Introducción

La superficie mundial bajo riego es del orden de 20 %, principalmente localizada en zonas áridas y semiáridas, que requieren del riego para asegurar rendimientos comerciales que muestran condiciones de alta variabilidad espacial y temporal en los volúmenes disponibles de sus fuentes de abastecimiento (^{Food and Agriculture Organization [FAO], 2011}). En México, la agricultura bajo riego está concentrada en zonas costeras que son muy vulnerables a los efectos de la variabilidad y cambio climático, en particular los fenómenos meteorológicos extremos como ciclones, heladas, sequías, etc. (^{Ojeda-Bustamante, Sifuentes-Ibarra, Iñiguez-Covarrubias, & Montero-Martínez, 2011}).

El maíz es el insumo básico de la dieta del mexicano. Aproximadamente 60 % de la producción de maíz se destina para consumo humano, con valor per cápita de 127 kg·año^-1 (^{Nadal & Wise, 2005}), y la superficie anual cultivada es de 7 a 8.5 millones de hectáreas, donde 85 % de esta superficie se realiza bajo condiciones de temporal y 15 % bajo riego (^{Muñoz-Pérez & Hernández-Rivera, 2004}). Sin embargo, el maíz bajo riego es 3.5 veces más productivo que el de secano.

En México, el estado de Sinaloa es el principal productor de maíz bajo riego al establecer anualmente de 400 a 500 mil hectáreas en sus ocho distritos de riego, con producción de 3.5 a 5 millones de toneladas (^{Comisión Nacional del Agua [CONAGUA], 2015}); sin embargo, aunque México es uno de los principales productores de maíz en el mundo, el consumo de este grano es superior a su producción, por lo que es uno de los principales países importadores del mismo con más de 7 millones de toneladas anuales (^{Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera [SIAP], 2016}).

En México, la aplicación del agua a nivel parcela es deficiente al utilizarse principalmente el riego por gravedad, generalmente en la modalidad por surcos, sin diseño y seguimiento acorde con los avances tecnológicos, por lo que existe presión para optimizar el riego parcelario (^{Ojeda-Bustamante, Sifuentes-Ibarra, Rojano-Aguilar, & Íñiguez-Covarrubias, 2012}). Se estima que se aprovecha menos de 45 % del agua aplicada a las parcelas; el resto se pierde por drenaje y por percolación profunda, con la consiguiente pérdida de fertilizantes móviles y suelo (^{Ojeda-Bustamante et al., 2012}). Es común la restricción de agua para riego ante la recurrencia de periodos de baja disponibilidad, generando estrés hídrico a los cultivos.

En maíz, la deficiencia hídrica causa efectos detrimentales en el rendimiento de acuerdo con su intensidad y etapas fenológicas de ocurrencia (^{Claassen & Shaw, 1970}). ^{Cakir (2004)} evaluó los efectos del estrés hídrico en la etapa vegetativa de maíz durante tres años, obteniendo reducciones de biomasa de 28 a 32 %, pero no reportó diferencias significativas en el rendimiento de los tratamientos con respecto del testigo (sin déficit hídrico).

En el cultivo de maíz se considera que las etapas de floración y llenado de grano son críticas para asegurar rendimientos óptimos (^{Pasquale, Hsiao, Fereres, & Raes, 2012}). Debido a esto, la presencia de temperaturas altas, complementada con periodos de estrés hídrico, puede afectar los procesos de polinización, fecundación y desarrollo del grano (^{Bassetti & Westgate, 1993}; ^{Wilhelm, Mullen, Keeling, & Singletary, 1999}; ^{Suzuki, Tsukaguchi, Takeda, & Egawa, 2001}). La etapa fenológica más crítica al estrés hídrico es la floración masculina (^{Cakir, 2004}), y puede reducir la producción de biomasa en 30 % y el rendimiento del grano en 40 %.

Durante el desarrollo reproductivo, el estrés hídrico reduce el número de granos, debido a la caída en la tasa de fotosíntesis, y el flujo de asimilados hacia los órganos en desarrollo del cultivo (^{Schussler & Westgate, 1995}). Se considera que la floración y las etapas iniciales de llenado de grano del cultivo de maíz son críticas para determinar el rendimiento del grano.

