Influence of external drivers on water use efficiency and sustainability in agricultural production

Chico Zamanillo, Daniel (2017). Influence of external drivers on water use efficiency and sustainability in agricultural production. Tesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.48204.

Descripción

Título: Influence of external drivers on water use efficiency and sustainability in agricultural production
Autor/es:
  • Chico Zamanillo, Daniel
Director/es:
  • Garrido Colmenero, Alberto
  • Pahlow, Markus
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: eficiencia de uso de agua, sostenibilidad de la producción agraria, prácticas agrícolas, evaluación de huella hídrica = water use efficiency, sustainable water use, crop management, agricultural water use drivers
Escuela: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Departamento: Economía y Ciencias Sociales Agrarias [hasta 2014]
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

Texto completo

[img]
Vista Previa
PDF (Document Portable Format) - Se necesita un visor de ficheros PDF, como GSview, Xpdf o Adobe Acrobat Reader
Descargar (3MB) | Vista Previa

Resumen

En un mundo en el que los recursos hídricos y la tierra cultivable son limitados, la agricultura es el principal usuario de ambos recursos, enfrentándose al reto de satisfacer unas necesidades crecientes de alimentos y productos de origen agrícola. Al mismo tiempo, la agricultura es una actividad multifuncional que regula varios procesos naturales y que resulta esencial para la seguridad alimentaria, el desarrollo humano y la economía de los medios rurales. Por tanto, se hace necesario un uso más eficiente del agua por parte del sector agrícola que al mismo tiempo no limite la provisión de bienes ambientales. Por otro lado, en una economía globalizada, la demanda por parte de los consumidores y las fuerzas económicas pueden determinar el desarrollo agrícola y por tanto, el uso de agua en la agricultura. Los consumidores y las empresas, de forma creciente, pueden ser actores relevantes en la gestión del agua a través de sus decisiones de compra y la creación de incentivos. Sin embargo, estos actores necesitan de indicadores y marcos de análisis que les permitan participar en esa gestión con información adecuada, de forma que puedan contribuir a la gestión sostenible y eficiente del agua. Este cambio hacia un uso más eficiente del agua en la agricultura se verá reforzado si se amplían las perspectivas, incluyendo además de los beneficios económicos asociados al uso de agua, la consideración de las externalidades ambientales y sociales. De este modo se podrá abordar la cuestión de cómo definir un uso eficiente del agua social y ambientalmente sostenible. Esta complejidad necesita también ser entendida y abordada por los diferentes grupos de interés. El objetivo de esta tesis es la evaluación de la influencia de algunos vectores que condicionan las prácticas agrícolas y en consecuencia su uso del agua, su eficiencia y sostenibilidad. Asimismo, se explora la relación entre la perspectiva del producto, como unidad empleada en el sistema económico, y la cuenca hidrográfica, unidad del sistema socio-ambiental. La tesis emplea como herramienta el marco de análisis de la evaluación huella hídrica. La huella hídrica es un indicador holístico de uso de agua que considera el consumo de agua verde y azul y la presión sobre la calidad del agua. A lo largo de la tesis, el indicador se ve adaptado para ampliar la comprensión de algunas de las implicaciones del uso de agua en agricultura. La tesis analiza la eficiencia del uso del agua en tres casos de estudio. El primer caso se centra en la producción de bioetanol en el nordeste brasileño en condiciones de secano y bajo 8 niveles crecientes de riego. Se considera la eficiencia de uso del agua en términos físicos y económicos a nivel de parcela. El segundo caso de estudio analiza la sostenibilidad de un producto de consumo, unos pantalones vaqueros, desde la perspectiva de una empresa textil. Para ello, el análisis se centra en la producción agraria y la contextualiza a nivel de parcela y de cuenca hidrográfica, analizando la influencia de la política agraria común en las prácticas agrícolas. El tercer caso de estudio evalúa las implicaciones del cambio de prácticas agrarias en la producción de caña de azúcar en una cuenca hidrográfica brasileña y de nuevo contextualiza los resultados a nivel de cuenca, en este caso, mediante el análisis comparativo con el resto de usos de suelo de la cuenca. Se realiza una valoración de dos servicios ecosistémicos (SE) como método para considerar las externalidades de la agricultura. Los resultados del primer caso muestran cómo en la producción de etanol, la fase agrícola es el componente principal de la huella hídrica del producto, pues la fase industrial apenas