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Fortaleciendo la salud del suelo del cinturón de maíz con datos satelitales de la NASA

Fortaleciendo la salud del suelo del cinturón de maíz con datos de la NASA
Una imagen de satélite en color verdadero y un mapa topográfico de un campo cerca de Clear Lake, Iowa. Los científicos aprovecharon el contraste entre la capa superior del suelo de color oscuro y las capas más pobres de color más claro debajo para estimar la pérdida de suelo del Cinturón de Maíz. Se predice que las áreas de color claro delineadas en negro habrán perdido la capa superficial del suelo. El mapa topográfico muestra una erosión generalizada en las pendientes: los píxeles rojos marcan las pendientes convexas o cimas de las colinas, mientras que los píxeles azules marcan las pendientes cóncavas o los huecos entre las colinas. Las cimas de las colinas parecen más claras, mientras que el suelo oscuro y desplazado se acumula en los valles. Crédito: Evan Thaler et al. 2021 / © 2013, DigitalGlobe; Licencia NextView / Maxar, Inc.

Después de la cosecha de maíz del otoño pasado, el agricultor de Illinois Paul Jeschke plantó una fracción de sus campos con cereales de centeno: 60 acres de los 4.500 que cultiva con su esposa, sobrino y cuñado, escondidos detrás de un prado, fuera de la vista de los vecinos. De esa manera podrían experimentar con cultivos de cobertura, explicó Jeschke, y nadie podría ver posibles fallas.


por Lina Tran, Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA


En los meses siguientes, el centeno se convertiría en un mar ondulado de hierba. Bajo tierra, alimentaría a los microbios del suelo y eliminaría el nitrógeno sobrante del maíz, evitando que ingrese al río Illinois a 10 millas de distancia. Arriba, el espeso soporte protegería el campo del viento y el agua que raspan el suelo.

«Este es un sistema agrícola radicalmente diferente, y se necesita una mentalidad aventurera para arriesgarse a cultivar un cultivo de esa manera», dijo Jeschke. Los cultivos de cobertura no se cultivan para cosechar, sino para proteger y mejorar el suelo cuando no crece un cultivo comercial. «Mi pensamiento es que tendremos que resolver esto en algún momento u otro, y prefiero hacerlo al principio que cuando sea necesario».

El suelo es la base de nuestros sistemas alimentarios, y la agricultura sostenible depende de un suelo saludable, que tiene impactos mucho más allá del campo en el aire, el agua y el clima. El viento y el agua, acelerados por la actividad humana y el cambio climático, erosionan el suelo más rico de la superficie. Estados Unidos pierde alrededor de cinco toneladas de suelo por acre cada año, 10 veces la tasa a la que se forma. Eso es el equivalente a una capa tan gruesa como una moneda de diez centavos, lo que puede parecer leve, pero el suelo es precioso y las capas se acumulan en el cinturón de maíz cultivado durante mucho tiempo.

La edificación de la salud del suelo es la principal estrategia para controlar la erosión. El suelo sano es rico en biodiversidad y materia orgánica, lo mejor para pegar y anclar masas de tierra. Se ha comprobado que prácticas como los cultivos de cobertura y la siembra directa mejoran la salud del suelo. Pero adoptar nuevas formas conlleva obstáculos, algo con lo que Jeschke está familiarizado en su cuarto año de pruebas.

A cientos de millas sobre el cinturón del maíz, los satélites de la NASA brindan vistas críticas de la región. Están ayudando a los científicos a estudiar la pérdida de suelo a lo largo del tiempo y a desarrollar herramientas para ayudar a los agricultores a adoptar y gestionar técnicas de conservación.

«El bien que hacen las prácticas de conservación es significativo», dijo Laura Gentry, profesora adjunta adjunta de la Universidad de Illinois y directora de investigación de la calidad del agua en la Asociación de Productores de Maíz de Illinois. Es socia de NASA Harvest, el programa de agricultura y seguridad alimentaria de la NASA dentro de la división de Ciencias de la Tierra. «Cualesquiera que sean los obstáculos, vale la pena ayudar a los agricultores a abordarlos».

