Introducción

Valles Altos es la fisiografía con suelos ácidos de la cadena neo volcánica entre los 2 200 a 2 700 msnm y es donde se cultiva más de un millón de hectáreas de maíz en los estados de Tlaxcala, Puebla, Hidalgo, Querétaro, Michoacán y el Estado de México. En este último estado se cultiva el maíz de marzo a octubre con lluvias de 600 a 800 mm. Los rendimientos promedian en este estado por hectárea de 2.65 t ha^-1 en temporal y de 3.75 t ha^-1 con riego (^{Trueba, 2012}). Los últimos años, los rendimientos de grano de maíz en Valles Altos del Estado de México se han estancado, ante lo cual se exploran estrategias para mejorar la situación, entre algunas alternativas, destacando reportes sobre mejoramiento genético y la adopción de las mejores prácticas de la fertilización y manejo en el cultivo de maíz en Valles Altos.

Para aumentar rendimientos de grano de maíz se ha acudido a la selección recíproca recurrente en poblaciones de maíz de Valles Altos en suelos con alto y bajo contenido de nitrógeno (^{Moreno-Pérez et al., 2004}), a la evaluación del efecto del nivel de humedad y nitrógeno en el suelo en el comportamiento de maíces híbridos y criollos (^{Kibet, et al., 2009}); al estudio de híbridos de maíz normales y de alta calidad de proteína a la fertilización química (^{Palafox et al., 2005}); y la siembra de semillas mejoradas y la nutrición, principalmente con nitrógeno (^{Barbieri et al., 2008}; y ^{Cervantes et al., 2013}).

Para la eficiencia del aprovechamiento de nutrimentos se siguen dos estrategias: una para aumentar la absorción y asimilación del N por la planta para lograr un mayor exploración del sistema de raíces (^{Lynch, 2007}) y vigor de tallo y hojas (^{Guohua et al., 2008}); y la otra para tener una mayor tasa de translocación de N desde el tallo y hojas en pos antítesis para formación de la mazorca del maíz (^{Gallais y Hirel, 2004}). Los dos últimos autores, señalan la interacción positiva genotipo x N impacta en mayor producción asociado a mayor actividad de la glutamina sintetasa (GS) en la etapa de desarrollo vegetativo (formación de un mayor número granos por mazorca) y que existe correlación negativa de producción de grano con la pronta senescencia del aparato fotosintético (llenado de grano).

La rentabilidad de cultivos es posible con la adopción de las mejores prácticas de fertilización (^{Bruulsema, et al., 2008}; ^{Carneiro et al., 2013}), siembra con mayores densidades (^{De la Cruz et al., 2009}) y diferentes arreglos topológicos como surcos angostos (^{Reta et al., 2003}), a doble hilera (^{Gozubenli et al., 2004}) y la combinación de dos o más factores anteriores con híbridos con “alto potencial de rendimiento” para optimizar el aprovechamiento de la luz, agua y nutrimentos (^{Hodges y Evans, 1990}; ^{Farnham, 2001}; ^{Shapiro y Wortmann, 2006}; ^{Cueto et al., 2006}; ^{Rivera et al., 2007}; ^{Barbieri et al., 2008}; ^{Cervantes et al., 2013}).

El objetivo del estudio fue establecer la relación de los rendimientos de grano de maíz híbrido en Valles Altos del Estado de México con una mayor densidad de siembra, secuencias anuales de fertilización de N al suelo y definir el índice de cosecha (IC) de los macro nutrimentos N, P, K, Mg y S en grano respecto al total medido en planta. Este objetivo da continuidad a investigaciones sobre la dinámica de absorción de N del desarrollo vegetativo a reproductivo de maíz (^{Ciampitti y Vyn, 2011}); la medición del rendimiento y extracción de NPK de maíz forrajero en surcos estrechos (^{Reta et al., 2007}); el destino del fertilizante nitrogenado en un cultivo de maíz (^{Rimski, et al., 2008}); y el cambio de la composición de elementos minerales del grano de maíz por dosis “alta y baja” de N (^{Yu-kui et al., 2009}).