representa el 1% de la huella hídrica total. Asimismo, el uso del bagazo y las vinazas, subproductos de la producción de etanol, reduce la huella hídrica total del etanol. Por otro lado, a medida que la lámina de riego aumenta, también aumentan el beneficio económico para el agricultor y la productividad física y económica del agua debido al aumento en los rendimientos de la caña de azúcar. Sin embargo, esta mejora se produce a costa de un aumento en la proporción de la huella hídrica total por litro de etanol de sus componentes azul y gris. La producción en secano muestra los menores resultados de huella hídrica total (verde, azul y gris), 1.647 l l -1, frente a la producción con mayor volumen de riego, en la que la huella hídrica en su fracción consuntiva es menor, 1.225 l l -1, pero la huella hídrica total es mayor, 1.758 l l -1, debido a la fracción de huella hídrica gris. Los resultados sugieren que la tendencia a irrigar con volúmenes cada vez mayores da lugar a una mayor eficiencia en el uso de agua a nivel de parcela. Sin embargo, esta conclusión no proporciona ninguna información sobre las consecuencias de las mayores presiones que se imponen en el sistema hidrológico por la mayor demanda de agua azul y potencial contaminación. En el segundo caso de estudio, se estimó que el principal determinante de la huella hídrica en productos textiles es la fase de obtención de las fibras, y en particular de las fibras de algodón sobre otras fibras de origen celulósico 5.128 m3 t -1 y2.285 m3 t -1 respectivamente. El análisis de la producción de algodón colocó el foco en la influencia de la política agraria común como determinante de la rentabilidad del cultivo y por tanto de las prácticas agrícolas empleadas. La huella hídrica del algodón aumentó de media un 50% como consecuencia de la desaparición de incentivos a la producción y por tanto de una menor aplicación de riego, fertilizantes y herbicidas. Sin embargo, al poner los resultados en el contexto de la cuenca, se mostró como la sostenibilidad del uso del agua está determinada en mayor medida por la gestión hidrológica y de los embalses. El tercer caso de estudio se centró en la producción de caña de azúcar en secano en la cuenca hidrográfica del Mogi-Guaçu-Pardo en Sao Paulo, Brasil en el periodo 2000-2012. Se estudió la influencia de dos procesos, por un lado, la mecanización de la cosecha de la caña en respuesta a la implantación de un protocolo ambiental, y por otro el efecto de los cambios de uso de suelo en la cuenca. En este periodo, se produjo un crecimiento de la superficie de caña en la cuenca, principalmente a costa de superficie de cultivos anuales y de pastos. Se estimaron las implicaciones de estos cambios sobre la eficiencia económica de uso del agua en la caña y la evaluación de dos externalidades ambientales, provisión de agua y costes de erosión. Para abordar la incertidumbre en la estimación de algunas variables clave como las tasas de erosión de cada uso de suelo o la evapotranspiración de la vegetación natural, plantaciones de eucaliptos y de pastos, se aplicó una simulación Monte-Carlo de forma que los resultados se obtuvieron en términos probabilísticos. Los resultados muestran como la productividad económica del uso de uso de agua en la caña aumentó de 0,089 a 0,33$ m-3. La mecanización del cultivo de la caña ha disminuido los costes de erosión y aumentó el valor de los servicios ecosistémicos (SE) generados de 0,0036 a 0,0037 $ m-3. Las áreas naturales, pastos y plantaciones de eucaliptos son los usos de suelo que generan mayor valor de los servicios ecosistémicos seleccionados, tanto por unidad de superficie ($ ha -1) como en relación al agua consumida. Los cultivos anuales resultan un uso de suelo más eficiente en la generación de valor de SE en relación a su consumo de agua que la caña de azúcar. A la escala de la cuenca hidrográfica, los cambios de usos de suelo han dado lugar a una mayor eficiencia económica de uso de agua, pero a una menor eficiencia de uso de agua en relación a las externalidades ambientales. Este efecto se produce a pesar de la mejora significativa en la eficiencia de uso de agua en la caña de azúcar y está asociada a la sustitución de pastos y cultivos anuales por parte de la caña. El análisis conjunto de la evolución de las prácticas de cultivo y la evolución de los usos de suelo apoya la interpretación de las implicaciones del cultivo de la caña de azúcar para el uso eficiente de los recursos a nivel de cuenca. Los resultados de esta tesis resaltan la importancia del análisis de los vectores que determinan las prácticas agrícolas y su contextualización a nivel local para entender la eficiencia de uso de agua y evaluar la sostenibilidad de las producciones agrícolas. De la misma manera que la sostenibilidad de uso de agua no se define a nivel de parcela sino a