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Agrociencia (Uruguay)

versión impresa ISSN 1510-0839versión On-line ISSN 2301-1548

Agrociencia Uruguay vol.17 no.2 Montevideo dic. 2013

 

Eficiencia energética en sistemas lecheros del Uruguay



Llanos Eduardo1,3, Astigarraga Laura1, Jacques Ruben2 y Picasso Valentín1,3

1Departamento de Producción Animal y Pasturas, Facultad de Agronomía, Universidad de la República. Garzón 780, 12900 Montevideo, Uruguay. Correo electrónico: edullan20@gmail.com

2Departamento de Suelos y Aguas, Facultad de Agronomía,Universidad de la República. Garzón 780, 12900 Montevideo, Uruguay.

3Departamento de Sistemas Ambientales, Facultad de Agronomía, Universidad de la República. Garzón 780, 12900 Montevideo, Uruguay.


Recibido: 17/9/12 Aceptado: 20/9/13




Resumen

Reducir el consumo de energía fósil y aumentar la eficiencia energética de los predios agropecuarios resulta en ventajas ambientales y económicas. El objetivo de este trabajo fue analizar sistemas de producción de leche desde el punto de vista energético, para identificar las principales variables que inciden en la eficiencia energética y consumo de energía fósil, a través de un modelo de entradas y salidas. El modelo incluyó como entradas los costos energéticos de alimentos, mano de obra, electricidad, agroquímicos, combustibles y maquinaria, y como salidas la producción de leche y carne. Se analizó una base de datos de 30 predios lecheros del sur de Uruguay, remitentes a la Cooperativa Nacional de Productores de Leche (Conaprole), organizados en tres estratos en base a su productividad de leche por hectárea. El uso de energía fósil para producir un litro de leche fue de 2,40; 3,63 y 3,80 MJ.L-1 para los estratos de productividad bajo, medio y alto respectivamente (P<0,01). Los promedios de eficiencia energética fueron 1,40; 0,90 y 0,86 para los mismos estratos (P<0,01). La energía fósil de los agroquímicos y los combustibles representó más del 80% de la energía consumida para los tres estratos. A mayor porcentaje de concentrado en la dieta, menor fue la eficiencia energética (P<0,01). Estos resultados sugieren la existencia de una relación negativa entre la intensificación productiva y eficiencia energética.


Palabras clave: ENERGÍA FÓSIL, BALANCE ENERGÉTICO, INTENSIFICACIÓN, SUSTENTABILIDAD



Summary


Energy Efficiency of Dairy Systems in Uruguay



Reducing fossil fuel consumption and increasing energy efficiency of agricultural systems may result in environmental and economic benefits. The aim of this study was to analyze dairy production systems from an energy perspective, to identify the main variables affecting energy efficiency and fossil energy consumption, through a model of inputs and outputs. The model included as inputs energy costs of food, labor, electricity, agrochemicals, fuels and machinery, and as outputs dairy and meat production. We analyzed a database of 30 dairy farms from southern Uruguay, from the Cooperativa Nacional de Productores de Leche (Conaprole), organized in three strata based on their dairy productivity per hectare. The fossil energy use was 2.40, 3.63 y 3.80 MJ.l-1 for productivity strata low, medium and high respectively (P<0.01). Energy efficiency averages were 1.40, 0.90 y 0.86 for the same strata (P<0.01). Fossil energy of agrochemicals and fuel accounted for more than 80% of the energy consumed in the three strata. The greater the percentage of concentrate in the diet, the lower energy efficiency (P<0.01). These results suggest the existence of a negative relationship between the intensification of dairy production and energy efficiency.