^{Pasquale et al. (2012)} actualizaron la guía de ^{Doorenbos y Kassam (1979)} a partir de la información experimental publicada en varias partes del mundo sobre la respuesta de los cultivos al riego aplicado de acuerdo con su etapa fenológica. Sin embargo, la evaluación de los impactos, del estrés hídrico de los cultivos, debe ser localmente para su transferencia y adopción para asegurar la producción de una zona de riego.

El riego deficitario es una técnica estudiada y utilizada en diversas regiones del mundo con problemas de disponibilidad de agua (^{Chai et al., 2016}). Este consiste en una reducción del riego, por abajo de las demandas hídricas potenciales, que se aplica durante las etapas fenológicas con mayor tolerancia al estrés hídrico (^{Ojeda-Bustamante et al., 2012}). Dicha técnica ha mostrado ventajas por los volúmenes potenciales de ahorro de agua (^{Rázuri, Romero, Romero, Hernández, & Rosales, 2008}; ^{Chai et al., 2014}).

^{Hargreaves y Samani (1984)} indicaron que el riego deficitario puede proporcionar mejores retornos económicos por unidad de superficie, iguales o superiores que los obtenidos bajo riego completo para rendimiento máximo, lo que evidentemente produce eficiencia mayor en el uso del agua. Aunque la aplicación de este tipo de riego se ha empleado exitosamente en varias partes del mundo, su adopción requiere de validación local. Para el caso de México, existe información limitada referente a la respuesta de distintos cultivos al riego deficitario; aunque ya fueron reportados el pimentón, el chile y el melocotón, por ^{Rodríguez-Padrón, Rázuri-Ramírez, Sworowsky, y Rosales-Daboín (2014)}, ^{Serna-Pérez y Zegbe (2012)} y ^{Tapia-Vargas et al. (2010)}, respectivamente.

Ante la recurrencia de sequias y su intensificación con el cambio climático, que impactarán la disponibilidad de volúmenes para riego, se requiere estudiar la aplicabilidad potencial de adaptación para el ahorro de agua en las condiciones actuales y futuras de México para cultivos de importancia nacional (^{Ojeda-Bustamante et al., 2011}).

Es posible disminuir las láminas de riego si se aplica estrés hídrico controlado en etapas fenológicas con tolerancia a este, sin afectar sustancialmente el rendimiento potencial. Por lo anterior, el objetivo de la presente investigación fue evaluar la técnica de riego deficitario en maíz bajo riego por surcos en una zona de riego de México para su aplicación práctica que contribuya a incrementar la eficiencia en el uso del agua. Para el desarrollo se trabajó con diferentes niveles de déficit hídrico: 10, 20 y 30 %, etiquetados como T1, T2, T3, respectivamente, y el tratamiento testigo (TES), al que se le aplicó el requerimiento de riego que demanda el cultivo.

Materiales y métodos

El trabajo se realizó durante el ciclo agrícola otoño-invierno (O-I) 2012-2013, en el Campo Experimental Valle del Fuerte (CEVAF), del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) localizado en la zona árida del norte de Sinaloa, México, con coordenadas geográficas de 25° 48’ 39.6’’ latitud norte, 109° 01’ 30’’ longitud oeste y a 20 m de altitud. El experimento se estableció en suelo típico de la región: textura arcillosa, humedad volumétrica aprovechable de 0.155 cm³·cm^-3, densidad aparente de 1.15 g·cm^-3 y contenido de materia orgánica de 1 %. La parcela forma parte del distrito de riego 075, Rio Fuerte, Sinaloa, uno de los de mayor superficie de México (^{CONAGUA, 2015}). La precipitación anual acumulada en la zona de estudio es de 350 mm y se concentra de julio a septiembre con 70 % de la precipitación acumulada en el año, mientras que de febrero a mayo es insignificante. Los valores anuales de la evapotranspiración de referencia acumulada (ET_o), varían de 1600 a 1700 mm; esta excede a la precipitación todo el año y, por lo tanto, se requiere de riego para asegurar rendimientos comerciales.