escala de cuenca hidrográfica, la definición de uso eficiente de agua varía si se estudia a nivel de parcela o de cuenca, enfocado en la productividad física, económica o respecto a la generación de valores ambientales. La consideración de varias perspectivas nos permite entender mejor las implicaciones de los cambios en la producción agraria. No es sencillo transmitir esta complejidad a grupos de interés más alejados de la realidad agraria, como empresas y consumidores, que se basan en la unidad “producto” para evaluar la sostenibilidad de su actividad. Sin embargo, marcos metodológicos como la evaluación de huella hídrica, debidamente adaptados, nos ayudan a transmitir esa complejidad y crear estrategias coherentes para el uso eficiente y sostenible del agua. ----------ABSTRACT---------- Agriculture is the main land and water user in a world where water and land resources are limited and face important challenges to satisfy increasing global demands. At the same time it is a multifunctional activity that conditions several natural processes and is essential for human food security, development and the rural economy. In a globalized economy, consumer demand for specific products and economic forces may be the root cause of agricultural development and therefore of water use. Consumers and companies are increasingly relevant actors in water management through their consumption choices, purchasing decisions and creation of incentives. Nevertheless, these actors need tools and frameworks to reach their objective of contributing to more sustainable and efficient water use. In the move towards more efficient water use, several perspectives are needed. Not only less water use per unit, but also a consideration for the economic benefits and a valuation of the externalities of agricultural production can help provide insight into the basic question of what is the most efficient, socially valuable water use. This complexity needs to be understood and addressed by all stakeholders. The goal of this research is to evaluate how the drivers of agricultural activity affect crop management and therefore its water use, water efficiency and sustainability. It explores the relationship between the product, the unit used in the economic realm, and the basin perspective, the socio-environmental unit. As a framework of analysis, the research uses the Water Footprint Assessment and the Water Footprint indicator. This is comprehensive indicator to look into the consumption of green and blue water resources and the indicator of pollution, the grey water footprint. This indicator is successively adapted and complemented to provide a fuller understanding of the implications of agricultural water use. The research addresses three case studies with varying scopes and indicators. The first case focuses on ethanol production in North-eastern Brazil under rainfed and increasing irrigation. It considers physical and economic productivity of land and water use levels at the field scale. The second one looks into the effect of the agricultural policies on the sustainability of water use in a consumer product, coming from the perspective of a textile company to the agricultural sector making the link from the field to the river basin scale. The third one studies the development of sugarcane in a river basin in Sao Paulo state, Brazil, under changing crop management practices, and places the results of the evaluation within its context with the other land uses in the basin. In this case, the concept of ES-valuation is used as a tool in the consideration of the externalities of agricultural water use. The results of the first case study suggest that, as irrigation levels increased, the physical and economic water productivity of sugarcane increases, at the expense of increased share of blue water footprint and higher grey water footprints per unit of ethanol. Rainfed production showed lowest total water footprint (green, blue and grey water footprint), 1,647 l l -1 of ethanol whereas full irrigation showed the lowest consumptive water footprint (only green and blue components) of 1,225 l l -1 of ethanol. If we consider also grey water footprint full irrigation average water footprint resulted in 1,758 l l -1 of ethanol. The main component of ethanol’s water footprint was the sugarcane production stage, as water consumption in the industrial stage represents 1% of the total water footprint. Reuse of ethanol production’s by-products, bagasse and vinasses contributed to lowering the water footprint of the final product, ethanol. Farmer’s profit and economic productivity of water use was higher for higher water regimes, linked to increased crop yield and lower irrigation costs. Nevertheless, rainfed production showed similar economic productivity of water as lower irrigation levels. These results suggest that