Keywords: FOSSIL ENERGY, ENERGY BALANCE, INTENSIFICATION, SUSTAINABILITY


Introducción

Los sistemas de producción post Revolución Verde se hicieron más dependientes de insumos externos como fertilizantes, agroquímicos y combustibles, que consumen energía fósil para su producción (Fluck, 1992). El uso ineficiente de la energía puede resultar en impacto ambiental (Meul et al., 2007). Minimizar el consumo de energía fósil es un objetivo para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mitigar el cambio climático global (Parry et al., 2007). Aumentar la eficiencia energética y diversificar la matriz energética con fuentes no fósiles son objetivos de las políticas energéticas a nivel mundial, incluido Uruguay (Dirección Nacional de Energía Planificación y Balance, 2011). La transformación de los alimentos en productos (carne y leche), constituye una etapa ineficiente en términos energéticos (Denoia et al., 2008). Desarrollar sistemas agrícolas energéticamente eficientes permitiría reducir costos de producción y aumentar los precios a través de la certificación ambiental de los productos agropecuarios de exportación.

En los últimos 20 años la producción lechera en Uruguay ha crecido consistentemente (DIEA, 2010). La base del sistema de producción es pastoril, aunque existe un incremento en los niveles de alimento concentrado y forrajes conservados (Astigarraga, 2004) que se asocian a niveles productivos mayores. Los sistemas lecheros en Uruguay al igual que en Argentina presentan una variabilidad relativa en términos de uso de insumos por unidad de superficie en comparación con otros países europeos, China, Japón, Nueva Zelanda y Estados Unidos (Viglizzo et al., 2011), que los torna interesantes para estudiar el impacto del grado de intensificación sobre el consumo de energía fósil y su eficiencia energética. Además existe interés del sector industrial lácteo por incluir indicadores de calidad ambiental de la producción en el análisis de la performance productiva de los predios.


La intensificación de los sistemas lecheros está asociada al uso de concentrados y reservas, lo cual permite aumentar la productividad de leche y la salida de energía. El uso de concentrados implica a su vez un aumento en el consumo de energía fósil del sistema. Dado que aumentan a la vez el consumo y la salida de energía, no está claro el efecto neto en la eficiencia energética. La hipótesis de este trabajo fue que a mayor intensificación de los sistemas de producción (medida en términos de productividad de leche por hectárea y de consumo de alimentos concentrados), aumentaría la eficiencia energética. El objetivo de este estudio fue analizar distintos sistemas de producción de leche desde el punto de vista energético, para identificar las principales variables que inciden en el consumo de energía fósil y la eficiencia energética. Para ello se planteó: 1. desarrollar un modelo para cuantificar las entradas y las salidas de energía dentro de un sistema de producción lechero ajustado a las condiciones de Uruguay; 2. determinar la eficiencia energética y el consumo de energía fósil para un conjunto de predios lecheros del sur del Uruguay; 3. identificar las variables tecnológicas asociadas en mayor medida a la eficiencia energética y el consumo de energía fósil con énfasis en la intensificación productiva.


Materiales y métodos


Estructura del modelo


En la Figura 1 se presentan las principales características del modelo «AGROENERGÍA» utilizado para cuantificar las entradas y las salidas de energía del sistema de producción de leche a nivel del predio. El productor puede incidir en al menos tres puntos para mejorar la eficiencia energética del sistema: 1. la cantidad de insumos entrantes, 2. la cantidad de alimento comprado como una fuente externa de energía y 3) la salida de producto como una variable productiva propia del predio.


El modelo de cálculo «AGROENERGÍA» se realizó en una planilla Microsoft Excel 2007 con tres hojas. Las características del sistema productivo se ingresan en la primera hoja, siendo datos de clasificación del predio (nombre, propietario, superficie, mano de obra), y datos productivos: litros de leche producida por año, stock de animales y ventas, alimento comprado (maíz, sorgo, afrechillo de trigo, soja, pellet de girasol, sustituto lácteo, raciones), agroquímicos y semillas, y superficie utilizada en las diferentes actividades agrícolas en el predio (pasturas, silo, fardos, silo de grano húmedo, cultivos de granos y mantenimiento). Los cálculos de uso y producción de energía se realizan en la segunda hoja, en base a las ecuaciones y coeficientes energéticos que se detallan más adelante. Los resultados de los cálculos se presentan en la tercer hoja: energía consumida y producida (total, por hectárea y por litro de leche), eficiencia energética, la proporción del consumo de energía en maquinaria, en mano de obra, en alimento comprado, en actividades agrícolas y en alimento producido dentro del predio y sus componentes (combustible, electricidad, agroquímicos), separando en uso de energía fósil y energía no fósil.