Materiales y métodos

El experimento se sembró los años 2009, 2010 y 2011 con el híbrido de maíz de grano blanco H-51 AE en la primera semana de mayo en el Rancho San Nicolás del municipio de Timilpan en el Estado de México con altitud de 2 628 msnm y coordenadas 19º 34’ 23.28” latitud norte y 99º 46’ 25.62” longitud oeste. El clima del lugar se clasifica como templado sub-húmedo con precipitaciones abundantes en los meses de agosto-septiembre. En pre siembra el terreno fue regado cada año en el mes de abril con lámina de 15 cm de agua. Se registraron precipitaciones acumuladas de mayo a noviembre de 808 mm en el 2009 con exceso en septiembre y octubre; de 459 mm bien distribuidas en 2010, y de 387 mm en 2011 con sequía en julio y agosto más heladas en llenado de grano los días 8 y 9 de septiembre y después interrupción súbita del temporal de lluvia. Al sumar los 150 mm de agua de la punta de riego de cada año a las lluvias, se calculó el maíz recibió 958, 609 y 537 mm de agua en los años 2009, 2010 y 2011, respectivamente.

Algunas características del suelo vertisol pélico analizadas en laboratorio de acuerdo a la ^{SMCS A. C., 1987} y calificados por criterio de ^{Alarcón (2004)} fueron: textura “franco arcillo arenoso”, pH de 5.23 unidades (fuertemente ácido), CE del extracto de 0.58 dS m^-1 (no salino), y materia orgánica de 1.98% (moderadamente bajo). De macro nutrimentos en mg por kg de suelo seco (SS) se midieron: N inorgánico 20.9 (mod. alto), fósforo con método Bray 1 de 37. 3 (mod. alto), potasio con 198 (mod. bajo), calcio 1 449 (mod. bajo), magnesio 454 (mod. alto), y azufre 15.8 ppm (mod. alto). De micro elementos en mg kg^-1 de SS: boro con 0.47 (bajo), zinc 0.96 (mod. bajo), cobre 80.47 (mod. bajo), fierro 159 ppm (muy alto), manganeso 58.6 ppm (muy alto) y aluminio 25.2 ppm (muy alto). Se destaca la relación de 7.31 de Mg/K al calcularse sobre me/100 g SS (muy alta) y de Ca/Mg (baja).

El diseño de seis tratamientos (Cuadro 1) evaluó la siembra del híbrido H-51 AE con dos densidades (D₁= 65 mil y D₂= 85 mil plantas por ha^-1) y tres secuencias anuales de Ni al suelo (con N siempre N₁= N-N-N, primer año sin nitrógeno N₂= 0-N-N y sin N los tres años N₃= 0-0-0) y dos dosis de N (N= 300 y N= 180 kg ha^-1). La combinación de factores 2Di*3Ni= 6 tratamientos donde: T₁= D₁*N₁, T₂= D₁*N₂, T₃=D₁*N₃, T₄=D₂*N₁, T₅= D₂*N₂ y T₆= D₂*N₃. La fertilización nitrogenada al suelo se complementó al momento de la siembra con P₂O₅, K₂O, MgO, S y Zn. A los tratamientos del T₁ al T₃ en los tres años de les aplicó la dosis en kg ha^-1 de 0-90-90-44-50-3. A los tratamientos del T₄ al T₆ en los tres años se aplicó la fórmula de 0-45-45-0-0-0. El N se fraccionó 20% a la siembra, 40% en V_4-5 con primera escarda y 40% en V_8-9 en secunda escarda con “tiro animal” dada la altura de las plantas.

Se utilizó un diseño con dos factores (dos densidades x tres secuencias incluyendo dos dosis de N) en arreglo completamente al azar y cuatro repeticiones. Las variables medidas fueron: producción de grano ajustado al 14% de humedad, índice de grano/mazorca, índice de grano/biomasa planta, número de mazorcas ha^-1, granos/mazorca, granos/ m², peso de 100 granos, y el peso de la biomasa constante secada a la estufa a 65 °C del grano y la paja (incluye tallo, hojas y olote); los cuales fueron analizados por separado en laboratorio para medir sus contenidos de N, P, K, Mg y S de acuerdo a metodologías publicadas por ^{Alcántar y Sandoval (1999)}. Las variables de rendimiento de grano y forraje se midieron en parcela útil de seis surcos de 0.8 m x de 10 m de largo. El resto de las variables se midieron de nueve plantas al azar de la parcela útil, valores que se añadieron a las variables de rendimiento. Las pruebas de hipótesis se hicieron con el paquete ^{SAS (1998)} y las comparaciones de las medias por efecto simple e interacciones se separaron con la prueba de Tukey al 5% de error. Se calcularon los coeficientes de correlación Pearson de las variables de producción de grano y biomasa total contra los contenidos de macro-nutrimentos.

