Sitio experimental y material genético

Se estableció un experimento en condiciones de campo en Celaya, Guanajuato, México (20° 35′ 06.59′′ N, 100° 49′ 46.84′′ O; 1769 msnm). Los promedios históricos de la precipitación anual y temperatura para el sitio de estudio son de 645.5 mm y 18.1° C, respectivamente. El suelo vertisol pélico arrojó valores de pH (1:2 agua) de 7.19 unidades, contenido de materia orgánica de 2.17 % y textura franco arcillo limosa ^{(FAO, 2007)}. Se utilizaron las variedades de trigo de invierno Gema C2004, Nana F2007 y Urbina S2007, generadas por el INIFAP y adaptadas para su producción en la región de El Bajío.

Tratamientos

Para generar los tratamientos se fertilizó el suelo con la dosis de 240-60-00 kg ha^-1 de N-P₂O₅-K₂O. La fuente de N fue sulfato de amonio y se aplicó con diferentes fracciones porcentuales: en la siembra (Z0), encañe (Z3) y espigamiento (Z5). Todo el P se aplicó en la siembra como superfosfato de calcio triple. Se instaló una micro-parcela isotópica de 2.3 m² en cada tratamiento y se aplicó sulfato de amonio enriquecido con 3.0237 % de átomos en exceso de ¹⁵N (*). Cuando se fraccionó el fertilizante-N, se repitió el mismo tratamiento para marcar con ¹⁵N cada aplicación de forma independiente; es decir, 100*-00-00, 00-100*-00, 50-50-00 (50*-50-00 y 50-50*-00), 00-50-50 (00-50*-50 y 00-50-50*), 70-30-00 (70*-30-00 y 70-30*-00), 30-70-00 (30*-70-00 y 30-70*-00), 00-30-70 (00-30*-70 y 00-30-70*), 00-70-30 (00-70*-30 y 00-70-30*) y 33-33-33 (33*-33-33, 33-33*-33 y 33-33-33*). También se incluyó un tratamiento control que no se fertilizó con N.

Diseño y unidad experimental

El diseño experimental fue de bloques completos al azar con cuatro repeticiones, con arreglo parcelas divididas. Los tratamientos de la parcela mayor fueron para las variedades y las sub-parcelas fueron para los tratamientos de fraccionamiento del fertilizante nitrogenado. La unidad experimental fue de cinco surcos a doble hilera (0.76 m de ancho y 5.0 m de largo).

Manejo agronómico

Las prácticas agronómicas se realizaron según las recomendaciones propuestas por el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP-Campo Experimental Bajío) para la siembra de trigo en surcos, entre las cuales se destaca la aplicación de tres riegos, el primero previo a la siembra y dos más a los 45 y 75 días posteriores.

Variables evaluadas

Se evaluaron las variables peso seco de grano (PSG), peso seco de paja (PSP) y peso seco total (PST) en kg ha^-1, índice de cosecha (IC), N en grano, paja y total (kg ha^-1), N derivado del fertilizante (Nddf) (kg ha^-1) y eficiencia en el uso del fertilizante-N (EUN). La cosecha se realizó en madurez fisiológica, se trillaron las espigas separando el grano de la paja y se registró el rendimiento en kg ha^-1. Los resultados sobre la calidad de semilla de este experimento ya han sido reportados por ^{González-Figueroa et al. (2018)}.

En las muestras que contenían ¹⁵N, el N total y la relación isotópica ¹⁵N/¹⁴N se determinaron por espectrometría de masas en un espectrómetro de masas de relaciones isotópicas (IRMS SERCON 20-20, Crewe, Reino Unido), como lo describen ^{Barrie y Prosser (1996)}. Los cálculos isotópicos de ¹⁵N se determinaron por el método de dilución isotópica ^{(Zapata, 1990)}.

Análisis estadístico

Los datos se analizaron siguiendo el procedimiento estándar de análisis de varianza; cuando la prueba de F fue significativa se realizó la prueba de comparación de medias por la diferencia mínima significativa (DMS, P ≤ 0.05) utilizando el software SAS 9.3 ^{(SAS Institute, 2011)}.

