![Use of soil moisture retainers on the survival and growing of two grass species Bouteloua curtipendula [Michx.] Torr. and Chloris gayana Kunth](/img/en/next.gif)
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Introducción
La avena como forraje es un cultivo de amplia adaptación climática1,2 e ideal para el ciclo otoño-invierno en zonas áridas y semiáridas por su alto contenido energético3. El rendimiento de forraje fluctúa de 7 a 15 t ha-1 con apoyo de riego, el intervalo en rendimiento responde a la amplia variabilidad genética y a la disponibilidad de agua. Aunque se considera un cultivo de bajo requerimiento hídrico, algunos estudios presentan valores de 3,212 m-3 ha-14 y 3,788 a 5,290 m-3 ha-15 a madurez fisiológica, y los altos costos de extracción y la disponibilidad del agua de riego son factores limitantes para su producción en zonas áridas6. Por tal razón, se requiere de una aplicación en el momento oportuno y con la cantidad de agua necesaria para satisfacer los requerimientos hídricos del cultivo y lograr un rendimiento óptimo7. La pobre precisión en determinar los requerimientos hídricos y la aplicación de la cantidad de agua de riego basada en la experiencia empírica, puede ocasionar láminas excesivas o insuficientes en etapas críticas para el cultivo, propiciando rendimientos de forraje por debajo del potencial8,9. Uno de los enfoques clásicos para llevar a cabo la optimización del agua consiste en analizar la respuesta del cultivo a diferentes grados de déficit hídrico; también, obtener las relaciones funcionales que permiten maximizar el rendimiento por unidad de agua usada, así como estimar la producción del cultivo cuando este recurso es restringido10,11,12. Sin embargo, existe poca información de los requerimientos hídricos de la avena y la relación del rendimiento de forraje con respecto a la cantidad de agua aplicada. El objetivo del estudio fue desarrollar herramientas para la programación del riego, que permitan conocer la demanda hídrica diaria en función del coeficiente del cultivo y la respuesta en rendimiento de forraje a la cantidad de agua aplicada en una zona árida templada, para identificar la máxima eficiencia y así optimizar el uso del agua.
Material y métodos
El estudio se realizó en el Campo Experimental Zacatecas (CEZAC), ubicado a 22º 54' N y 102º 39' O y 2,197 msnm, temperatura media anual de 14.6 ºC, ~ 600 unidades frío de noviembre a febrero, precipitación media anual de 416 mm, concentrada (75 %) en el verano (junio a septiembre) el resto durante el invierno y una evaporación media anual de 1,609 mm13. El suelo es Kastanozem, textura franca arcillosa, pH de 7.9, 2.0 % materia orgánica, densidad aparente de 1.42 g cm-3, capacidad de campo (CC) y punto de marchitez permanente (PMP) de 30.62 y 15.04 % respectivamente, para 0 a 30 cm y 34.63 y 15.02 % para 30 a 60 cm de profundidad de suelo.
La avena variedad Cuauhtémoc se sembró en seco el 26 de noviembre del 2015, en surcos de 0.76 m usando una sembradora de precisión a doble hilera de plantas colocadas en chorro con separación entre hileras de 0.10 m y densidad de siembra de 100 kg ha-1. Se utilizaron cuatro bloques de 30 m de largo por 7 m de ancho, donde se colocó tubería de PVC de 2’’, entre el bloque 1-2 y 3-4 sobre la cual se colocaron cruceros de riego dobles con válvulas de seccionamiento de polietileno de 2” espaciadas a 6 m, quedando un total de 20 unidades experimentales. En cada bloque se distribuyeron los tratamientos al azar. La dosis de fertilización (NPK) fue 150-60-00 (urea y fosfato monoamónico solubles) fraccionada en cinco aplicaciones durante el ciclo por medio del sistema de riego a los 22, 48, 64, 91 y 125 días después de siembra (DDS) con porcentajes de 30-10, 30-10, 20-20, 10-30 y 10-30 de nitrógeno y fósforo respectivamente. Los tratamientos fueron cinco niveles de recuperación de la demanda atmosférica 110 (T110), 100 (T100), 85 (T85), 65 (T65) y 50 (T50) % de la evapotranspiración potencial (EToin) calculada por el método de Penman Monteith14, obtenida diariamente de una estación Adcon® ubicada dentro del experimento. La aplicación de agua de riego se realizó mediante una cintilla autocompensada calibre 6 milésimas de pulgada, con separación de emisores a 20 cm y gasto del emisor de 0.94 lph y se colocó un medidor volumétrico de ½’’ marca TD Meters® sobre la cintilla del surco central en cada parcela. La unidad experimental fue de seis surcos de 0.76 m por 6.0 m de largo. La parcela útil fueron los dos surcos centrales con 2.5 m de largo. La cosecha de las plantas se realizó manualmente en el estadio de desarrollo de grano lechoso-masoso. La parcela útil se cortó a 5 cm por arriba del suelo y se pesó, de allí se tomó una submuestra de 300 g que se llevó a una estufa de secado donde se dejó a 60 °C durante 72 h para calcular el porcentaje de materia seca.