Resultados y discusión

Con base al análisis estadístico de tres años, existió respuesta altamente significativa de las variables agronómicas (Cuadro 2) y los contenidos de macro elementos en la biomasa de maíz y sus índices de cosecha en el grano, con excepción magnesio en el olote o chala (Cuadro 3). La producción media de grano en t ha^-1 fue de 5.15; y se destaca del segundo año de 7.24a con clima “óptimo” vs el peor rendimiento de 2.68c de tercer año con sequía y helada en llenado de grano. El índice promedio de grano/biomasa fue de 0.35 en contraste al año 3 con siniestro de helada y sequía de 0.25; esto es el grano representó de un tercio a un cuarto de la biomasa total. La variación de producción entre ciclos fue fuertemente influenciada a variaciones de clima y manejo de acuerdo a ^{Witt et al. (2006)}; ^{De la Cruz et al. (2009)} y ^{Kibet et al., (2009)}.

Los contenidos totales de cinco macro elementos, expresados en kg ha^-1 en la biomasa total de maíz (grano, paja y olote), en promedio de los tres años, fueron: 187.9 de N, 30.6 de P, 69.9 de K, 24.1 de Mg y 11.6 de S (Cuadro 3). Los índices de cosecha de estos elementos en el grano de maíz fueron: ICN= 0.45, ICP= 0.75, ICK= 0.21, ICMg= 0.45 e ICS= 0.43. Estos valores son verosímiles a los publicados por el Instituto Internacional de la Nutrición de la Planta (IPNI, 2009) para una cosecha de 10 t ha^-1 de grano y su respectiva paja de maíz; y anotan: N de 0.66, P de 0.75, K de 0.21 y Mg de 0.28; los cuales equivalen en dicha cosecha de grano las cantidades en kg ha^-1 de 145N, 30P, 40K y 8Mg. De igual modo, estos resultados están acordes a los publicados por ^{Ciampitti y Vyn (2011)} con relación a nitrógeno a Ciampitti y García (2007) referido a requerimientos nutricionales asociado a la absorción y extracción de nutrimentos y estudios de García (2009) sobre el manejo eficiente de nutrientes en maíz.

Existió diferencia significativa del promedio de grano en t ha^-1 por ciclos y fueron: año 1= 5.59b, año 2= 7.24a y año 3= 2.68c (datos en franja gris del Cuadro 4). También existió diferencia de medias de grano en t ha^-1 por efecto de tratamiento de densidad y secuencia anual de N y se destacó T₁= 7.07a, seguido por T₂ y T₄ con 5.86b y 5.61b, respectivamente. Por aumentar la densidad de plantas por ha^-1 a la cosecha de 65 mil (T₆) a 85 mil (T₃) de la secuencia “siempre sin nitrógeno” (0-0-0); se obtuvo de 3.40d a 4.28c t ha^-1 (última columna de Cuadro 4). Al comparar tratamientos dentro de cada año; se visualiza los rendimientos de grano en t ha^-1 de secuencia de 0-0-0 (sin nitrógeno los tres años); el año 1 con sequía/inundación produjo T₃= 5.07de vs T₆=3.69defgh (estadísticamente igual debido a alta variación de datos pero numéricamente se aprecia conviene aumentar densidad aunque no se aplique N en esta condición); año 2 con clima óptimo T₃= 4.61defg vs T₆=4.68defg (por menor costos se decide por menor densidad si no se fertiliza con N); y año 3 con clima con sequía y helada T₃= 3.14ghij vs T₆=1.83j de nuevo igual estadísticamente por alto C. V. pero numéricamente se aprecia conviene aumentar densidad aunque no se aplique N en esta condición). En síntesis; si no se cuenta con fertilización con N, asegurar mayor población para rendimientos de grano ligeramente mayores en concordancia a estudios de (^{Shapiro y Wortmann, 2006}; ^{Rivera et al., 2007}; ^{Barbieri et al., 2008}; ^{Cervantes et al., 2013}).