Los coeficientes energéticos y los criterios de cálculo tomados de la bibliografía nacional e internacional se presentan en la Cuadro 1. Para el alimento comprado que entró al sistema, se calculó el costo energético de la producción de granos y oleaginosas. Para esto, se utilizaron los coeficientes energéticos del Cuadro 1, y rendimientos de cultivos y parámetros técnicos de producción de datos nacionales de la Cooperativa COPAGRAN de Soriano para el año agrícola 2009 (Rafael Vidal, com. pers.) presentados en el Cuadro 2. A los alimentos concentrados como expeller o raciones balanceadas se adicionó un gasto energético en el proceso industrial requerido para su fabricación, para la cual se tomaron datos de producción del Molino San José (Andrés Ferrari, com. pers.): en la preparación de 10 ton de alimentos balanceados se usaron 500 kW-h en la limpieza de granos y 300 kW-h en la molienda de henos y 400 kW-h de leña para el proceso de peletización.


Se utilizó la metodología para cuantificar los costos energéticos de operaciones de maquinaria presentada por Hetz y Barrios (1997), apoyada por los antecedentes presentados por ASAE (1993) y Fluck (1992), tanto para la producción del alimento comprado como la utilizada en el predio. Esta metodología determina los costos energéticos totales de la operación agrícola mecanizada por unidad de superficie (MJ.ha-1), adicionando la energía secuestrada en los materiales de construcción, incluyendo la fabricación, combustible, lubricantes, filtros, reparación, mantenimiento, y la mano de obra necesaria para operar los equipos. El Cuadro 3 muestra los valores energéticos calculados para diferentes actividades agrícolas en función del número de operaciones de maquinaria agrícola necesarias.


La energía contenida en los productos se calculó sumando la energía de la leche producida y de la carne producida, multiplicando la producción de leche (L) o carne (kg) por el valor energético de cada uno de ellos (MJ.l-1 y MJ.kg-1 respectivamente). El valor energético de la leche se calculó a partir de la ecuación de Tyrrell y Reid (1965), en función de los porcentajes de grasa y proteína de la leche. Para la carne se calculó a partir de la adición del valor energético contenido en músculos, esqueleto, órganos, depósito graso, piel y tracto digestivo (Gorrachategui, 1997). Con el peso de los animales y la proporción de los diferentes tejidos que lo conforman, se calculó el valor energético de cada componente del animal utilizando las tablas propuestas por Carnovale y Marletta (2000).


El análisis se basó en un año de producción. La eficiencia energética se calculó como el cociente entre energía producida y energía consumida (Odum y Odum, 1981). El balance energético se calculó como la energía producida menos la energía consumida. Los valores de balance energético mayores a cero corresponden a eficiencia energética mayor a 1. La energía consumida es la suma de la energía consumida fósil y la no fósil. La energía consumida fósil es la suma de la energía eléctrica proveniente de fuentes termoeléctricas, la energía fósil usada para el alimento producido en el predio, la energía fósil en alimento comprado fuera del predio y la energía fósil fija en maquinaria. La energía fósil usada para el alimento producido en el predio o comprado fuera del mismo es la suma de la energía en los combustibles y agroquímicos (fertilizantes, herbicidas, pesticidas, etc.) utilizados en el predio o los utilizados en la producción del alimento comprado, respectivamente. La energía no fósil es la suma de la energía eléctrica proveniente de fuentes hidroeléctricas, la energía en mano de obra y la energía proveniente de materiales orgánicos (leña utilizada en la producción de raciones).