Al inicio del experimento se realizó un muestreo gravimétrico para determinar el contenido de humedad residual (CHR), y así calcular la lámina de riego inicial15 para el establecimiento del experimento (Ec. 1), para los tratamientos 110 y 100 de EToin se llevó a capacidad de campo (100 % de la humedad aprovechable). Los demás tratamientos fueron a 85, 65 y 50 % de la humedad aprovechable en los primeros 60 cm del perfil del suelo.
Las láminas de establecimiento se aplicaron por pulsos de 20 a 30 mm durante la primera semana después de la siembra, hasta cubrir el porcentaje de humedad aprovechable para cada tratamiento. Posteriormente se estableció un programa de riego con base en sumar dos veces por semana los datos diarios de la EToin obtenidos de la estación Adcon y se restó la precipitación efectiva (Pe) (Ec. 2); se consideró como precipitación efectiva aquélla que superó los 5 mm y sólo se considera únicamente el 75 %16.
Donde:
LRE= lámina de riego de establecimiento (cm); CC= capacidad de campo (%);
CHR= contenido de humedad residual (%); Da= densidad aparente (g cm-3);
Pr= Profundidad del perfil (cm); Lri= lámina de riego (mm);
ETo= evapotranspiración diaria en (mm);
Pe= precipitación efectiva diaria (mm); n= número de días entre riegos de 3 o 4 (riegos dos veces por semana).
Para determinar la lámina de riego neta (Lrn) se consideró un 95 % de eficiencia de aplicación. El tiempo de riego se obtuvo dividiendo la Lrn entre la tasa horaria (TH), que es la cantidad de agua suministrada por el sistema de riego en milímetros en una hora de operación, la cual fue TH = 6.18 mm h-16. Considerando una separación entre líneas regantes de 0.76 m. Con la sumatoria de Lri de cada riego se determinó la lámina total (mm, R) y para corroborar el volumen total de agua en cada tratamiento se tomaron las lecturas de los medidores volumétricos. Las variables obtenidas fueron rendimiento de forraje base materia seca (kg ha-1), y se calculó la evapotranspiración real del cultivo (ETc1) que es la suma de R más la precipitación efectiva de todo el ciclo (Pet). También se calculó la eficiencia en el uso de agua EUA =Rendimiento / R y la productividad del agua PA = Rendimiento / ETc1 ambas representadas en kg m-317.
El análisis estadístico fue con análisis de varianza para las variables rendimiento, EUA y PA, con un modelo de diseño en bloques al azar; la comparación de medias fue por Tukey al 5% de probabilidad18.