Rendimiento y contenido de nitrógeno

Los resultados de rendimiento y contenido de N obtenidos por las diferentes variedades se presentan en el Cuadro 1. Con respecto al PSG, Gema C2004 obtuvo el mayor rendimiento, con 5659 kg ha^-1. Nana F2007 presentó el mayor PST, con 18,039 kg ha^-1; sin embargo, el 70.3 % fue de paja, como se refleja en su IC de 0.31, en contraste con Gema C2004, cuyo IC fue de 0.41.

En cuanto al contenido de N, hubo diferencias entre variedades (P ≤ 0.05) y todas las variedades presentaron mayor acumulación de N en grano que en paja. Gema C2004 obtuvo el mayor valor de N en grano con 116.7 kg N ha^-1 y la menor producción en paja con 62.9 kg ha^-1, acumulando un total de 179.6 kg N ha^-1; por el contrario, la variedad Nana F2007 obtuvo el menor valor de N en grano, con 104.6 kg N ha^-1 y el mayor en paja, con 98.2 kg N ha^-1, acumulando un total de 202.8 kg N ha^-1 y, por lo tanto, un menor IC de N.

Se presentaron diferencias (P ≤ 0.05) entre los fraccionamientos de la fertilización-N en la producción de materia seca y el contenido de N (Cuadro 2). El testigo absoluto obtuvo el menor rendimiento de grano, con 3116 kg ha^-1, mientras que los mayores rendimientos se obtuvieron al fraccionar la fertilización-N en 30-70-00 y 33-33-33, con 6822 y 6469 kg ha^-1, respectivamente. Cuando se realizó una única aplicación de fertilizante-N los rendimientos de grano fueron los más bajos, y no superaron los 4850 kg ha^-1. La disponibilidad temprana de N normalmente se traduce en mejores rendimientos, y su aplicación en etapas tardías puede mejorar la cantidad y calidad de las proteínas en grano ^{(De Oliveira Silva et al., 2020)}; sin embargo, el peso de la cosecha de grano tiende a disminuir si todo el N se aplica en la siembra, y la calidad del grano aumenta cuando se aplica en la etapa fenológica de amacollamiento.

La estrategia de fraccionar la dosis de fertilizante nitrogenado al suelo tiene su fundamento en las hipótesis de: primera, de reducir pérdidas de N y con ello la polución y segunda, con la translocación temprana de asimilados aumentar el peso y calidad del grano. Los resultados no concuerdan con los reportados por ^{Chen et al. (2006)}, quienes encontraron que cuando hay suficiente N residual en el suelo no es necesario aplicar N antes de la siembra del trigo y no observaron diferencias (P ≥ 0.05) en el estado nutricional de N o en el rendimiento en comparación a cuando se aplica antes de la siembra; asimismo, ^{Wallace et al. (2019)} encontraron que posponer la aplicación de fertilizantes hasta el final del amacollamiento disminuyó las pérdidas de fertilizante-N manteniendo el rendimiento. Los resultados obtenidos para el contenido de N entre los fraccionamientos de la fertilización-N mostraron las mismas diferencias (P ≥ 0.05) entre tratamientos que las reportadas para rendimiento.

En la interacción variedad × fraccionamiento de la fertilización-N todas las variedades mostraron la misma tendencia que la de los fraccionamientos, los mejores rendimientos se produjeron cuando el fertilizante-N se fraccionó en 30-70-00, seguido de 33-33-33; probablemente debido a la reducción de las pérdidas y la disponibilidad del N en las etapas críticas de formación y llenado de grano.

Se obtuvieron las mismas diferencias (P ≤ 0.05) en el contenido de N entre tratamientos que las reportadas para rendimiento. El fraccionamiento donde se produjo la mayor asimilación de N, independientemente de la variedad, fue 30-70-00 con un promedio de 253.14 kg N ha^-1. Hay dos fuentes de N para el grano, el N almacenado en las partes vegetativas hasta la antesis y la absorción de N después de la antesis. Si la absorción de N no es un factor limitante, la principal fuente de N para el llenado de grano (60-92 %) se almacena en los órganos vegetativos ^{(Simpson et al., 1983)}; entonces, para aumentar el contenido de N de grano es necesario aumentar ambas fuentes. ^{Xue et al. (2016)} concluyeron que el N absorbido de manera tardía en trigo se utilizó directamente para la síntesis de proteínas en el grano, afectando no sólo la cantidad de proteínas sino también la distribución final en esta estructura.

