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Introducción
El maíz (Zea mays L.) es uno de los cultivos de cereales más importantes de México y juega un papel importante en la seguridad alimentaria. El maíz (Zea mays L.) es fuente de péptidos bioactivos con actividad antihipertensiva, pueden obtenerse por hidrólisis de harina de gluten de maíz (HGM), como subproducto de molienda húmeda (Montoya-Rodríguez et al., 2020). Las sequías recurrentes y la competencia por el agua son las principales amenazas al desarrollo de este cultivo en Sinaloa; por tanto, la agricultura de riego por gravedad debe disminuir los volúmenes aplicados de agua sin una merma en los rendimientos (Conagua, 2020). En condiciones de baja disponibilidad y alta competencia por el agua, se requiere una estrategia integral para mejorar la productividad (García, 2007). Cabe mencionar que el uso y aplicación del agua en la producción de maíz, los volúmenes y tiempos de riego están a criterio de los agricultores, sin bases técnicas que regulen su uso, por lo que se desperdicia, sin prever los tiempos de sequía, en el estado de Sinaloa (Conagua, 2020). En México, el maíz ocupa la mayor superficie cultivada, de 7 a 8.5 millones de ha y la mayoría (85 %) en condiciones de temporal y solo el 15 % restante con riego por gravedad. Sinaloa es el principal productor de maíz con riego (65% de la producción nacional) durante el ciclo otoño-invierno. México a pesar de ser un país maicero, enfrenta un grave problema de autosuficiencia de maíz (Ojeda-Bustamante et al., 2006; López et al., 2001). Pero se requieren enfoques innovadores para ayudar a los agricultores a manejar sus escasos recursos de agua y nutrimentos en los campos de cultivo, que ofrezcan los mejores rendimientos, (Shahzad et al., 2017; Li et al., 2018). Los cultivos de cereales contribuyen con el 40 % de los componentes de energía y proteínas en la dieta humana y su cultivo cubre alrededor del 70 % de la superficie total agrícola del mundo, de todos los cereales, el maíz es el tercer cultivo más importante; además, se usa para producir bio-combustibles (Shahzad et al., 2017). La aplicación de aditivos orgánicos (soca de maíz procesada con pirolisis) tiene un efecto positivo en las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo, debido al alto contenido de macro nutrimentos (nitrógeno, fósforo, calcio y azufre), micronutrientes (hierro, cobre y zinc) y microorganismos benéficos (Głąb et al., 2018). Los abonos orgánicos se recomiendan en tierras sometidas a la agricultura intensiva para mejorar la estructura del suelo; con ello, se aumentan la capacidad de retención de agua y la disponibilidad de nutrimentos para las plantas (López et al., 2001). La aplicación a largo plazo de fertilizantes orgánicos y químicos combinados puede estabilizar el rendimiento del cultivo y hacerlo más sostenible mejorando las propiedades del suelo (Li et al., 2018). El objetivo de este trabajo fue conocer el efecto hidrodinámico que tiene la aplicación de un aditivo orgánico sobre la retención de humedad en el suelo y su impacto en el rendimiento de grano de maíz y en la eficiencia de uso del agua durante el ciclo otoño-invierno 2018-2019 en Guasave, Sinaloa, México.
Materiales y métodos
El estudio se realizó en el campo experimental agrícola del Instituto Tecnológico Superior de Guasave, Sinaloa (ITSG), apoyado por los laboratorios de Biotecnología Agrícola del Instituto Politécnico Nacional (IPN) unidad Guasave, Sinaloa, con ubicación geográfica 25º 58’ latitud norte, 108º 52’ longitud oeste, 220 msnm. El área específica de la comunidad el Burrión, ubicada al sur de Guasave en el distrito de riego 063 a un costado de la carretera México 15. Guasave, Sinaloa, México, es una región agrícola de gran importancia llamada también “Corazón agrícola de México” (Conagua, 2020). Los suelos de la región de Guasave son planos en su mayoría, con una textura predominantemente franco arcillosa (60% limo, 20% arcilla y 10% arena), una densidad aparente de 1.1 g·cm-3, y una humedad aprovechable volumétrica alrededor del 16 % (Conagua, 2020). De acuerdo a las estadísticas, Sinaloa es el que aporta mayor producción de granos a nuestro país, pero el que más agua utiliza en siembras de maíz y otros cultivos (Conagua, 2020).
