Introducción

La optimización en el uso del agua de riego es una estrategia para disminuir el gran problema de su escasez para uso agrícola en la Comarca Lagunera y en más del 50 % del territorio nacional (^{Comisión Nacional del Agua [CONAGUA], 2019}). Por ello, en los últimos años se ha procurado alcanzar rendimientos máximos por unidad de volumen de agua aplicado, en lugar de por superficie, lo cual permite mejorar la productividad del agua de los cultivos en la agricultura. Como consecuencia, esto ha ocasionado que se estudien estrategias de manejo del riego, como el riego deficitario, en el que el suministro de agua es inferior a las necesidades de agua del cultivo, generando una leve escasez durante las etapas de desarrollo, en las que el cultivo es menos sensible a una deficiencia hídrica (^{Galindo et al., 2018}). Otras estrategias empleadas son el secado parcial de raíces (PRD, por sus siglas en inglés) o someter el cultivo a cierto estrés mediante diferentes niveles de potencial hídrico. Dichas estrategias han tenido éxito en cultivos como el girasol (^{Karam et al., 2007}; ^{Mila et al., 2017}), por ser tolerante al estrés hídrico que se genera con el riego deficitario o bajo diferentes niveles de potencial hídrico, además de ser capaz de producir un alto rendimiento en respuesta a los insumos de riego (^{Sezen et al., 2011}). La plasticidad del girasol es reconocida, en términos de la adaptación del desarrollo del área foliar a la disponibilidad de agua (^{Ren et al., 2018}).

La importancia del girasol radica en que genera aceites comestibles con beneficios para la salud, por su alto contenido de grasas poliinsaturadas. Otro producto importante que se obtiene del girasol es la pasta, la cual contiene entre 40 y 50 % de proteínas, con aminoácidos favorables para la alimentación del ganado y aves (^{Escalante-Estrada et al., 2007}). ^{Ren et al. (2018)} afirman que el girasol tiene la capacidad de reducir su consumo hídrico hasta 20 % sin afectar significativamente su rendimiento. Sin embargo, el girasol es sensible a estrés hídrico en etapas críticas, como la floración temprana y el llenado de semillas (^{Ebrahimian et al., 2019}).

^{Karam et al. (2007)} señalan que la limitación del riego en la floración temprana y la floración media se debe evitar, mientras que puede ser tolerada en la formación de semillas. Estos autores encontraron que el riego deficitario en la floración temprana y la floración media reduce el rendimiento de grano en 25 y 14 %, respectivamente, con respecto a un testigo sin restricciones de humedad. Además, dedujeron que el riego deficitario al inicio del llenado de grano incrementa el rendimiento a 5.50 t·ha^-1.

^{Steduto et al. (2012)} indican que el agua total disponible en la zona radicular no debe exceder el 40 % para obtener mayores rendimientos; esto particularmente durante los períodos vegetativos tardíos, floración y formación de las semillas. ^{Liu et al. (2018)} evaluaron el rendimiento de grano del girasol sin restricción de humedad (IP) y con riego deficitario (con riego al iniciar los botones florales [IF] y con riego cuando los botones florales se empiezan a abrir [FA]), más un testigo bajo temporal. Los tratamientos IP, IF y FA produjeron un mayor índice de área foliar, cobertura vegetal, diámetro de la inflorescencia y rendimiento, en comparación con el girasol de temporal. Asimismo, la producción disminuyó en 6 y 15 % en los tratamientos IF y FA, respectivamente, comparados con el IP.

^{García-López et al. (2016)} concluyeron, con tres años de estudio, que el girasol mantiene su producción máxima al ser irrigado con el 60-80 % del volumen de agua óptimo. De esta manera, dichos autores obtuvieron un rendimiento de grano de 2.6 t·ha^-1 al aplicar 589.7 mm de agua en 2012, de 3.3 t·ha^-1 al aplicar 1 019 mm en 2013, y de 2.9 t·ha^-1 con 652.4 mm de lámina aplicada en 2014. Asimismo, ^{Howell et al. (2015)} reportaron rendimientos de grano de 3.08 t·ha^-1, con una eficiencia de uso del agua (WUE) de 0.49 kg de semilla seca de girasol por m³ de agua consumida. Además, obtuvieron una concentración de aceite en la semilla de 30 a 40 %, un coeficiente de desarrollo del cultivo de 0.15 en su crecimiento inicial, una tasa evapotranspirativa máxima de 1.22 y mayor cobertura vegetal.