Otras comparaciones ortogonales de este tipo no son válidas para las otras secuencias de N y solo se procede a hacer comparaciones de pares de Di*Ni “alta” vs “baja” densidad en el estudio de tres años y dentro de los años. Así, el rendimiento medio de grano en t ha^-1 en tres años de la combinación Di*Ni alta (T₁= 85 mil plantas*300 N siempre) fue 7.07a vs 5.61b de Di*Ni baja (T₄= 65 mil plantas*180 N siempre). Y por ciclos: año 1.- T₁= 7.61bc y T₄= 7.04c; año 2.- T₁=10.28a y T₄= 7.76bc; y año 3.- T₁= 3.32fghij y T₄= 2.03j. La decisión entonces es: a mayor densidad de plantas con secuencia anual de siempre dosis alta de N aumenta rendimiento; sí y solo si las condiciones de clima (segundo año) se presenta con lluvias en cantidad suficiente (ni sequía o exceso del primer año, o sequía y helada en llenado de mazorca de tercer año) y distribuida durante el ciclo y sin heladas. El factor disponibilidad de humedad y factores adversos de clima dan lugar a optimizar el sistema de producción de acuerdo a ^{Farnham (2001)}; y de sugerir estrategias de mejoramiento genético tanto en la eficiencia de absorción nutrimental (^{Lynch, 2007}) como en la asimilación (^{Moreno-Pérez et al., 2004}; ^{Guohua et al., 2008}).

¿Qué pasa al retornar a la práctica de fertilización con N al suelo después de omitirla un año? Al comparar grano promedio en tres años del Cuadro 4 de la secuencia anual de 0-N-N con 300 kg ha^-1 del (T₃= 5.86b) vs T₅= 0-N-N con 180 kg ha^-1 (4.80c), se observa aumentó una tonelada de grano. Por analogía en año 1 con T₂= 5.23d vs T₅= 4.89def (sequía inicial y exceso de lluvias en formación de mazorca); año 2 con T₂= 8.81ab vs T₅= 7.33bc; y año 3 con T₂= 3.55dfghi vs T₅= 2.19hij (sequía y helada). Se invoca a principios de la teoría de juegos sobre el riesgo y la inversión. Primero debe asegurarse suficiente densidad de siembra con dosis moderadas de fertilizante; y conforme el clima sea favorable se invertirá en más insumos. Los datos extremos en rendimiento en t ha^-1 de grano de 10.28a del T₁ del año 2 (D₁, 300 N-N-N) vs 1.8 j del T₆ del año 3 sustentan la afirmación anterior de acuerdo a (^{Palafox et al., 2005}; García, 2009).

Las medias de la producción de biomasa total en t ha^-1 (grano, forraje y olote) se comparan a secuencia de tres años (franja gris, Cuadro 5), por tratamientos de densidad*fertilización (última columna) e interacciones de los años 1, 2 y 3 (conjunto de 6t*3 años). Así, el primer año con sequía inicial e inundación en formación de mazorca fue de 12.85b, comparado al segundo año en condición óptima de 14.52a y el tercero con sequía extrema y helada temprana de 9.34c. En cuanto a las medias de tres años por tratamientos Di*Ni se destaca T₁ con alta densidad la secuencia de 300N-N-N con 16.61a y en el extremo el T₆ con baja densidad y sin N los tres años con 8.69. De las interacciones de los años 1, 2 y 3; es válido hacer comparaciones en columnas dentro del año y por tratamiento para valorar secuencia de años en líneas horizontales y en conjunto de las 18 combinaciones de Ti*Ai en cualquier sentido. Las medias con mayor valor corresponden al año 2 en contraste a valores deprimidos del año 3. Más de tres veces significó la biomasa en t ha^-1 de T₁/ año 2= 21.14a vs 6.31h del T₆/año 3. Los datos anteriores coinciden con ^{Rivera et al. (2007)} sobre mayor producción de forraje de híbridos de maíz y más densidad.