Posteriormente la función de respuesta del cultivo a los diferentes niveles de humedad, se obtuvo al relacionar los datos observados del rendimiento (t ha-1) y productividad de agua (kg m-3) como variables dependientes y la evapotranspiración real del cultivo (mm; ETc1) como variable independiente, y se realizó mediante una regresión en SAS con el procedimiento Stepwise, ajustándolos a un modelo cuadrático de segundo orden, de la forma: Rendimiento=β0+β1ETc+β2ETc2 y PA=β3ETc+β4 ETc2, donde β0= ordenada al origen, β1 a β4 = coeficientes de la regresión. Para obtener la evapotranspiración del cultivo que maximiza el rendimiento de forraje: evapotranspiración del cultivo máxima (ETcmax) y la evapotranspiración del cultivo que presenta el valor más alto de productividad de agua y rendimiento óptimo: Evapotranspiración óptima del cultivo (ETcopt), se realizó un análisis de optimización con la teoría de máximos y mínimos del cálculo diferencial e integral19. Además, se cuantificaron los días después de siembra (DDS) para las etapas de: inicio, desarrollo del cultivo, mitad de temporada y final de temporada y se calcularon los grados día de desarrollo (GDD) con la metodología curva seno modificada20, como temperaturas base y máxima (a las cuales el desarrollo de la avena no es afectado), se tomaron 5 y 30 °C respectivamente21.
Para obtener el coeficiente del cultivo diario se utilizó el modelo Kc(r) = -9.2347D3+10.902 D2-1.7314D+0.2686, donde: Kc(r)= coeficiente de cultivo de avena para grano (adimensional) y D= porcentaje de desarrollo del cultivo representando con valores de 0 a 1 obtenido con los datos del manual número 56 de la FAO de la página 106 y 111 para avena de grano14, utilizando la metodología descrita por Servín6 (Figura 1).
Figura 1 Curva generalizada de coeficiente de cultivo para avena de grano con datos obtenidos de manual 56 de la FAO, la línea punteada muestra el Kc final para producción de forraje en la etapa de masoso-lechoso
Para obtener el Kc final para forraje de la zona de estudio, se dividieron los días de corte en la etapa grano masoso-lechoso a los 155 DDS, entre los días que llego a madurez fisiológica el cultivo de avena, que fue a los 165 DDS, (D=0.94), el valor se sustituyó en el modelo Kc(r) (Figura 1), quedando Kcfin= 0.61, que será el valor utilizado para generar la curva generalizada de coeficiente de cultivo para forrajes de avena [Kc(f)], considerando los puntos observados en el experimento establecido de “AB” 35 días “BC” 40 días “CD” 60 días y “DE” 20 días y los coeficientes de cultivo de 0.3 y 1.15 para Kcini y Kcmed, respectivamente. Se calculó el porcentaje de desarrollo para cada etapa y se obtuvo un modelo cúbico para estimar el coeficiente del cultivo para forraje [Kc (f)]. Posteriormente se obtuvo el Kc(f) diario y se multiplicó por la evapotranspiración potencial calculada por el método de Penman Monteith14, obtenida diariamente de una estación Adcon® ubicada a 1.5 km de la parcela experimental (EToout), y se obtuvo la evapotranspiración diaria del cultivo calculada (ETci). Finalmente se realizó una sumatoria para obtener evapotranspiración del cultivo calculada (∑ETc).
Consecutivamente con los valores de ETcmax y ETcopt obtenidos del análisis de optimización se procesaron en “SOLVER”, una herramienta complementaria de Excel, que optimiza numéricamente los modelos sujetos a restricciones, y emplea un algoritmo matemático con el cual se encuentran las decisiones óptimas para un modelo determinado en una hoja de cálculo22 y con un método de gradiente reducido generalizado23 se logra un modelo de coeficiente de cultivo que maximiza el rendimiento (Kcmax) y el que optimiza el rendimiento (Kcopt).
Posteriormente se calculó el Kcmax y Kcopt diario y se multiplicó por EToout registrada diariamente en la estación agroclimática, y se obtuvo la evapotranspiración diaria del cultivo calculada ETcmax y ETcopt, que al relacionarlas con el porcentaje de desarrollo (de 0-1) obtenido con los grados días de desarrollo, se obtienen los modelos máximos y óptimos de uso consuntivo para producción de forraje de avena en clima árido templado.