^{López-Urrea et al. (2014)} obtuvieron, para 2009 en el cultivo de girasol, un consumo total de agua de 619 mm, mientras que para 2011 el consumo fue de 576 mm. El coeficiente de desarrollo del girasol fue de 1.10 y 1.20 para los años citados, respectivamente, y ambos valores coincidieron con la mayor cobertura vegetal del girasol.

Considerando lo anterior, el objetivo de este estudio fue determinar el rendimiento de grano del girasol a diferentes niveles de agotamiento de la humedad aprovechable del suelo, con el fin de estimar la WUE del cultivo bajo diferentes condiciones hídricas y buscar alternativas que permitan maximizar el rendimiento de grano por m³ de agua consumida.

Materiales y métodos

El estudio se realizó en el campo experimental del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, CENID-RASPA, ubicado a los 25° 31’ 57’’ longitud norte y 103° 25’ 57’’ latitud oeste, a 1 139 m s. n. m., en el ejido Las Huertas en Gómez Palacio, Durango, México. El clima de la zona se clasifica como BW(h’)hw(e), que corresponde a muy árido-cálido con temperatura media anual de 22 °C y temperatura media del mes más frío de 18 °C, según la clasificación climática de Köppen modificado por Enriqueta García (^{García, 2004}). La precipitación pluvial promedio varía de 200 a 300 mm anuales en la zona agrícola de riego, y de 400 a 500 mm en la zona montañosa oeste, con evaporación media anual de 2 600 mm. El periodo libre de heladas es de abril a octubre, y se pueden presentar granizadas en mayo. Las lluvias son en verano, con lluvias invernales de 5 a 10 % del total.

El suelo se caracterizó mediante muestreos a tres profundidades (0-30, 30-60 y 60-90) y cuatro repeticiones. Con respecto a las características químicas, el suelo presentó una disponibilidad de nitratos baja (método de Kjeldahl), de fósforo moderadamente baja (método de Duval) y de potasio alta (espectrofotometría), además de contenidos bajos de sales solubles, sodio y materia orgánica (^{Castellanos et al., 2000}). Por su pH de 8.4, el suelo se considera alcalino, por lo que podría tener problemas de asimilación de Fe, Mn y Zn, pero es un suelo con alta productividad al ser irrigado y sin tener deficiencias importantes de estos microelementos.

Las características físicas del suelo fueron: contenido bajo de materia orgánica (método de Walkley y Black), textura franco-arcillosa (arena, limo y arcilla en 19, 45 y 30 %, respectivamente) (método de la pipeta de Robinson), capacidad de campo de 30 %, punto de marchitez permanente de 15 % (método de la olla y membrana de presión, respectivamente) y densidad aparente de 1.27 g·cm^-3 (método del cilindro) (^{Richards, 1977}).

La variedad de girasol utilizada en el estudio fue Madero 91. La siembra se realizó el 1 de julio de 2018, a una densidad de 62 000 plantas·ha^-1, y la cosecha fue el 4 de octubre del mismo año, lo cual resultó en un periodo experimental de 106 días. Con base en el muestreo inicial de suelo, se fertilizó con la fórmula 120-60-0 (N-P-K). La mitad del fertilizante se aplicó al momento de la siembra, y el resto en el primer riego de auxilio (15 días después de la siembra).

Se analizaron siete combinaciones de abatimiento de la humedad aprovechable consumida (HAC) en el suelo, las cuales resultaron de la matriz de tratamientos San Cristóbal para dos factores 4x4 (^{Villasmil et al., 1974}). Dichas combinaciones de HAC se aplicaron en dos periodos: 1) de emergencia a inicio de floración (etapa vegetativa) y 2) de inicio de floración a madurez fisiológica (etapa reproductiva). En este sentido, los niveles seleccionados de cada factor fueron 40, 60, 80 y 100 % de la HAC en cada etapa fenológica; de esta manera, los siete tratamientos fueron 40-40, 40-80, 60-60, 60-100, 80-40, 80-80 y 100-60. Los tratamientos se distribuyeron de manera aleatoria bajo un diseño experimental de bloques al azar con cuatro repeticiones. La unidad experimental fue de 4 x 5 m (20 m² por parcela).

