Matemáticas para incrementar de manera eficaz el cultivo de maíz

“No hay muchas cosas en las que los mexicanos nos pongamos fácilmente de acuerdo. Una de las excepciones es que todos amamos el maíz”, dice Marco Tulio Angulo, investigador del Instituto de Matemáticas en la Unidad Juriquilla.

La producción del grano es fundamental para la seguridad alimentaria, el desarrollo económico y la conservación del patrimonio cultural de México. Gracias a su gran capacidad de adaptación, el maíz se cultiva en las milpas para autoconsumo o en grandes extensiones de terreno para comercializar.

Sin embargo, la agricultura extensiva tiene impactos ambientales como la destrucción de los hábitats naturales, la utilización de grandes cantidades de agua, el uso de fertilizantes y pesticidas que contaminan el agua y el suelo y la aceleración de la erosión.

En México, el maíz es motivo de controversia. Hay quienes critican que se importe y no se produzca suficiente en las tierras donde fue domesticado. Otros contemplan la autosuficiencia como una opción inviable dado el enorme impacto que implicaría su producción. Frecuentemente las decisiones sobre qué hacer están más influidas por ideologías que por el conocimiento científico, expresó en el coloquio ¿Cómo expandir óptimamente la agricultura de maíz en México y el mundo? 

Angulo, quien es doctor en ingeniería en control automático, propone salir del entramado político para cuestionar qué debemos hacer para expandir responsablemente la producción de maíz, partiendo de que cada nación es soberana en sus decisiones. Esto es cómo podemos garantizar que la demanda por maíz sea satisfecha y simultáneamente, minimizar el impacto ambiental de su agricultura.

Agua y carbono

En los últimos 30 años, el cultivo de maíz se ha expandido; sin embargo, países como México se han convertido principalmente en consumidores importadores y otros, como Estados Unidos, se han consolidado como productores. Datos de 1990 muestran que en ese entonces la producción y el consumo del grano en nuestro país estaban balanceados, pero con el neoliberalismo y el Tratado de Libre Comercio eso cambió. Fue una situación que impactó a muchos países a medida que el mundo se globalizó.

La ciencia no ha estudiado a fondo este problema. Ante ese vacío, el grupo de trabajo del doctor Angulo analizó datos que los 10 principales consumidores y productores de maíz recabaron durante 30 años.

Con base en esa información, el equipo diseñó un modelo matemático con el fin de predecir el comportamiento de la producción de maíz a partir de factores como el precio de los insumos (fertilizantes y pesticidas), la paga por tonelada a los agricultores y variables climáticas, como la lluvia. El modelo fue capaz de prever la trayectoria —de una década— de la producción de maíz en regiones como Estados Unidos, China, Brasil y México, con situaciones muy distintas.

Para visualizar el impacto ambiental, se consideraron dos aspectos: la huella hídrica y la huella de carbono. El análisis matemático permite traducir estos dos aspectos en la capacidad de producir localmente o en la necesidad de importar.

Si se opta por producir maíz localmente, aumentará el gasto de agua y, por tanto, la huella hídrica. Si se importa aumentarán las emisiones de gases de efecto invernadero y, por ende, la huella de carbono, por todo lo que implica transportar el maíz.

El modelo sirve para caracterizar las opciones de expansión óptimas que cualquier país o región puede seguir dependiendo de qué prefiere priorizar: agua o carbono.

Tomar decisiones

Los resultados permitieron conceptualizar y probar el “Teorema de la transición óptima a la autosuficiencia”, como llaman a su modelo matemático, el cual caracteriza las decisiones que cada región podría tomar.

Para utilizar este teorema, cada región necesita elegir dos parámetros: “lambda” que es el número de metros cúbicos de agua disponibles para no liberar una tonelada de carbono. Esta elección indica qué tan importante es el líquido con respecto al carbono liberado para una región en particular.

El segundo parámetro es elegir el precio máximo por tonelada de maíz que la región puede pagar a los productores. En México y en el mundo, una estrategia para regular la producción agrícola es el precio de garantía, es decir, lo que el gobierno asegura pagar por una tonelada de alimento.

Una vez que se determinan los dos parámetros, el modelo matemático y la teoría de control óptimo permiten encontrar la trayectoria de expansión óptima que la región debería seguir en la próxima década.

Se obtiene una secuencia con el precio que debe pagarse a los productores por tonelada de maíz en los diez años siguientes, que garantiza que no se sobrepase el precio máximo prescrito y minimiza el impacto ambiental, es decir, la huella hídrica y la de carbono.

Si se eligen distintos valores del parámetro lambda, se obtienen soluciones diversas. “Si lambda es igual a cero, quiere decir que solamente importa el agua. Es decir, la región no está dispuesta a intercambiar ni un milímetro cúbico de agua por una tonelada de carbón.

En este caso la expansión óptima consiste en importar maíz, a costa de pagar poco a los productores. Cuando se fija lambda igual a infinito sucede lo contrario: la región está dispuesta a intercambiar toda su agua para no contaminar con una tonelada de carbón. En este caso, la expansión óptima consiste en producir localmente hasta alcanzar la autosuficiencia, pagando mucho a los productores”, explica el matemático.

Esta secuencia de precios que determina las ganancias de los agricultores es clave para la transición. Si no se pagan precios altos, los agricultores optarán por no producir maíz y se preservará el agua. En cambio, cuando se quiere disminuir el impacto de emisiones por importación se debe garantizar un pago alto; aunque esta opción parezca onerosa, es más probable que se alcancen las metas de la autosuficiencia, explica el investigador.

Se podría esperar que para un valor intermedio de lambda, la expansión óptima sería un esquema en el que no se pagara mucho ni poco. El teorema de la transición óptima muestra que esta expectativa es falsa.

El teorema prueba que existe un valor crítico para lambda (2.4 para México). Debajo de ese valor lo óptimo es importar, y arriba de ese valor lo ideal es buscar la autosuficiencia. “Este fenómeno discontinuo no está limitado a nuestro modelo, sino que puede probarse qué ocurre bajo condiciones muy generales” explica el doctor.

“Hay más factores involucrados en la producción del maíz; sin embargo, uno de los ideales que buscábamos en este primer trabajo era mantenerlo lo más simple posible con la idea de poder comunicarlo”.

En futuros proyectos, este equipo de Instituto de Matemáticas se plantea más aspectos que complejizan el problema, por ejemplo, cómo se deben coordinar las rutas del maíz dentro de la República mexicana para que su impacto sea mínimo y que al mismo tiempo,  producir localmente implique reducir la huella de carbono.