Resultados
Condiciones climáticas
La precipitación del ciclo de desarrollo del cultivo fue de 75.7 mm; mientras que el promedio de los últimos 13 años (2002 a 2015) fue de 64.59 mm; esto indica que el ciclo de establecimiento del experimento fue más húmedo sobre todo en diciembre y marzo, ya que se registró el 74 %, mientras que los meses de enero y febrero solo se registraron 7 mm, mostrando una distribución irregular con un periodo muy largo de sequía, mientras que en los promedios históricos se muestra una distribución más uniforme. Para ETO durante la estación de crecimiento fue 663.4; y el promedio histórico fue de 734.4 mm, esto significa una disminución de 10.7 % en ETO, sobre todo en diciembre y marzo. Estos meses coinciden con las precipitaciones y por consiguiente en el incremento de la humedad relativa. En cuanto al promedio de las temperaturas para la estación de crecimiento fueron 21.65 y 3.83 °C, un poco inferiores a los promedios históricos de 22.19 y 4.24 °C para la Tmax y Tmin respectivamente (Figura 2).
Rendimiento y productividad
El tratamiento que mostró el rendimiento más alto (P<0.05) fue T85 con 12.7 t ha-1, los tratamientos extremos presentaron los rendimientos más bajos sin diferencia (P>0.05) entre ellos. El rendimiento incrementó gradualmente con la lámina de riego hasta llegar a T85 y posteriormente se redujo a mayor lámina de riego. La EUA y PA fueron máximos (P<0.05) con T50, con valores de 2.64 y 2.40 respectivamente, aunque en rendimiento fue de los tratamientos más bajos; T110 mostró un rendimiento similar al de T50, pero con la mayor cantidad de agua aplicada (757 mm), por lo que EUA fue 92 y 69 % menor que T50 y T85 respectivamente (Cuadro 1).
Cuadro 1 Rendimiento base materia seca, eficiencia y productividad de agua en avena en etapa de lechoso-masoso irrigada a diferente proporción de la evapotranspiración potencial (ETo)
| ETo (%) | R (mm) | Pe t (mm) | ETc 1 (mm) | MS (t ha -1 ) | EUA (kg m -3 ) | PA (kg m -3 ) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 50 | 383 | 39 | 422 | 10.13±0.4 c | 2.64±0.12 a | 2.40±0.11 a |
| 65 | 446 | 485 | 11.72±0.4 b | 2.62±0.09 b | 2.42±0.08 b | |
| 85 | 551 | 590 | 12.78±0.2 a | 2.32±0.05 b | 2.17±0.04 b | |
| 100 | 708 | 747 | 11.21±0.2 b | 1.58±0.03 c | 1.50±0.03 c | |
| 110 | 757 | 796 | 10.39±0.2 c | 1.37±0.03 c | 1.31±0.03 c | |
| CV | 3.05 | 3.52 | 3.46 | |||
| MSE | 0.34 | 0.07 | 0.06 |
R = lámina de riego aplicada; Pet= precipitación efectiva total; ETc1= evapotranspiración real del cultivo; MS= rendimiento base materia seca; EUA= eficiencia en el uso de agua; PA= productividad de agua de riego; CV= coeficiente de variación; MSE= cuadrado medio del error.
abc Medias en igual columna con al menos una literal en común no son diferentes (Tukey al 5%).
Modelos de optimización
Rendimiento y PA mostraron una relación cuadrática con los cambios en ETc1 con un ajuste aceptable y coeficientes de regresión diferentes de cero (P≤0.01) (Figura 3). El punto de máximo de rendimiento y máxima PA no coincidieron, donde se intersectan ambas curvas se encuentra el punto óptimo para productividad del agua y rendimiento considerados en conjunto.
Figura 3 Relación de rendimiento de materia seca y productividad de agua del cultivo de avena para forraje sometida a déficit hídrico en Zacatecas, México
Con los modelos de rendimiento y PA el análisis de optimización permite deducir que la avena forrajera maximiza su producción a 12.78 t ha-1, cuando consume ETcmax= 610.13 mm y la máxima productividad del agua de 2.36 kg m-3 se alcanza cuando consume ETcopt = 463.64 mm presentando un rendimiento óptimo de 11.22 t ha-1, hasta los 155 DDS que abarca de la siembra al estado lechoso-masoso.
