Balancing nitrogen at the farm gate: Economic-environmental sustainability trade-off in pastoral dairy systems of Uruguay

Abstract

Uruguay's dairy can potentially enhance milk productivity competitively, but intensification risks elevating nitrogen (N) surplus, heightening environmental concerns. This study quantified farm-gate N inputs and outputs, calculating N surplus (input-output) and N use efficiency (NUE=output/input) for 17 commercial modal dairy systems identified in the 2014 and 2019 national surveys and 6 prospective intensified systems based on experimental pastoral farmlets achieving near-maximal rainfed productivity. Current dairy systems maintained N surplus at 71 kg N ha-1 between 2014 and 2019 (range: 44-97 kg N ha-1) while improving NUE from 28.3 to 30.5% (range: 20-35%). Intensification increased N surplus without necessarily reducing NUE. Our analyses highlight three aspects: (i) comparatively low N surplus of current Uruguayan dairy, (ii) nonlinear links between N surplus and stocking rate, feed intake, milk productivity and operating profit, and (iii) inequality between dairy systems in their contribution to national dairy N surplus reflects mainly disparity in farm size. These insights underscore the crucial need for understanding the actual fate of N surpluses: nitrate leaching, ammonia volatilisation, N2 denitrification, or N accumulation in soil organic matter. This is an unavoidable requisite for designing management practices and policies able to effectively optimise the economic and environmental sustainability of Uruguayan dairy.

La lechería uruguaya presenta la oportunidad de mejorar la competitividad en la productividad de leche. Sin embargo, la intensificación aumenta el riesgo de elevar el excedente de nitrógeno (N) y la contaminación ambiental. Este estudio evaluó las entradas y salidas de N predial, N excedente (entrada-salida) y eficiencia de uso de N (NUE=salida/entrada) de 17 sistemas modales (encuestas nacionales 2014–2019), y 6 sistemas intensificados basados en estudios experimentales de alta productividad de leche por hectárea en secano. Los sistemas lecheros actuales mantuvieron un N excedente de 71 kg N ha-1 entre 2014 y 2019 (rango: 44-97 kg N ha-1), y mejoraron la NUE de 28,3 a 30,5% (rango: 20-35%). De nuestro análisis se destacan tres puntos: (i) el N excedente comparativamente bajo de la lechería uruguaya actual, (ii) las relaciones no lineales entre N excedente y carga animal, consumo de alimento, productividad de la leche e ingreso de capital, y (iii) la contribución desigual entre los sistemas lecheros al excedente nacional de N de la lechería refleja principalmente la disparidad en el tamaño de los predios. Estos hallazgos evidencian la necesidad crucial de entender el destino real de los excedentes de N: lixiviación de nitratos, volatilización de amoníaco, desnitrificación de N2 o acumulación de N en materia orgánica del suelo. Este es un requisito ineludible para diseñar prácticas y políticas de gestión capaces de optimizar efectivamente la sostenibilidad económica y ambiental de la lechería uruguaya.

A pecuária leiteira uruguaia apresenta a oportunidade de melhorar a competitividade na produtividade do leite. No entanto, a intensificação aumenta o risco de elevar o excesso de nitrogênio (N) e a poluição ambiental. Este estudo avaliou as entradas e saídas de N na propriedade, o excesso de N (entrada-saída) e a eficiência de uso de N (NUE = saída/entrada) de 17 sistemas modais (pesquisas nacionais 2014–2019) e seis sistemas intensificados com base em estudos experimentais de alta produtividade de leite por hectare em sequeiro. Os sistemas leiteiros atuais mantiveram um excesso de N de 71 kg N ha-1entre 2014 e 2019 (faixa: 44-97 kg N ha-1) e melhoraram a NUE de 28,3% para 30,5% (faixa: 20-35%). De nossa análise, destacam-se três pontos: (i) o excesso de N comparativamente baixo na pecuária leiteira uruguaia atual, (ii) relações não lineares entre o excesso de N e carga animal, consumo de alimentos, produtividade do leite e entrada de capital, e (iii) a contribuição desigual entre os sistemas leiteiros para o excesso nacional de N da pecuária leiteira reflete principalmente a disparidade no tamanho das propriedades. Essas descobertas evidenciam a necessidade crucial de entender o destino real dos excessos de N: lixiviação de nitratos, volatilização de amônia, desnitrificação para N2 ou acumulação de N na matéria orgânica do solo. Este é um requisito inegociável para projetar práticas e políticas de gestão capazes de otimizar efetivamente a sustentabilidade econômica e ambiental da pecuária leiteira uruguaia.