La precipitación acumulada durante el ciclo de cultivo de maíz intermedio, de 191 días de duración después de siembra (dds), fue de 42.4 mm, concentrándose 37.8 mm en el mes de diciembre, que corresponde al mes de siembra, y fue considerada para estimar los requerimientos de riego. Los valores de las temperaturas máxima, media y mínima promedio en el ciclo fueron de 29.61, 20.30 y 11.83 ºC, respectivamente. La ET_o fue de 947.7 mm con acumulación de 1,898 grados día acumulado (ºDA). Estos datos meteorológicos fueron obtenidos en la estación meteorológica automatizada instalada a 100 metros del lugar del experimento.

Para la calendarización del riego en tiempo real se empleó el sistema computacional IrriModel, una versión mejorada del sistema Spriter (^{Ojeda-Bustamante, González-Camacho, Sifuentes-Ibarra, & Rendón-Pimentel, 2007}). Este software ofrece los siguientes beneficios: 1) calcula la demanda hídrica del cultivo, 2) genera planes de riego bajo diferentes escenarios de disponibilidad de agua y tipos de sistemas de riego, 3) pronostica el riego usando un modelo de balance hídrico con alto nivel de precisión, de acuerdo con el desarrollo fenológico del cultivo, utilizando el concepto de grados día (ºD), documentado por ^{Ojeda-Bustamante, Sifuentes-Ibarra, y Unland-Weiss (2006)}, y 4) facilita realizar el seguimiento del riego de una o más parcelas en un ciclo agrícola.

La superficie total del lote experimental fue de 1.72 ha, en el cual se establecieron cuatro tratamientos (Tn) con cinco repeticiones, mismos que consistieron en reducir la lámina de riego aplicada, recomendada por el software IrriModel, para generar déficit en las etapas fenológicas menos críticas al estrés hídrico utilizando riego por gravedad (surcos). Cada tratamiento tuvo el mismo déficit hídrico a lo largo de sus etapas fenológicas a excepción de la etapa de floración (R1), en la cual los tratamientos recibieron riego normal. Los niveles de déficit hídrico aplicados fueron, respectivamente, 10, 20, 30 y 0 %, para T1, T2, T3 y TES (Cuadro 1). El seguimiento de las etapas fenológicas del cultivo se realizó de acuerdo con los trabajos de ^{Abendroth et al. (2009)} y ^{Ojeda-Bustamante et al. (2006)}

Los niveles de déficit hídrico utilizados en este trabajo fueron similares a los aplicados por ^{Rázuri et al. (2008)} en cuatro tratamientos, que consistieron en el suministro de diferentes volúmenes de agua (láminas), los cuales correspondieron a la reposición de 100, 80, 70 y 60 % de la evapotranspiración del cultivo (ETc) en tomate bajo riego localizado, y reportaron que no hubo diferencias significativas en rendimientos entre los tratamientos, aunque el de 80 % fue el que presentó mejor calidad de fruto comercial.

La longitud y gasto óptimos del surco fueron estimados con el programa RIGRAV 3.0 desarrollado por ^{Rendón, Fuentes, y Magaña (1997)}; de acuerdo con las condiciones y variables del sitio experimental. El principal método de aplicación del riego en la zona es por surcos a través de tubos en forma de sifón en la cabecera de cada surco. Se aplicó el gasto en los surcos con sifones, para lo cual se estableció la carga para obtener el gasto requerido, de acuerdo con la curva carga-gasto de los sifones previamente calibrados. Por lo general, los productores no tienen control riguroso de la carga de entrada a los surcos, teniendo gran variación en los gastos y volúmenes aplicados a cada uno.

El cultivo de maíz se sembró en seco el 12 de diciembre de 2012 usando una sembradora de precisión, y al día siguiente se aplicó el riego de germinación. Se sembró la variedad DK-3000 de ciclo intermedio. En los T1, T2 y T3 se aplicó, previo a la siembra, fertilizante a base de 250 kg·ha^-1 de mezcla física de 30-10-12 de N-P-K, respectivamente; mientras que al TES se le suministró 450 kg·ha^-1 del mismo producto, de acuerdo con prácticas de productores líderes de la zona. Durante la aparición de la quinta hoja verdadera (V5) se aplicó la fertilización complementaria de 100 kg·ha^-1 de urea (46-00-00) en todos los tratamientos, incluyendo el TES. La densidad de siembra fue de 100,000 semillas·ha^-1, con separación entre plantas de 12.5 cm. Cuando el cultivo alcanzó 50 cm de altura, se procedió a plantar y abrir surcos en forma simultánea para aplicar los riegos de auxilio con base en los tratamientos hídricos deficitarios.