Coeficiente de cultivo ajustado
Con los datos observados de 35, 40, 60 y 20 días para la etapa de: inicio, desarrollo del cultivo, mitad de temporada y final de temporada respectivamente, se obtuvo el desarrollo acumulado Kc, donde: B=0.27, C=0.53 D=0.80 (A y B es 0 y 1 respectivamente) y valores de coeficiente de cultivo de: Kcini=0.3, Kcmed=1.15 y Kcfin=0.61. Se generó la curva generalizada de kc, posteriormente se ubicaron 10 puntos para suavizar la curva (Figura 4) y se sometió a un análisis de regresión.
Línea negra representa los valores de Kc (Fuente: FAO-56), mientras que las líneas punteadas son el resultado de análisis de optimización de Kc max y Kc opt.
Figura 4 Curva generalizada del coeficiente de cultivo de avena para forraje en la etapa de masoso-lechoso
Los grados días de desarrollo por etapa fueron: AB=274.9, BC=232.3, CD=557.4 y DE=226.9 que corresponden a: inicio, desarrollo del cultivo, mitad de temporada y final de temporada, respectivamente, el total fue 1,291.5 GDD durante los 155 días del cultivo, que al hacer divididos entre los grados diarios acumulados de siembra hasta la cosecha del forraje, da como resultado el porcentaje de desarrollo, que al sustituirlo al modelo Kc(f) genera el coeficiente de cultivo diario y al multiplicarlo por la EToout diaria resulta una ∑ETc= 520.02 mm.
Al someter el análisis en “SOLVER” por medio de interacciones y cambiar los valores positivos de modelo Kc (f), β0= 0.2772 y b β2=8.7745, hasta ETcmax= ∑ETc y ETcopt = ∑ETc se obtuvieron los modelos que se muestran en la Figura 4, donde: Kcmax= coeficiente de cultivo que maximiza el rendimiento (adim); Kcopt= coeficiente de cultivo que optimiza el rendimiento (adim) y D= porcentaje de desarrollo representado en tanto por 1 en función de los grados días de desarrollo.
Evapotranspiración del cultivo
Al relacionar las necesidades de agua de cultivo representada en evapotranspiración de cultivo (ETc) como variable dependiente, que es el producto de la EToout , por el coeficiente del cultivo diario (obtenidos de los modelos de Kcmax y Kcopt) y porcentaje de desarrollo en función de los grados días de desarrollo acumulados representado de 0 a 1 como variable independiente, se obtuvo un modelo polinomio de tercer grado mediante un análisis de regresión, y de esa manera calcular la demanda de agua diaria del cultivo (Figura 5).
Figura 5 Evapotranspiración diaria del cultivo cuando maximiza su rendimiento y cuando el cultivo optimiza su rendimiento
Con los resultados mostrados en la Figura 5, se puede deducir, que la demanda evapotranspirativa máxima del cultivo es de 7.15 mm dia-1 para alcanzar un rendimiento máximo y 5.85 mm día-1 para alcanzar la mayor productividad del agua, valores que se representa como uso consuntivo para producción de avena forrajera de otoño e invierno para zonas áridas templadas.
Discusión
A pesar que la precipitación no fue una variable importante para determinar la cantidad de agua aplicada en cultivo (Pe=39 mm), tuvo un efecto indirecto en la demanda evapotranspirativa, ya que se observó un efecto en humedad relativa y temperaturas, variables importantes en el consumo de agua en los cultivos24. Los procesos fisiológicos que se realizan durante el crecimiento y desarrollo de las plantas están fuertemente influenciados por la temperatura. Su variación depende de la especie y variedad, ya que para cereales de invierno se han aceptado umbrales de 4 a 5°C25. Durante el presente estudio se observó un promedio de temperatura mínima de 3.83 °C, lo que ocasionó que se alargara el ciclo vegetativo de 150 días a 165 días hasta grano maduro de avena26.