the tendency to increase irrigation in sugarcane fields can lead to higher physical and economic efficiency of water use. Nevertheless, these results are limited to the field scale, so no information is provided into the consequences at the basin scale of increased potential pollution or the high blue water demand that such irrigation developments imply. In the second case study, it was found that the most relevant component of a consumer’s product WF was the fibre production stage which showed the highest share of the total product’s water footprint. Cotton-based fibres showed higher water footprint than cellulose-based fibres, 5,128 m3 t -1 and 2,285 m3 t-1 respectively. The subsequent study of cotton production stage brought the focus to the incidence of the Common Agricultural Policy (CAP) in determining farmer’s behaviour and crop management practices. The cotton fibres’ water footprint per ton increased by 50% on average as farmers cut down on their variable costs and yields decreased after the reform. Nevertheless, when these results were put in the basin context to evaluate the sustainability of cotton blue water footprint, it was found that the low relevance of cotton in the basin context provided little influence on water availability in the basin. Moreover, hydrological management from reservoirs was the most relevant factor in determining blue water availability in the basin and the maintenance of ecological flows. The third case study is focused on rainfed sugarcane production in the Mogi Guaçu-Pardo river basin in Brazil in the period 2000-2012. It looks into two concurrent developments in sugarcane production: the change from manual to mechanized harvesting and land use changes in the region whereby sugarcane area grew over pasture and field crops. We study the effects of such developments over land and water economic productivity and consider a set of two ecosystem services to explore some relevant trade-offs, water provisioning service and erosion potential. In order to deal with uncertainties in key variables like erosion rates per land use or evapotranspiration from natural vegetation, eucalyptus and pasture areas, Monte-Carlo simulations were performed. The results showed how sugarcane’s economic water productivity increased from 0.089 to 0.33 $ ha-1, linked to rise in sugarcane prices. At the same time ES generation per unit of land and water also increased, as erosion costs decreased linked to the extension of mechanized harvesting from an average of 35.5 $ ha-1 to 37$ ha-1 and from 0.0035$ m-3 and 0.0036$ m-3 respectively. Natural areas, pasture and eucalyptus plantations are the land uses providing the highest values of ES per unit of land and water. Annual crops, despite offering the lowest ES value per area (ha), offer relatively high water apparent productivity and ES value per unit of water use, and average of 31.2 $ ha-1, 0.254 $ m-3 and 0.0075 $ m-3 respectively. At the basin level, the increase in sugarcane area over pastures and annual crops has led to lower water apparent productivity and lower returns on ES value per unit of water, despite the improvements linked to the mechanization of harvesting. The results show the effect of agricultural management practices on the economic and ES returns on land and water use in a particular production system. At the same time, the analysis with the rest of land uses at the river basin level puts the results in perspective, thus providing insight into the rationality of water and land allocation. These results highlight the importance of looking at the local context of agricultural production to determine the water use efficiency and sustainability of agricultural production. The three case studies increasingly contextualize the product perspective, going from the field to the basin perspective, understanding the effect of the drivers of agricultural production on crop management practices and the need to consider issues like hydrological management, land use change and alternative land uses in the basin in order to look into the question of how efficient and sustainable water use is in agricultural products.

Más información

ID de Registro: 48204
Identificador DC: http://oa.upm.es/48204/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48204
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.48204
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 20 Oct 2017 07:00
Ultima Modificación: 19 Abr 2018 22:30
  • GEO_UP4
  • Open Access
  • Open Access
  • Sherpa-Romeo
    Compruebe si la revista anglosajona en la que ha publicado un artículo permite también su publicación en abierto.
  • Dulcinea
    Compruebe si la revista española en la que ha publicado un artículo permite también su publicación en abierto.
  • Recolecta
  • InvestigaM
  • Observatorio I+D+i UPM
  • OpenCourseWare UPM