Para el riego inicial se estimó la humedad volumétrica del suelo, con un sensor calibrado de reflectometría tipo TDR (Time Domain Reflectometry), posteriormente se calculó la lámina de riego para llevar el suelo a capacidad de campo (CC). Para el resto de los riegos de auxilios se utilizó el software IrriModel para estimar la fecha y la lámina de riego neta (L _n ), de acuerdo con los tratamientos deficitarios, usando la metodología presentada por ^{Ojeda-Bustamante et al. (2006)}.

La evaluación de los riegos se realizó en términos de eficiencia de aplicación (E _a , %), utilizando la fórmula E _a = (L _n / L _b ) X 100, donde L _n es la lámina neta requerida y L _b lámina bruta o aplicada (m) (^{Bolaños-González, Palacios-Vélez, Scott, & Exebio-García, 2001}). La estimación de L_b se calculó mediante la ecuación L _b = (Q T) / A, donde Q es el gasto de riego aplicado a la parcela (m³·s^-1), T es el tiempo de riego (s) y A es la superficie regada (m²) (^{Martin, 2001}).

Se estimó también la productividad del agua (PA) y el rendimiento (R) de los tratamientos. La primera indica la relación de la producción total obtenida (RC, kg) con respecto del volumen de agua total aplicada (VA, m³) (^{Bessembinder, Leffelaar, Dhindwal, & Ponsioen, 2005}) y la segunda la producción obtenida en kg·ha^-1.

La cosecha de los tratamientos se realizó el 20 de junio de 2013, que corresponde con 191 dds o 1,898 ºDA, de siembra hasta la cosecha, de acuerdo con el trabajo de ^{Ojeda-Bustamante et al. (2006)}. Se realizaron cinco muestreos para estimar el rendimiento en sitios representativos localizados en los dos surcos centrales de cada tratamiento en una área de 7.6 m², por cada sitio. Este procedimiento se realizó en todos los tratamientos, incluyendo el testigo.

Para determinar la diferencia significativa de los rendimientos, se realizó un análisis de varianza para comparación de medias con la prueba de Tukey (P ≤ 0.05), usando un diseño de bloques al azar, utilizando el paquete estadístico Statistical Analysis System, ver. 9.2 (^{SAS, 1999}).

Se estimó la diferencia relativa Δ de las cuatro variables de respuesta de interés de los tratamientos (ΔR, ΔL _b , ΔEa y ΔPA), con respecto del testigo, que corresponden, respectivamente, al R en t·ha^-1, L_b en cm, Ea en porcentaje y PA en kg·m^-3, utilizando la siguiente relación general:

donde T _n es el tratamiento n, TES es el valor obtenido del testigo.

Como ejemplo, para el caso de la diferencia relativa del rendimiento, la ecuación para ΔR sería:

donde R _n es el rendimiento del tratamiento n y R _TES es el rendimiento obtenido en el testigo.

Resultados y discusión

En cada tratamiento se aplicó un total de cinco riegos. Las láminas iniciales fueron 10.9, 10.0, 10.0 y 14.7 cm, para T1, T2, T3 y TES, respectivamente.

Los riegos aplicados al T1 (10 % de déficit hídrico) durante todo el ciclo agrícola se presentan en el Cuadro 2. Se observa que los riegos de auxilio, en términos de L _n , fluctuaron entre 11.3 y 14.8 cm de L _b , aplicando una lámina acumulando de 63 cm, que representa 2,792 m³ con Ea de 63 %, durante todo el ciclo agrícola. La reducción de lámina de riego aplicada mediante el riego deficitario permite mejorar la eficiencia en el uso del agua en maíz, como lo reportado por ^{Chai et al. (2016)}.

Los riegos aplicados al T2 (20 % de déficit hídrico) se presentan en el Cuadro 3. Se observa que los riegos de auxilio fluctuaron entre 10.5 y 13.5 cm de L _b , aplicando 57 cm de lámina acumulada, que representa 2,460 m³ de volumen total con Ea de 65 %. También se observa que a partir del segundo riego de auxilio incrementa la eficiencia de aplicación. La lámina aplicada en este tratamiento coincide con los resultados obtenidos por (^{Rivetti, 2006}) con un consumo bruto de 57 cm durante todo el ciclo agrícola del maíz.