Los rendimientos coinciden con Jiménez27 y Gutiérrez28, ya que mencionaron rendimientos de forraje en los Valles Altos de México de 9 a 13 t ha-1 con las variedades Saia, Ópalo y Cevamex. Espitia et al2 evaluaron 24 genotipos de avena en cuatro localidades del centro del país en P-V en temporal donde se presenta Pp mayor de 400 mm durante el ciclo, con valores de 10 a 19 t ha-1 sembrada a chorrillo en surcos espaciados a 30 cm; sin embargo, son inferiores a los reportados por otros autores26 que obtuvieron 17.2 t ha-1 en la etapa de grano masoso en Zacatecas con la variedad Chihuahua sembrada de la misma manera (surco doble hilera) con 80 kg de semilla por ha, con una dosis de fertilización de 80-46-0 Kg ha-1 de N P K respectivamente. Usando como fuentes sulfato de amonio y superfosfato triple en dos aplicaciones 50-100-0 % a la siembra y 50-0-0 % al primer riego de auxilio, con una lámina total aproximada de 40 cm aplicada con multicompuertas.
Las láminas de riego aplicadas para cereales de invierno se reportan en 500 a 600 mm por ciclo29, que corresponden a ciclos completos hasta madurez fisiológica, que es más largo que para forraje. También se han reportado láminas de 65.3 cm y rendimientos de materia seca de 7.27 kg ha-1 para la variedad Avemex (1.14 kg MS m-3) sembrada en surcos a doble hilera con una dosis de 100-70-00 de NPK30, y rendimientos de 13.7 t ha-1 con láminas de riego de 55 cm y una productividad de 2.5 kg m-331. Las variaciones de los resultados reportados en los diferentes trabajos de investigación son atribuibles a la variedad, ambiente agroecológico y manejo, principalmente de riego y siembra.
Además, con riego superficial en la Comarca Lagunera una tendencia lineal entre rendimiento de materia seca y el agua aplicada. Las láminas reportadas fueron de 44.3 a 62.5 cm mientras que los rendimientos fueron de 14.28 hasta 15.53 t ha-1 con eficiencias en el uso de agua de 3.14 a 2.14 kg de forraje por m-332. Otros autores reportan para sorgo una relación sigmoidal entre el rendimiento y el agua aplicada mediante el riego33,34,35. Es importante explorar toda la curva, donde el cultivo tenga exceso de agua, y por otro lado esté sometido a estrés donde la ETreal sea menor a ETmax, para los cultivos forrajeros el exceso de vigor no será un problema, pero sí la mala aireación36.
Con lo que respecta a Kc para avena forrajera algunos reportes de investigación presentan valores de Kcini=0.4, Kcmed=1.20 y Kcfin=0.837 que están por encima de los que se tomaron de referencia que son trabajos más recientes. El Kc comienza teniendo valores pequeños y aumenta a medida que la planta cubre el suelo14. Los valores máximos de Kc se alcanzan en la floración, se mantienen durante la fase media y finalmente decrece durante la fase de maduración, tendencias similares son reportadas38,39,40.
Dellacanonica et al41, realizaron un balance hídrico del suelo en avena y mencionan que las necesidades netas del cultivo fueron 370 mm sometido a un déficit hídrico de 38 hasta 46 %. Con rendimientos promedios de 9.40 t ha-1 de MS, el déficit hídrico suele provocar pérdida de turgencia y en consecuencia una disminución en la tasa de crecimiento41. De acuerdo a los resultados mostrados 610.13 mm el cultivo expresa su potencial en función del agua disponible y 463.64 mm el cultivo es sometido a un déficit controlado que no pone el riesgo la tasa de crecimiento.
Conclusiones e implicaciones
En avena para forraje la relación de rendimiento de forraje y eficiencia del uso del agua se describe mediante un modelo cuadrático con respecto de la cantidad de agua de riego aplicada, sin coincidencia en los niveles de agua aplicada para lograr máximo rendimiento y máxima eficiencia. El modelo cúbico de coeficiente del cultivo óptimo (Kcopt) es una herramienta confiable para calcular la demanda hídrica diaria de avena para forraje en función de los grados días de desarrollo, lo que a su vez permite una programación y calendarización de riego en tiempo real en periodos mayores de un día sin poner en riesgo el rendimiento de forraje de avena.