Diseño experimental
Se evaluaron tres tratamientos con dos dosis de un aditivo Orgánico, T-1 = Suelo normal, T-2 = Suelo + 250 kg aditivo orgánico/ha-1, T-3 = Suelo + 500 kg aditivo orgánico/ha-1, con tres repeticiones, en un espacio de 30 x 90 m2. Los materiales manualmente, posteriormente fueron incorporados y homogenizados con equipo de barbecho y rastreo, a una profundidad de 30 cm, que corresponden a 2.5 y 5 t·ha-1, con un costo de $2,000.00 x tonelada, se niveló el suelo a 10 cm de pendiente con equipo automatizado (GPS). Se marcaron los surcos, se fertilizó y se realizaron sus respectivos canales de alimentación y drenaje de agua; los equipos utilizados fueron: rastra, arado de discos, canalera, aspersores, sembradora de precisión, equipo de fertilización cultivo y tractor marca John Deere.
Propiedades físicas y químicas de los suelos
Se determinaron las propiedades físicas del suelo de los tres tratamientos, la Textura (Método de Day) (Buol et al., 1997), Ph, Conductividad eléctrica (CE), materia orgánica (MO), Densidad aparente (ρa), Densidad real (ρb), Porosidad total (ψ), Infiltración acumulada (f) y Tasa de infiltración (F) (Laboratorio de Física de suelos de la Universidad Autónoma de Chapingo) y aplicando el modelo de Green y Ampt (Prado et al., 2017) Se determinaron las curvas de infiltración de humedad según Green y Ampt (1911) y Prado et al. (2017), con la finalidad de predecir lamina (cm) y tiempos de riego (h) en el suelo utilizado.
Se realizó un análisis químico (N, P, K, Ca, Mg, Fe, Cu y Na) a los tres tratamientos en el laboratorio de fertilidad del Instituto Politécnico Nacional (IPN) unidad Guasave, para definir la dosis de fertilización.
Elaboración de aditivo orgánico
Se recolectaron materiales secos de maíz, biomasa agrícola, en predios de agricultores en Burrioncito, Guasave Sinaloa. Posteriormente se trituraron (polvo), proceso de secado del cual se introdujeron en un equipo cerrado en ausencia de oxígeno, aplicando temperaturas de 300 °C, con la finalidad de obtener carbonos (C), utilizados como aditivos orgánicos retenedores de humedad en suelos agrícolas, el equipo cuenta con una salida para liberar oxigeno (O), hidrogeno (H) y alquitranes (ligninas y pectinas), materiales de los que está conformado la soca de maíz. La pirolisis es uno de los procesos más utilizados para separar los carbonos existentes en materiales orgánicos (celulosa, hemicelulosa, lignina, pectina) en la que se aplica temperatura en ausencia de oxígeno, dichas sustancias orgánicas pueden ser utilizadas como retenedores de humedad y elementos químicos del agua (Hernández et al., 2012).
Fertilización
La fórmula de fertilización que se aplicó fue de 400-100-00 de N-P2O5-K2O, respectivamente. Antes y después del riego se tomaron lecturas de humedad gravimétrica con la finalidad de realizar la siembra a Capacidad de Campo (CC), se sembró maíz variedad Asgrow Caribou, el 15 de noviembre de 2019 y se cosechó el 17 de mayo del 2020 con una humedad de grano de 14.7%. La densidad de siembra fue de 128,000 plantas·ha-1 con un espaciamiento entre plantas de 10-12 cm y una separación entre surcos de 0.75 m. La densidad óptima de siembra para tener un efecto positivo en los componentes del rendimiento y la mayor producción de maíz en la franja maicera de Estados Unidos (Jia et al., 2017). Los cambios en la fecha de siembra del maíz alteran la tasa de crecimiento del cultivo y la duración de las fases fenológicas, lo que, a su vez, modifica el rendimiento del grano y sus componentes (Bonelli et al., 2016).