Seguimiento de la erosión del suelo

El Corn Belt es el hogar de los suelos más productivos del país. «Deben ser vistos como un tesoro nacional», dijo Gentry. «Si no estamos haciendo un buen trabajo protegiéndolos, la gente de todo el país lo sentirá».

Fortaleciendo la salud del suelo del cinturón de maíz con datos de la NASA
Una imagen de satélite en color verdadero y un mapa topográfico de un campo cerca de Clear Lake, Iowa. Los científicos aprovecharon el contraste entre la capa superior del suelo de color oscuro y las capas más pobres de color más claro debajo para estimar la pérdida de suelo del Cinturón de Maíz. Se predice que las áreas de color claro delineadas en negro habrán perdido la capa superficial del suelo. El mapa topográfico muestra una erosión generalizada en las pendientes: los píxeles rojos marcan las pendientes convexas o cimas de las colinas, mientras que los píxeles azules marcan las pendientes cóncavas o los huecos entre las colinas. Las cimas de las colinas parecen más claras, mientras que el suelo oscuro y desplazado se acumula en los valles. Crédito: Evan Thaler et al. 2021 / © 2013, DigitalGlobe; Licencia NextView / Maxar, Inc.

Poco a poco, el viento, el agua y la gravedad eliminan la valiosa capa superficial del suelo. Todo eso es natural, pero el clima extremo y la labranza, volcando el suelo para prepararlo para la siembra, aceleran la erosión. Los suelos erosionados son menos productivos y lixivian nutrientes. Cuanto más pobres son, más se erosionan.

Una vez desarraigado, el suelo, y todo lo que contiene, se considera contaminación. Los agricultores pueden compensar la pérdida de nutrientes con fertilizantes más costosos. Eso envía más contaminación a las vías fluviales, lo que afecta los suministros de agua locales y, en el peor de los casos, provoca perturbaciones río abajo, como las zonas muertas del Golfo de México.

«La erosión afecta a las personas en esa finca, en esa comunidad rural y en la cuenca hidrográfica más grande, en todo el estado, en toda la región; en realidad, en todo el país», dijo Skye Wills, líder nacional de investigación en ciencias del suelo en el Centro Nacional de Estudios de Suelos del Departamento de Agricultura de EE. UU. En Nebraska. «Simplemente se amplía».

El suelo también almacena carbono: los restos de seres que alguna vez vivieron, como plantas, microbios e insectos. Cuando se perturba, libera ese carbono a la atmósfera en forma de dióxido de carbono, un importante gas de efecto invernadero. Como uno de los mayores sumideros de carbono de la Tierra, es decir, un área que absorbe grandes cantidades de carbono, el suelo representa una parte importante del ciclo global del carbono.

Las vistas desde el espacio ayudan a los investigadores a estudiar problemas a gran escala. Los instrumentos MODIS o espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada de la NASA a bordo de los satélites Terra y Aqua, junto con los satélites Landsat del Servicio Geológico de los Estados Unidos y la NASA, proporcionan observaciones regulares en toda la región. Comenzando con el lanzamiento de Landsat 1 en 1972, el historial de Landsat se remonta a casi 50 años atrás, ayudando a los científicos a rastrear cambios de décadas.

La evaluación del alcance de la erosión ha requerido durante mucho tiempo estudios que requieren mucho tiempo, pero la disponibilidad de datos satelitales y potentes herramientas informáticas ha llevado a enfoques novedosos para toda la región.

El Corn Belt es conocido por su fértil suelo vegetal, producto de milenios de pastos de pradera de raíces profundas. Desde el espacio, parece chocolate negro, mientras que las capas pobres y erosionadas son un chocolate con leche más ligero. «Puedes ver esto conduciendo o desplazándote por los mapas de Google en el Medio Oeste», dijo Evan Thaler, Ph.D. en geociencias de la Universidad de Massachusetts Amherst. estudiante.

