPN); C4 (pastos megatérmicos, dicotiledóneas), y CAM (cactáceas, sucu- lentas, epífitas). A escala de vegetación, existen dos instancias para regular la cobertura: 1- Regulación a nivel foliar (hojas de luz y de sombra) y 2- Regu- lación a nivel de canopeo (existe mayor capacidad de fotosíntesis en la parte superior del canopeo).

En la respiración, se oxidan las moléculas orgánicas con oxígeno del aire, para obtener la energía necesaria para los procesos vitales. A través de una oxidación lenta de la glucosa se va produciendo ATP (adenosín trifosfato). La producción total a partir de una molécula de glucosa es un máximo de 38 moléculas de ATP. El ATP es la fuente de energía principal para la mayoría de los procesos celulares. En este proceso se consume O₂ y se desprende CO₂ y agua, por lo que, en cierta forma, es lo contrario de la fotosíntesis que toma CO₂ y agua y, desprende O₂ (Fig. 2b).

La energía solar incidente (PAR: Luz fotosintéticamente activa), que equi- vale al 50 % de la radiación global, es captada parcialmente por las plantas verdes y transferida como forraje a los herbívoros, como presas a los carnívo- ros, y como materia orgánica muerta a los descomponedores (Fig. 2). El flujo de energía a través de los distintos niveles tróficos (productores, consumidores primarios o herbívoros, consumidores secundarios o carnívoros y descompo- nedores), está compuesto a su vez por un elevado número de flujos parciales que los agricultores pueden estar interesados en intervenir.

La cantidad de luz absorbida (LA, luz del rojo de 680nm) está directa- mente determinada por la cantidad de área foliar (cobertura vegetal verde) presente en el agroecosistema. La transformación de esa luz interceptada es la productividad primaria bruta (PPB). La productividad bruta es la tasa total de captación de energía o velocidad de fotosíntesis del componente vegetal verde, y depende de la medida en que la luz absorbida es transformada en fotosintatos (glucosa). La productividad primaria neta (PPN) es menor, ya que ocurre una utilización de energía en la respiración y el metabolismo (R autotrófica). Es la tasa a la que se añade la energía a los cuerpos de los pro- ductores primarios en forma de biomasa. Luego, la PPN es igual a la PPB menos la Respiración, y representa la entrada fundamental de energía que

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estará disponible para los otros niveles tróficos y para la Materia Orgánica Muerta (Fig. 2a). Es decir, una pequeña parte de PPN es consumida por los herbívoros (CH) y la mayor parte es aportada a la cosecha y a la materia or- gánica muerta. La parte del tejido vegetal que muere es transformado por los descomponedores y proviene del flujo que se lo llama “no utilizado” (NU).

La parte consumida por los herbívoros (CH) sigue dos caminos, una bue- na parte no puede ser asimilada y se pierde en forma de heces y orina (NA) y