La energía correspondiente al alimento comprado fuera del predio incluye la suma energética de los granos comprados (trigo, cebada, maíz, soja, girasol, sorgo, afrechillo de trigo), de las raciones (balanceado recría, balanceado invernada, ración terneros y sustituto lácteo) y de los forrajes conservados (heno y silo). La energía utilizada en las actividades agrícolas para la producción de alimento en el predio es la suma de las actividades de siembra y manejo de las pasturas, de los cultivos para ensilar de verano y de invierno, de los cultivos para enfardar de verano y de invierno, de los cultivos de conservados de grano húmedo, de los granos, y de la distribución de alimento.

Se utilizaron los registros productivos de 30 predios remitentes a la cooperativa Conaprole, para el ejercicio económico 2009-2010 (de condiciones climáticas relativamente promedio para el país), ubicados en la región sur del Uruguay, en los departamentos de Colonia, San José, Canelones y Maldonado. La cooperativa suministró la base de datos buscando cubrir la diversidad de productividad existente, seleccionando tres grupos de igual cantidad de predios pertenecientes a tres estratos de productividad (menor a 4500 L.ha-1, entre 4500-6000 L.ha-1 y mayores a 6000 L.ha-1). Los registros incluyen la información productiva de los predios, datos de variables estructurales (superficie, tenencia, maquinaria agrícola) y tecnológicas (uso de la tierra, conservación de forrajes stock de animales, suplementación) y se resumen en el Cuadro 4.



Análisis estadístico


Para las variables tecnológicas y energéticas incluyendo uso de energía fósil, eficiencia energética, balance energético, productividad de leche por hectárea y uso de concentrado, se realizaron análisis de varianza y posterior comparación de medias entre estratos ajustadas por Tukey, con un nivel de significancia del 5%. Además se realizaron análisis de correlación simple de Pearson, análisis de regresión lineal simple y de regresión lineal múltiple (Stepwise) para estudiar la relación entre eficiencia energética y variables tecnológicas del predio. Se utilizó el paquete estadístico INFOSTAT.


Resultados y discusión


Uso de energía fósil


El coeficiente de variación entre predios para el consumo de energía fósil fue de 38%, indicando que existe variabilidad entre los predios. El uso de energía fósil para producir un litro de leche fue de 2,40; 3,63 y 3,80 MJ.L-1 para los estratos de productividad bajo, medio y alto respectivamente (P<0,01, Cuadro 5). Estos valores están dentro de lo reportado en la literatura internacional para predios lecheros pastoriles, ubicándose hacia el límite inferior (ver Cuadro 7). Los predios uruguayos del estrato de baja productividad presentaron similar uso de energía fósil que los predios orgánicos de Suiza (Cedeberg y Mattsson, 1998) y Dinamarca (Refsgaard et al., 1998), mientras que los predios uruguayos del estrato de media y alta productividad tuvieron un uso de energía fósil similar a predios convencionales de Suiza y Dinamarca, y predios pastoriles de Francia (Le Gall et al., 2009; Cuadro 7). Los valores de predios uruguayos analizador presentaron inferior uso de energía fósil que los reportados por Denoia et al. (2008) en Argentina. Más adelante se discuten las posibles razones de estas diferencias.