En un estudio reciente apoyado por la NASA, Thaler y sus colegas aprovecharon este contraste para estimar la pérdida total de suelo de la región. Combinando datos topográficos e imágenes de satélite, encontraron una erosión generalizada en las laderas. Las cimas de las colinas parecían más claras, mientras que el suelo oscuro y desplazado se acumulaba en los valles.

Este patrón sugiere que la labranza es responsable del desplazamiento más dramático, explicó Thaler. Cuando el suelo se vuelca, se desliza colina abajo, poco a poco.

Desde 2008, el Servicio Nacional de Estadísticas Agrícolas del USDA, o NASS, se ha basado en datos de Landsat para monitorear docenas de cultivos en los 48 estados más bajos como parte del programa Cropland Data Layer de NASS. 
Crédito: NASA / Matthew R. Radcliff

En general, el grupo estimó que aproximadamente un tercio de las tierras agrícolas de la región ha perdido su capa superficial del suelo por completo. Calculan que los agricultores soportan hasta $ 3 mil millones en pérdidas anuales resultantes.

Mucho ha cambiado con el tiempo. La labranza es mucho menos intensa que hace 50 años, dijo Brian Gelder, científico del suelo de la Universidad Estatal de Iowa en Ames. La erosión es el resultado de muchos procesos que ocurren a diferentes velocidades. A medida que el cambio climático genere lluvias más extremas o campos más secos, el panorama seguirá cambiando.

Al rastrear regularmente la erosión, los investigadores pueden examinar cómo interactúan estos diferentes procesos. Gelder codirige el Daily Erosion Project, que proporciona a los agricultores y administradores de cuencas hidrográficas estimaciones de la erosión y la escorrentía en Iowa, Nebraska, Minnesota, Kansas y Wisconsin. El modelo del equipo se basa en datos topográficos y meteorológicos, así como Landsat y Google Earth Engine para identificar las prácticas de labranza y la capa de datos de tierras de cultivo del Servicio Nacional de Estadísticas Agrícolas del USDA, que se basa en Landsat para identificar qué crece y dónde cada año.

«Las vistas de satélite nos permiten mantenernos actualizados», dijo Gelder. «Sin ellos, no podríamos actualizar continuamente nuestros modelos».

Construyendo la salud del suelo

A nivel nacional, la conservación del suelo nació del Dust Bowl de la década de 1930, que mostró cuán devastadora puede ser la erosión. En respuesta, el gobierno de los EE. UU. Formó el Servicio de Conservación de Suelos del USDA (ahora el Servicio de Conservación de Recursos Nacionales), que fomentó métodos como cultivos de cobertura y agricultura sin labranza, donde los nuevos cultivos se plantan directamente en los residuos sobrantes de la cosecha del año anterior. El USDA continúa estudiando la erosión en todo el país y ayuda a los usuarios de la tierra a diseñar e implementar sistemas de control de la erosión.

«Este pequeño puñado de prácticas en el campo — labranza reducida, cultivos de cobertura y manejo de nutrientes — son los héroes de múltiples preocupaciones sobre recursos naturales», dijo Gentry. Juntos, reducen la erosión, mejoran la calidad del agua, mejoran la biodiversidad y aumentan la materia orgánica del suelo. «Estamos haciendo todo esto con la misma práctica en el mismo acre».

Aún así, los acres de labranza cero representan solo el 21% de las tierras agrícolas de EE. UU., Aunque combinados con la labranza reducida, superan en número a los acres de labranza intensiva. Los cultivos de cobertura, como el cereal de centeno de Jeschke, son menos frecuentes, pero el paisaje está cambiando rápidamente. En 2017, los cultivos de cobertura se cultivaron en el 3,4% de las tierras de cultivo, un aumento del 50% desde 2012, según el Censo de Agricultura de EE. UU.

Si bien los números están aumentando, reflejan el hecho de que adoptar estas técnicas no es simple. Además de las barreras financieras, los agricultores deben aprender a controlar las malas hierbas, manejar nuevos cultivos y equilibrar las necesidades del cultivo de cobertura con las primarias.