Aplicación de riegos
La aplicación del riego se llevó acabo de acuerdo a las curvas de tensión de humedad, se tomó muestra del suelo y se mesclo con el aditivo, generadas en el laboratorio de física de suelos de la Universidad Autónoma de Chapingo de los tres tratamientos, realizando una aforación para determinar la cantidad de agua aplicada a los tratamientos (1200 L/h). Se calcularon los intervalos de riego mínimo y máximo (días), cantidad de riegos y caudal aplicado (Prado et al., 2017). Se midió la humedad volumétrica, antes y después del riego, con un equipo TDR-300 (Marca HANNA) calibrado con agua destilada, calculado de acuerdo a la evapotranspiración del periodo de cultivo (Blaney y Criddle, 1950), método usado extensivamente en los más de 130 distritos de riego de México. Lo ideal en el riego por gravedad a nivel parcelario es que todas las plantas reciban la misma cantidad de agua, lo cual equivale a una aplicación uniforme de la lámina de riego en toda la longitud del surco (Christiansen, 1942). Se realizaron evaluaciones de eficiencia de aplicación y distribución mediante aforo de sifones y mediciones de la humedad del suelo, se utilizó una pala (Azteca), sifones de hule de 1/2 pulgada de ancho y hules negros como compuertas. Se obtuvieron datos del gasto de agua (L) y producción en (kg); se establecieron mediciones cada 5 m, analizando 3 muestras de cada punto (0, 5, 10, 15, 20, 25, y 30 m) en cada tratamiento; todas las muestras fueron tomadas en forma aleatoria de la parte central, a partir de 2 m de la orilla del predio. Para medir estas variables se utilizaron cintas (marca Briyte), balanza granataria (Marca Hanna), rodillos para desgranar mazorca, recipientes de plástico para recolección de grano y bolsas transparentes para recolección de mazorca. Para el control de gusano cogollero (Spodoptera frugiperda) se aplicó Sevin G a los 30 días de crecimiento con equipo de aspersión.
Análisis estadísticos (ANOVA)
En la producción final de maíz se analizó en forma individual aplicando un ANOVA y la prueba de medias Tukey. Para el análisis estadístico de los datos se utilizó el programa R-Project 2.14.2 (Core Team, 2018).
Condiciones climatológicas
El promedio de las condiciones climatológicas tales como evapotranspiración humedad relativa (55 %), evaporación (6 mm) y temperaturas mínimas (16 °C) y máximas (41 °C) se tomaron desde la central de información de la Asociación de Agricultores Rio Poniente (AARP). Los principales factores climáticos que influyen en el crecimiento del maíz son la temperatura y lluvia, las cuales durante la temporada de cultivo estuvieron dentro del rango requerido para su crecimiento y desarrollo, en el caso de la temperatura, el umbral mínimo requerido para el crecimiento del maíz es 10 °C Djaman et al. (2013).
Resultados y discusión
El aporte de materia orgánica y la rotación de cultivos, aumenta la producción de maíz, ya que puede mejorar las características químicas y físicas del suelo, aumenta la fertilidad y puede aumentar la retención de humedad (Sun, 2018), del cual las plantas que se desarrollan en suelos ricos de materia orgánica, mantienen un equilibrio en su estructura fisiológica provocando una resistencia a plagas y enfermedades.
En la Tabla 1 se muestran las características químicas y físicas, relacionadas con el suelo franco arcillosos donde los macro y micronutrientes son muy similares en T2 y T3, con respecto al testigo T1, pero en las propiedades físicas como la porosidad total (Ψ), densidad aparente (ρb), densidad real (ρa), materia orgánica (MO) y su infiltración acumulada (F), si existen diferencias significativas, es por ello el mejoramiento de suelos. El incremento en retención de humedad en los suelos tiene efectos benéficos para las plantas, ya que reduce el estrés hídrico durante el crecimiento (Su et al., 2007). Además de aumentar la retención de humedad, la aplicación de aditivos orgánicos mejoró otras propiedades físicas del suelo; la materia orgánica se incrementó y la densidad aparente disminuyó, lo que explica el aumento en la porosidad y en la infiltración acumulada. Según Chun et al., (2017), la aplicación de materia orgánica en suelos con labranza convencional incrementa la formación de agregados, mejorando la estructura del mismo. En las propiedades químicas evaluadas, no se observaron efectos en la disponibilidad de N, P, K, Ca, Mg, Na, Fe y Cu.
Tabla 1 Características físicas y químicas del suelo con diferentes dosis de aditivo orgánico en Guasave, Sinaloa, México.