Se han reportado grandes diferencias en las concentraciones de proteínas del grano debido al manejo de la fertilización-N ^{(Beres et al., 2018}; ^{Walsh et al., 2018)} y aunque el rendimiento no se ve afectado cuando la disponibilidad de N es adecuada durante el desarrollo temprano del grano, las aplicaciones fraccionadas de N aumentan el contenido de proteína del grano en comparación con la aplicación de N sólo en la siembra ^{(Abedi et al., 2011}; ^{Hirzel et al., 2010}; ^{López-Bellido et al., 2012)}.

Los resultados de la interacción variedad × fraccionamiento mostraron que, para todas las variedades de trigo, la mayor asimilación de N se produjo con el fraccionamiento 30-70-00 (30*-70-00 y 30-70*-00). En grano, el mayor valor se obtuvo en la variedad Gema C2004, con 168.24 y 167.00 kg N ha^-1; en paja, la variedad Nana F2007 asimiló 165.99 y 161.27 kg N ha^-1. Entre las variedades estudiadas, hubo diferencias genotípicas en la asimilación y movilización de N. La eficiencia de la movilización de N al grano puede diferir entre genotipos ^{(Pan et al., 2020)}. ^{Fuertes-Mendizábal et al. (2010)} indicaron que el contenido de N en el grano de trigo depende del cultivar, las condiciones ambientales y del manejo de la fertilización, el dividir la tasa de N tiene un efecto beneficioso sobre la calidad del grano. La respuesta a las aplicaciones únicas o fraccionadas de N han sido inconsistentes, ^{Schulz et al. (2014)} determinaron que una aplicación de N en el período entre el amacollamiento y alargamiento del tallo es suficiente para lograr un alto rendimiento y calidad del grano del trigo, ésto simplificaría la fertilización con N, en contraste con hacer tres o cuatro aplicaciones; sin embargo, una sola aplicación de N puede resultar en un menor contenido de proteína cruda en grano.

Eficiencia del Uso del fertilizante-N (EUN)

La EUN es una medida cuantitativa de la absorción real de N por parte de la planta con relación a la cantidad de fertilizante-N añadido al suelo, y la forma más común de expresarlo es en porcentaje ^{(Zapata, 1990)}. El Cuadro 3 muestra los resultados de la EUN en porcentaje por las variedades estudiadas. Urbina S2007 obtuvo la mayor eficiencia con 32.34 %, seguida de Nana F2007 con 26.60 % y Gema C 2004 con 26.03 %. Las diferencias (P ≤ 0,05) se deben a la eficiencia fisiológica con la que las plantas utilizan el N y dependen principalmente de las características del genotipo y la disponibilidad del nutrimento. ^{Ron y Loewy (2000)} determinaron que las variedades de ciclo largo e intermedio satisfacen los requerimientos iniciales del N nativo más fácilmente que las de ciclo corto; los cultivares de ciclo corto, en cambio, son más dependientes de la fertilización; esta afirmación no concuerda con los resultados obtenidos en este experimento, ya que las variedades Gema C2004 y Nana F2007 son de ciclo largo y Urbina S2007 de ciclo intermedio, y todas mostraron valores bajos de EUN. Cuando no se aplica N al momento de la siembra, aun cuando los requerimientos de N antes del amacollamiento son realmente bajos, en general, no superan el 10 % del total asimilado a lo largo del ciclo de cultivo.