Fortaleciendo la salud del suelo del cinturón de maíz con datos de la NASA
Mapeo satelital de la frecuencia de labranza de conservación en el cinturón de maíz de 2005 a 2016, basado en datos de Azzari et al. 2019. Crédito: Jillian Deines et al. 2019

Las precipitaciones extremas asociadas con el cambio climático en el Medio Oeste presentan otro obstáculo. Las intensas lluvias de primavera retrasan la siembra, reducen los rendimientos y las tasas de erosión más altas siguen a la siembra retrasada si las tormentas de verano azotan los campos antes de que se establezcan los cultivos. Sin embargo, los métodos de conservación pueden impulsar la resiliencia climática; un suelo sano, por ejemplo, filtra y almacena la humedad de forma eficaz.

En última instancia, dijo Jeschke, «el resultado final es el rendimiento». En años anteriores, plantó el cereal de centeno en avión, liberando semillas mientras volaba sobre el campo. Pero nunca logró mucha germinación de esa manera, y el año pasado optó por el método más caro en el que una máquina especializada empuja las semillas directamente al suelo. Esta es la primera temporada que tiene suficiente crecimiento como para comenzar a evaluar cómo se comportan los campos de cultivos de cobertura frente a los convencionales.

Los satélites proporcionan información general. La investigadora postdoctoral de la Universidad de Stanford y socia de la NASA Harvest, Jillian Deines, utilizó una combinación de aprendizaje automático y datos de Landsat, MODIS y Sentinel-1 de la ESA para examinar los impactos de la labranza de conservación en el rendimiento en el cinturón del maíz. Entre 2005 y 2017, descubrió que los campos de labranza baja a largo plazo experimentaron un aumento promedio en el rendimiento de 3.3% y 0.74% para el maíz y la soja, respectivamente.

«Algunos agricultores pueden ver la labranza reducida como algo que quieren probar para la salud del suelo, pero están preocupados por dañar sus rendimientos», dijo Deines. «Lo que vemos es que puede utilizar estas prácticas sin perjudicar su rendimiento de una manera que probablemente sea importante para sus resultados finales, particularmente porque la labranza reducida también reduce los costos de combustible y mano de obra».

Otros investigadores están creando herramientas para ayudar a los agricultores con la transición y la gestión. Kaiyu Guan, profesor de la Universidad de Illinois y científico ambiental computacional que también trabaja con NASA Harvest, construyó un modelo que combina las observaciones de Landsat, MODIS y Sentinel-2 de la ESA para crear un registro de datos profundo. Integrado con información sobre el suelo y el clima, el modelo aprovecha el historial de un campo para tomar decisiones informadas.

Guan comparó el esfuerzo con la medicina, donde los pacientes reciben recetas individualizadas. «Los datos satelitales nos ayudan a comprender las condiciones y el historial del campo, y proporcionan una ‘prescripción’ personalizada», dijo.

Los agricultores deben decidir cuándo plantar sus campos y cuándo matar el cultivo de cobertura, cuándo aplicar fertilizantes y en qué cantidad. Si se dejan crecer demasiado tiempo, los cultivos de cobertura compiten con los cultivos comerciales cuando absorben nutrientes o agua. El laboratorio de Guan está desarrollando modelos complejos junto con experimentos de campo para proporcionar tales recomendaciones a los agricultores.

Seis meses después de la plantación, se completó el trabajo del césped. Jeschke mató la cosecha a fines de mayo y plantó soja en el verde. En un mes, se desvaneció hasta convertirse en un manto de paja dorada. No mucho después de eso, las hojas de soja comenzaron a asomarse desde abajo.

Las plantas parecían sanas: eran del mismo tamaño que las plantadas en los campos sin cultivos de cobertura . «Los resultados del rendimiento de este otoño serán la gran determinación de cuán exitosa será la práctica para nosotros este año», dijo Jeschke. «El tiempo dirá.»



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