Los riegos aplicados al T3 (30 % de déficit hídrico) se presentan en el Cuadro 4. Los riegos de auxilio fluctuaron entre 8.5 y 11.5 cm de L _b , aplicando 50 cm de lámina bruta acumulada, que representa 2,150 m³ de volumen total con Ea de 69 %. La reducción de lámina de riego aumenta la eficiencia parcelaria y posiblemente el aprovechamiento de nutrientes disponibles en el suelo, por lo tanto, aumenta el rendimiento del grano como lo reportado por ^{Hargreaves y Samani (1984)}.

Los riegos brutos aplicados al TES fluctuaron entre 14.3 y 15.6 cm de L _b , aplicando 73.5 cm de lámina bruta acumulada, que representa 3,159 m³ de volumen total con Ea de 58 % (Cuadro 5). Los riegos y láminas suministrados en este tratamiento se basaron en la forma convencional de aplicación y manejo de los agricultores líderes de la zona de estudio. Estos datos son similares a los reportados por Ojeda et al. (2006) para el cultivo de maíz, encontrándose las mayores pérdidas por efecto de escurrimiento y percolación.

La Figura 1 compara los rendimientos promedio obtenidos en cada tratamiento, los cuales fueron: 11.04, 11.05 y 11.44 t·ha^-1, para T1, T2 y T3, respectivamente. Para el TES el rendimiento fue de 11.87 t·ha^-1. No se encontró diferencia significativa entre tratamientos con respecto del TES, a pesar de que al TES se le aplicó 200 kg·ha^-1 adicionales de fertilizante de acuerdo con prácticas locales. Los resultados de este trabajo de investigación son similares a los reportados por ^{Farré (2010)} en maíz bajo riego deficitario.

Figura 1 Resultados del rendimiento obtenido en los tratamientos  

La Figura 2 presenta la productividad del agua obtenida para cada tratamiento. El T3 presentó la mayor productividad con 2.29 kg·m³ de grano, en comparación con el TES que fue el de menor valor con 1.61 kg·m³. Lo anterior indica que la técnica de déficit hídrico es viable si se reduce o evita en etapas críticas del cultivo como la floración. Estos resultados son similares a los reportados por ^{Rivetti (2006)} en trabajos de riego deficitario en maíz.

Figura 2 Resultados de productividad del agua en los tratamientos 

El Cuadro 6 presenta la comparación estadística de los rendimientos y se observa que no hubo diferencia significativa de rendimiento en las cinco repeticiones de los tres tratamientos y el testigo.

El Cuadro 7 presenta las diferencias relativas de las variables ΔR, ΔL _b , ΔEa y ΔPA. Se observa que al incrementar los niveles de déficit hídrico aumenta la ΔEa y la ΔPA, y reduce la ΔL _b , sin afectar drásticamente los rendimientos. Los resultados indican que el riego deficitario controlado es una técnica viable para mejorar la eficiencia y la productividad con el mejor aprovechamiento del agua, similar a lo reportado por ^{Chai et al. (2016)}.

Conclusión

Para el testigo con riego completo, a pesar de que se le adicionó 200 kg más de fertilizante nitrogenado, no se encontraron diferencias significativas en rendimiento con respecto de los tratamientos con déficit hídrico. Resultando que el tratamiento con mayor déficit hídrico, T3 (30 % de déficit hídrico), fue el mejor tratamiento, desde el punto de vista de eficiencia, ahorro, productividad del agua y rendimiento. Lo que indica que el riego deficitario controlado en maíz bajo riego por surcos es una alternativa que contribuye a incrementar la eficiencia en el uso del agua en la agricultura. Además, es una opción para afrontar el escenario de escasez de agua en la zona de riego estudiada.

El riego deficitario es una técnica de fácil aplicación y manejo cuando se cuenta con suficiente información de campo para generar una calendarización robusta de riego. Sin embargo, no se puede generalizar el uso de los tratamientos para los diferentes tipos de suelos; por eso se recomienda validar localmente su aplicación para cada zona de riego y cultivo específico.