Los resultados de las fracciones marcadas con ¹⁵N se presentan en el Cuadro 4. Entre las fracciones aplicadas al momento de la siembra, el tratamiento 30*-70-00 presentó el mayor EUN, con 38.81 %; en Z3, el tratamiento 30-70*-00 obtuvo la mayor eficiencia con 42.24 %; en Z5, los valores de EUN fueron bajos en relación con los otros tiempos de aplicación, teniendo el tratamiento 33-33-33* el mayor EUN con 31.39 %. En general, la EUN fue baja, lo que en parte puede estar relacionado con la baja cantidad de materia orgánica del suelo; ^{Rehim et al. (2020)} reportaron que existe una estrecha relación entre la materia orgánica del suelo y la EUN. Los resultados aquí obtenidos contrastan con los reportados por ^{Liang et al. (2020)} quienes, al estudiar con técnicas isotópicas los tiempos y tasas de aplicación de fertilizante-N, encontraron que el Ndff asimilado por el trigo no fue afectado por el manejo del N. Por otro lado, la asimilación de N se maximiza cuando el fertilizante-N se aplica poco antes del período de más rápida absorción, en trigo este período ocurre entre el alargamiento temprano del tallo y la antesis, pudiendo acumular hasta el 75 % del N total en la biomasa aérea alcanzada en la madurez ^{(Velasco et al., 2012)}. ^{López-Bellido et al. (2012)} encontraron que la EUN no se vio afectada por el fraccionamiento de la fertilización-N en el cultivo de trigo; sin embargo, la menor tasa de recuperación de N se produjo cuando todo el fertilizante-N se aplicó en la siembra.

Al igual que ^{Liu et al. (2020)}, en el presente estudio se encontró que cuando la EUN es mayor, el rendimiento de grano aumenta; sin embargo, debe haber un equilibrio entre el rendimiento y la EUN, ya que casi siempre se observa una alta EUN y un bajo rendimiento cuando la cantidad de fertilizante-N aplicada es reducida; por lo tanto, las aplicaciones de fertilizantes-N deben ser manejadas para aumentar la EUN; es decir, el N debe ser aplicado en las dosis apropiadas y en el lugar y momento adecuado ^{(Salim y Raza, 2019)}.

El % Nddf asimilado de cada fracción aplicada después de la siembra se vio afectado por la cantidad de fertilizante-N aplicado en las etapas anteriores. Si hay una deficiencia de N en etapas tempranas, la planta no se desarrolla adecuadamente y su capacidad de asimilar el fertilizante-N puede disminuir.

Considerando la eficiencia acumulada de las fracciones marcadas con ¹⁵N (Cuadro 5), se encontró que las mayores EUN en grano y total se obtuvieron cuando el fertilizante fue fraccionado en 30-70-00, con un 29.08 y 41.14 %, respectivamente. Cuando no se aplicó fertilizante-N en la siembra las EUN fueron bajas, menores de 26 %, por lo que en las condiciones regionales del estudio es necesario aplicar fertilizante-N en la siembra. ^{Dhillon et al. (2020)} encontraron que el momento de la aplicación de N tiene un impacto significativamente mayor en el rendimiento que el método de aplicación; además, la EUN es mayor con aplicaciones divididas que con la aplicación total antes de la siembra.

Los resultados de la EUN en las interacciones variedad × fraccionamiento con ¹⁵N marcado muestran que en las tres variedades las aplicaciones en un sólo fraccionamiento o en Z5 los valores de EUN en grano, paja y total son más bajos que en las aplicaciones divididas en la siembra y en Z3. Considerando la acumulación de todas las fracciones marcadas, las variedades Gema C 2004 y Nana F 2007 presentaron el mayor EUN en el fraccionamiento 30-70-00, mientras que Urbina S2007 lo mostró cuando el fertilizante-N se fraccionó en 33-33-33.

^{Penning de Vries et al. (1974)} calcularon que 1 g de glucosa producida por fotosíntesis puede ser utilizado por el cultivo para producir 0.83 g de carbohidratos o 0.40 g de proteína, lo que implica que al aumentar el contenido de proteína se utilizan más fotosintatos y, por tanto, se ocasiona una disminución de la producción de materia seca; además, los análisis económicos indican que el aumento de la proteína del grano mediante la fertilización-N no siempre es rentable y depende de factores externos como el precio al contado del trigo, la disponibilidad de trigo con alto contenido proteico y el costo de la fertilización-N ^{(Pan et al., 2020)}.