Los estratos de alta y media productividad consumieron más energía para producir un litro de leche que el estrato de baja productividad (Cuadro 5) y esta diferencia se explica por un mayor uso de energía fósil. El mayor uso de energía fósil está asociado a un mayor uso de alimento concentrado comprado fuera del predio y no está asociado a mayor costo energético de actividades de producción de alimento en el predio (Cuadro 5). La energía fósil utilizada en agroquímicos y combustibles (suma de energía fósil en actividades agrícolas y alimento comprado) representó más del 80% de la energía consumida para los tres estratos. Los predios del estrato de productividad medio y alto usaron mayor energía fósil en agroquímicos y combustibles (P<0,05), siendo los valores: 2,12 MJ.l-1; 3,27 MJ.l-1 y 3,41 MJ.l-1 para los estratos de productividad bajo, medio y alto respectivamente. La variable tecnológica que más se asoció al uso de energía fósil fue el porcentaje de la materia seca de la dieta que se consumió de concentrados (Cuadro 6). Es decir, que en los predios lecheros estudiados, el mayor uso de energía fósil se debe a un mayor uso de alimentos concentrados, mayormente comprados fuera del predio, que tienen un alto costo de combustibles y agroquímicos. Estos resultados son consistentes con los reportados en predios europeos por Refsgaard et al. (1998) y Cedeberg y Mattsson (1998), donde el mayor uso de energía en los sistemas convencionales respecto a los orgánicos proviene de la producción de alimentos concentrados fuera del predio y el uso de fertilizantes. Le Gall et al. (2009) argumentan que los sistemas lecheros a base de praderas de gramíneas y leguminosas usan menos energía que los de montaña que se basan en concentrados (Cuadro 7). Hay acuerdo en la bibliografía que los fertilizantes representan la principal fuente del consumo de energía (Pimentel et al., 1973; Bel et al., 1978; Clements et al., 1995). Los gastos energéticos representados por los agroquímicos (incluidos los fertilizantes) son responsables por la mayor parte del uso de energía de los predios: 47 % (Bochu, 2002), 55% (Risoud, 2000), 60% (Meul et al., 2007), 73% (Rabier et al., 2010). Esto también es consistente con los encontrado por Viglizzo et al. (2006) para predios en Argentina, donde a mayor área en cultivos agrícolas, mayor uso de energía fósil. A pesar de que las metodologías utilizadas en la bibliografía internacional no son homogéneas y utilizan diferentes supuestos (por ejemplo, Cedeberg y Mattsson, 2000, no incluyen los costos energéticos de la maquinaria, Refsgaard et al. 1998 no incluyen la mano de obra, ni consideran la carne como producto, etc.), la mayoría de los trabajos indica que los predios con mayor grado de intensificación (mayor uso de insumos, mayor productividad) son los que usan más energía fósil, lo cual es consistente con nuestros resultados.


Eficiencia energética


La eficiencia energética fue mayor en el estrato de productividad bajo con respecto al estrato medio y alto (P<0,01) siendo la eficiencia del estrato bajo casi el doble que el estrato alto (Cuadro 5). Los resultados de eficiencia energética de este trabajo se encuentran en un rango similar a los reportados en Francia por Bochu (2002), con niveles de productividad similares (Cuadro 7) y a los reportados en Argentina por Frank (2007) para 200 predios agropecuarios. El coeficiente de variación entre predios para la eficiencia energética fue de 37%. Análogamente, el balance energético fue positivo para el estrato de baja productividad, y negativo para los estratos medio y alto (Cuadro 5). Las diferencias en eficiencia y balance energético se deben a diferencias en la energía consumida por litro de leche, y no a diferencias en energía producida por litro de leche (Cuadro 5). Esto nuevamente se asocia directamente con la dieta de los sistemas: los sistemas con mayor uso de concentrados tienen menor eficiencia energética. La variable tecnológica que más se asoció (en forma negativa) a la eficiencia energética fue el porcentaje de concentrado en la dieta (Cuadro 6). Las eficiencias energéticas encontradas por Denoia et al. (2008) en Argentina son menores a las presentadas en este trabajo, explicadas por un mucho mayor uso de energía fósil en los predios analizados (Cuadro 7). La eficiencia energética de los predios lecheros reportados por Risoud (1999) no es comparable con los de nuestras predios, ya que son sistemas de mucho menor producción de leche que los analizados en este trabajo (Cuadro 7).


La eficiencia energética resultó ser más dependiente del consumo de energía fósil (es decir, del uso de insumos como agroquímicos y combustibles) que de la producción de leche. Empíricamente, la eficiencia energética no fue dependiente de la energía producida (en leche y carne), sino de la energía consumida. La relación entre eficiencia energética y consumo de energía fósil resultó inversamente proporcional, siendo la ecuación obtenida: Eficiencia energética = 3,396 * Uso de Energía Fósil -1,0, (R2 = 0,975, P<0,01).