Table 1 Physical and chemical characteristics of the soil with different doses of organic additive in Guasave, Sinaloa, Mexico.
| Características Químicas | Símbolo | T1 | T2 | T3 |
|---|---|---|---|---|
| Nitrógeno (ppm) | N-NO3 | 25 | 25 | 24 |
| Fosforo (Olsen (mg/kg) | P | 11.6 | 11.6 | 11.6 |
| Potasio (Cmol/kg) | K | 2.97 | 2.98 | 2.98 |
| Magnesio (Cmol/kg) | Mg | 9.2 | 9.18 | 9.2 |
| Cobre (Cmol/Kg) | Cu | 0.4 | 0.5 | 0.4 |
| Calcio (Cmol/Kg) | Ca | 19.3 | 19.3 | 19.3 |
| Sodio (Cmol/Kg) | Na | 0.7 | 0.7 | 0.7 |
| Cond. eléctrica (mmhos/cm) | CE | 1.07 | 1.08 | 1.08 |
| Hierro (Cmol/Kg) | Fe | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| Características Físicas | ||||
| Materia orgánica (%) | MO | 1.1 | 1.22 | 1.3 |
| Textura | T | F-A | F-A | F-A |
| Potencial de hidrógeno | pH | 7.8 | 7.6 | 7.8 |
| Densidad aparente (g·cm-3) | ρb | 1.57 | 1.11 | 1.02 |
| Densidad real (g·cm-3) | ρa | 2.63 | 2.61 | 2.65 |
| Porosidad total (cm) | Ψ | 0.4 | 0.58 | 0.61 |
| Infiltración acumulada (cm) | F | 6 | 12 | 15 |
Testigo (T1), Tratamiento 2 (T2), Tratamiento 3 (T3) y F-A = Franco Arcilloso
En la Tabla 2 se aprecia que los días mínimos y máximos de riego son mayores en los T2 y T3 con relación al testigo T1, esto indica que la humedad es mayor y ayudaría a los agricultores a disminuir un riego menos en sus cultivos, al igual a los módulos de riego su ahorro de líquido vital, los días de riego se ampliarían: testigo T1 (1, 55, 80, 110 y 130 días), T2 (1, 60, 90 y 120 días), T3 (1, 65, 95 y 125 días). Estos estudios indican que es posible aplicar técnicas de retención de humedad en riego por gravedad para el suelo franco-arcilloso, que es predominante en la zona de Guasave, Sinaloa; es posible aplicar aditivos orgánicos y reducir el proceso de percolación y tener una mayor retención de humedad. Opatokun et al. (2017) Menciona que cada agricultor recibe un volumen de agua de acuerdo con el área de propiedad, sin tener en cuenta el tipo de cultivo y su requerimiento de agua, incluso si algunas parcelas no se explotan de acuerdo a las fechas de siembra, el tamaño de las parcelas y la cantidad de nitrógeno utilizado, sin importar el tiempo de riego. Las fechas de siembra son de suma importancia para fortalecer la producción (Jiménez et al., 2020).
Tabla 2 Intervalos mínimos y máximos, número riegos y caudal aplicado, calculados en laboratorio para aplicación en suelos con diferentes dosis de aditivo orgánico.
Table 2 Minimum and maximum intervals, number of irrigations and applied flow, calculated in the laboratory for application in soils with different doses of organic additive
| Intervalos de riego (días) | ||||
|---|---|---|---|---|
| Tratamientos | Mínimo | Máximo | Número de riegos | Caudal (L) |
| 1 | 13 | 20 | 5 | 18,000 |
| 2 | 17 | 26 | 4 | 14,400 |
| 3 | 17 | 26 | 4 | 14,400 |
T-1= Suelos normal, T-2 = Suelo+250 kg de aditivo orgánico/ha, T-3=Suelo + 500 kg de aditivo orgánico/ha.
Retención de humedad
El riego es la única forma de reducir el estrés hídrico de los cultivos y mantener las plantas con la humedad óptima para su crecimiento (Ojeda-Bustamante et al., 2006). En la Figura 2, se aprecia la retención de humedad, de acuerdo a la gráfica, es mayor la retención en T2 y T3 con respecto a testigo T1. De acuerdo a la cultura de los agricultores en Sinaloa, algunos aplican cantidades demasiado altas y otros demasiado bajas de agua en sus cultivos, lo que se debe a la falta de información del riego por gravedad, en los centros de investigación en la zona de Guasave, Sinaloa (García, 2007. Existen muchos métodos para medir la humedad del suelo, como el modelo de Richards y Kostiakov, pero son modelos complicados y de alto costo de operación (Prado et al., 2017). En esta investigación se aplicó el modelo de Green y Ampt (1911), modelo físico que, de acuerdo a parámetros obtenidos en laboratorio, puede predecir la lámina de riego (cm) y obtener el gasto de agua y tiempo en que debe aplicarse de forma precisa (Prado et al., 2017). La aplicación de aditivos orgánicos puede disminuir los tiempos de riego, ya que mejoran la retención del agua y algunas propiedades físicas del suelo, los polímeros súper adsorbentes (SAP) han sido desarrollados y utilizados como acondicionadores de humedad del suelo, como agentes de inmersión de raíces y semillas o como materiales de recubrimiento en la agricultura y la silvicultura; son materiales elaborados de biomasa seca, ricos en polímeros naturales, elaborados por pirolisis, utilizados para retener nutrientes y humedad en los predios agrícolas en China (Chen et al., 2017).