Existió diferencia altamente significativa de contenido de N en grano y la biomasa total por ciclos (Cuadros 6 y 7, franjas grises) y con dichos valores se calculó los ICN de 0.45a, 0.51a y 0.35b de los años 1, 2 y 3 respectivamente (Cuadro 8, franja gris). De manera análoga por efecto de tratamientos (últimas columnas de los Cuadros 6, 7 y 8); se identifica reducción gradual de los contenidos de N en kg de T₁ a T₆ en grano con 122.3a a 52.0d; en la biomasa de 285.2a a 121.7e y los ICN no existió diferencia y el promedio fue de 0.44. Al abundar en comparaciones de los tratamientos de cada año, se observan diferencias de medias de los contenidos de N en grano y biomasa total de los dos primeros ciclos (año 1 y 2) pero fueron NS en año 3 con sequía y helada al llenado de grano. La plasticidad de N en cuanto a la partición en tejidos de grano y forraje por variaciones de clima y tratamientos se ilustra con la consistencia de los ICN del Cuadro 8. Estos resultados son coincidentes a los publicados por ^{Rimski et al. (2008)} con relación al destino del fertilizante nitrogenado en planta de maíz y la composición en grano (^{Yu-kui et al., 2009}).

Existió diferencia altamente significativa de contenido de P en grano y en la biomasa total por ciclos (Cuadro 9) y con dichos valores se calculó los ICP de 0.73b, 0.82a y 0.67c de los años 1, 2 y 3 respectivamente. De manera análoga por efecto de tratamientos (últimas columnas de los Cuadro 9); se identifica reducción gradual de los contenidos de P en kg de T₁ a T₆ en grano con 34.9a a 13.7d; en la biomasa de 44.7a a 19.4d y los ICP sólo existió diferencia para la secuencia de N 0-0-0 y el promedio fue de 0.70 en comparación a los de IPNI de 2009 de 0.75. Estos datos de P permiten deducir el fosforo está ligado a la función de N y de manera proporcional positiva; esto es, a más contenido de N, más de P. Es consistente el concepto anterior al comparar efecto de tratamientos en los años 1 y 2 (año 1 con sequía inicial e inundaciones al formar mazorca y en año dos óptimo), pero fueron NS en año 3 con sequía y helada al llenado de grano. Al igual que N, el ICP no presentó diferencia de medias por efecto de tratamientos dentro de cada ciclo de producción.

Finalmente, se encontraron correlaciones positivas con base a Pearson Prob > |r| con H0: Rho=0, en los siguientes pares de variables: grano al 14% de humedad con biomasa total (0.9), grano con N (0.79), grano con P (0.9), grano con Mg (0.9), biomasa con N (0.86), biomasa con P (0.95), biomasa con K (0.94) y biomasa con S (0.87). Lo anterior se interpreta de acuerdo a IPNI, 2009; la nutrición vegetal se asocia a mayor producción de forraje y éste con el rendimiento de grano de maíz.

Conclusiones

El valor absoluto de los contenidos de macro nutrimentos en la biomasa total y el grano de maíz híbrido H-51 AE fueron mayores asociados a condición óptima de clima (año 2), mayor densidad (85 mil plantas ha^-1) y dosis crecientes de N al suelo, así como la fertilización adicional para los elementos de magnesio y azufre. Los contenidos totales de cinco macro elementos, expresados en kg ha^-1 en la biomasa total de maíz en promedio de los tres años, fueron: 187.9 de N, 30.6 de P, 69.9 de K, 24.1 de Mg y 11.6 de S. De estos valores al grano de maíz o índices de cosecha de estos elementos fueron: ICN= 0.45, ICP= 0.75, ICK= 0.21, ICMg= 0.45 e ICS= 0.43; y éstos fueron afectados solo por el factor años asociado a clima. Al referir al año 2 de clima óptimo como “normal”, se encontró el valor de ICN en tercer año se redujo (sequía inicial y helada en formación de mazorca) y también una leve reducción de ICP del año 1 (sequía/inundación) y drástica baja en año 3 (sequía/helada). El aumento de densidad de siembra a 85 000 plantas ha^-1 significó ligeros aumentos de rendimientos de grano en años de clima adverso y muy significativos en clima óptimo. La fertilización de N al suelo deberá sostenerse en todos los años y podrá ser mayor con decisiones asociadas al pronóstico y ocurrencia del clima en Valles Altos.