La proporción del alimento en pasturas está lineal y positivamente asociada a la eficiencia energética del predio (Cuadro 6). Los sistemas de base pastoril, que usan mayor proporción de pasturas, son los que menos energía consumen para producir un litro de leche, al hacer un mayor uso de la energía solar (fotosíntesis). Se realizó un análisis de regresión lineal múltiple para explicar qué variables inciden más en la eficiencia energética utilizando las variables tecnológicas listadas en el Cuadro 6, mediante el procedimiento de Stepwise y la única variable qué ingresó en el análisis fue el porcentaje de alimento concentrado. A mayor porcentaje de alimento concentrado en la dieta, menor eficiencia energética (Figura 2, Eficiencia energética = - 3,23 proporción de concentrado + 1,68, R2=0,41 P<0,001).


La Figura 3 evidencia una relación inversamente proporcional entre la eficiencia energética y la productividad de leche, que se ajusta adecuadamente a una ecuación exponencial negativa (Eficiencia energética = 817 productividad (-0.783), P<0,05, R2=0,499). Esta relación se explica porque la eficiencia energética se calculó como el cociente entre energía producida y la energía consumida, en ambos casos expresada por unidad de producto (MJ.l-1). El numerador de dicha ecuación resultó independiente de la productividad de leche (p=0,5077), ya que coincide aproximadamente con el valor energético de la leche. El denominador, en cambio depende directamente de los insumos utilizados, y empíricamente resultó una función lineal de la productividad: (E. Consumida = 0,0005 productividad + 0,94, P=0,0001, R2=0,54). Por lo tanto, la eficiencia energética resulta ser el cociente entre una constante y una función lineal de la productividad, que se representa adecuadamente por una ecuación exponencial negativa. Sin embargo, existe una alta dispersión en los datos, y la productividad explica menos del 50% de la variabilidad en eficiencia energética. Esto indica que existen predios de igual productividad con diferente eficiencia energética, lo cual indica que existen diferencias en el manejo de los predios, posiblemente en la eficiencia del aprovechamiento del pasto, que permiten mejorar la eficiencia energética.


Los resultados sugieren que en los predios analizados, a mayor intensificación medida en términos de uso de concentrados y productividad de leche, la eficiencia energética es menor. En efecto, el aumento en productividad de leche no logra compensar el aumento en uso de energía fósil, explicado principalmente por el mayor uso de agroquímicos y combustibles en el alimento concentrado comprado.


Conclusiones


Para el grupo de predios lecheros de Uruguay analizados, se encontró que el consumo de energía fósil es relativamente bajo comparado con la bibliografía internacional, y la eficiencia energética es relativamente alta. Esto posiciona a los sistemas lecheros pastoriles uruguayos en una situación positiva respecto a la competitividad internacional vinculada a aspectos ambientales. Por otro lado, se encontró una relación inversa entre la eficiencia energética y la intensificación. La menor eficiencia energética de los predios de mayor productividad estaría explicada por un aumento en el consumo de energía fósil, principalmente por el uso de agroquímicos asociados al mayor consumo de alimento comprado, que no se acompaña de un aumento proporcionalmente mayor en la energía producida en leche. Los predios que utilizan mayor proporción de pasturas en la dieta son los que presentan mayor eficiencia energética. Esto fundamenta la importancia de promover la producción pastoril eficiente en la lechería uruguaya. Adicionalmente, la dispersión de los resultados permitió identificar predios con alta productividad y alta eficiencia energética, que deberán ser foco de futuros estudios en profundidad. Posiblemente, la eficiencia del uso del pasto y del suplemento concentrado sea la clave para optimizar productividad y eficiencia energética. Esta línea de investigación debe continuarse para lograr diseñar y promover sistemas de producción lecheros sustentables.


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