Producción y gasto de agua
Se puede apreciar en la Figura 3, que la producción es muy similar en los tres tratamientos, dando una producción: testigo T1= 17.9 t/ha-1, T2= 17.5 t/ha-1 y T3= 18.1 ton/ha de maíz, con un gasto de agua menor en los tratamientos T2 (4 riegos) y T3 (4 riegos) con respecto al testigo T1 (5 riegos), con una duración de 3 horas cada riego, con un gasto de agua (Tabla 2) de 1200 l/h, dando como gasto de agua/kg de maíz: T1= 18000 l/17900 kg de maíz, T2=14400 l/17500 kg de maíz y T3=14400 l/18100 kg, donde para producir un kilogramo de maíz se requiere en T1=1.005 litros de agua, T2= .82 litros de agua y T3= .79 litros de agua, es por ello que la incorporación de materiales orgánicos aumentan la retención de agua en los predios agrícolas, el mejor tratamiento retenedor de humedad y productor de maíz fue el T3, con respecto al testigo T1. Es importante aumentar la eficiencia del uso del agua (litros de agua por kilogramos de maíz producido), lo que podría lograrse con la aplicación de aditivos orgánicos, por lo que es un reto para la investigación, la producción de aditivos orgánicos elaborados con biomasa agrícola procesada por pirolisis (Opatokum, 2017). Se ha establecido que el maíz es más susceptible al estrés hídrico durante la etapa reproductiva, ya que se ha demostrado su mayor impacto en formación y llenado de grano (Doorenbos y Kassam, 1979).
ANOVA
Se encontraron diferencias estadísticamente significativas (α=0.05) entre los promedios de los tratamientos en gasto de agua para producir un kilogramo de maíz, con respecto al testigo y numéricamente T1=1.005 litros de agua para producir 1 kg de maíz, T1=1.005 litros de agua para producir 1 kg de maíz y T3=.80 litros de agua para producir 1 kg de maíz el 40 % de ahorro de agua T1=T3, es numéricamente mayor T3.
Tabla 3 Análisis de varianza (ANOVA) de la producción de maíz entre tratamientos con diferente dosis de aditivo orgánico.
Table 3 Analysis of variance (ANOVA) of the production of dry corn between treatments with different doses of organic additive.
| Origen de las variaciones | Suma de cuadrados | Grados de libertad | Promedio de los cuadrados | F | Probabilidad | Valor crítico para F |
| Entre grupos | 2.66 | 2 | 1.33 | 9.37 | 0.000978044 | 3.40 |
| Dentro de los grupos | 3.41 | 24 | 0.14 | |||
| Total | 6.07 | 26 |
En la producción de maíz se observó un mejor rendimiento en los tratamientos T-2 y T-3 que en el tratamiento T-1. No se observaron diferencias estadísticamente significativas entre los tratamientos T-1 y T-2, pero entre T1 Y T3 si existe diferencia significativa y numéricamente se observó un mejor resultado en el tratamiento T-3.
Conclusiones
La aplicación de aditivos orgánicos aumentó efecto en la retención de humedad en el suelo y permitió ampliar los días de riego por gravedad hasta un 30%, en relación a un suelo sin aditivo orgánico. La aplicación de aditivos orgánicos aumento la producción de maíz en T3 y aumento la eficiencia de uso del agua en un 40 %. La humedad aprovechable (HA) varió por la cantidad de aditivos orgánicos aplicado que estuvo asociada a un incremento de la materia orgánica del suelo. Ambas variables explicaron 30.8% la variación de la HA, donde este fenómeno explica que con menos agua o tiempo de riego se puede aumentar la producción de maíz en un 5 %. Con base en los resultados obtenidos la aplicación de aditivos orgánicos, sería de gran utilidad en el ahorro de agua y evitar la escasez del vital líquido en los mantos acuíferos, evitando sequias a largo plazo, además de reducir costos en la producción de maíz y otros cultivos.