Para determinar el abatimiento de la humedad del suelo en cada tratamiento, se utilizó el método de reflectometría en el dominio temporal (TDR, por sus siglas en inglés). Para ello, se colocó un sensor (Modelo Trime-Pico T3/IPH44 de IMKO) en una sonda que se introdujo en tubos de acceso a diferentes profundidades del suelo. Este método puede alcanzar una precisión de 0.3 % de la humedad volumétrica. El equipo se calibró previamente en el suelo experimental y se empleó el gravimétrico como método patrón, con barrenas tipo vehimeyer (^{Inzunza-Ibarra et al., 2012}).

Para la aplicación del riego, se instaló una tubería presurizada desde la fuente de abastecimiento hasta el área experimental. La tubería de conducción fue de 152.4 mm de diámetro, con hidrantes cada 36 m, para el riego de las melgas circunvecinas al área experimental. A ésta se conectó otra tubería de 38.1 mm de diámetro con conexiones para la unión de una manguera provista con un medidor volumétrico calibrado, para aplicar en forma precisa el volumen de agua requerido a las parcelas experimentales.

Durante el desarrollo del cultivo, se hicieron muestreos de humedad del suelo en forma continua. El primer muestreo fue para medir la humedad inicial antes del riego de presiembra. Los muestreos posteriores se realizaron durante el transcurso del experimento para monitorear los abatimientos de humedad del suelo en cada tratamiento. En los muestreos se realizaron tres lecturas por estrato y se registró el promedio. Se hizo lo mismo para las demás profundidades del suelo, hasta 90 cm si la altura del cultivo era mayor a 80 cm. Al alcanzar el nivel de humedad aprovechable consumida por el cultivo establecido para cada tratamiento, se aplicó el riego de auxilio para reponer la humedad del suelo hasta alcanzar la capacidad de campo en el perfil de suelo de 90 cm. Al inicio del desarrollo del cultivo, se consideró una profundidad de riego variable de acuerdo con el crecimiento de las raíces; esto se obtenía explorando las plantas de las melgas contiguas con un crecimiento igual a las plantas del experimento.

Las variables evaluadas fueron rendimiento de grano (R; t·ha^-1), lámina de agua consumida (LC; cm), eficiencia de uso del agua (WUE; que relaciona el rendimiento de grano con la cantidad de agua consumida [kg·m^-3]) y evapotranspiración máxima del girasol (mm).

Los datos se sometieron a un análisis de varianza y una comparación de medias de Tukey (P ≤ 0.05). Asimismo, se realizó un análisis de regresión y la optimización de variables con base en la teoría de máximos y mínimos del cálculo diferencial, y con la técnica stepwise (^{SAS Institute, 2011}).

Resultados y discusión

Condiciones climáticas

La Figura 1 muestra las diferencias de la temperatura media durante el ciclo de cultivo y el promedio histórico (1975-2011) en el mismo periodo. En dicha figura, se observan diferencias de más de 2 °C del 10 de julio a mediados de agosto, pero en el periodo restante las diferencias fueron insignificantes. En general, se presentó una diferencia promedio de 1.3 °C durante el ciclo de desarrollo del girasol.

Figura 1 Comparación de la temperatura media presente durante el desarrollo del girasol y la histórica (1975-2011). 

En la Figura 2 se muestra la precipitación ocurrida durante el ciclo de cultivo y la histórica (1975-2011). En esta figura se observa que, aunque la lluvia promedio ocurrida durante el año del estudio fue menor a la histórica en 18 %, la precipitación ocurrida durante el desarrollo del girasol fue mayor en un 57 % a la histórica. La mayoría de los eventos fueron menores a 1 mm; únicamente en agosto y septiembre se presentaron seis lluvias de entre 4 y 5 mm. Dichos eventos de lluvia se consideraron en el balance de humedad del suelo, y solo retrasaron el nivel de humedad prefijado del tratamiento, sin afectar la homogeneidad de los tratamientos.

Figura 2 Comparación de la precipitación durante el desarrollo del cultivo y la histórica (1975-2011). 

Rendimiento de grano y eficiencia de uso del agua

El R y la WUE, como respuesta a las condiciones de humedad del suelo en cada tratamiento, tuvieron una tendencia similar (Cuadro 1 y Figura 3). En ambos parámetros, el análisis de varianza mostró diferencias altamente significativas entre los tratamientos (P ≤ 0.01). El tratamiento 60-60 fue significativamente superior (P ≤ 0.05) en cuanto al R y la WUE (5.46 t·ha^-1 y 0.922 kg·m^-3, respectivamente) (Cuadro 1). Lo anterior se atribuye a la aplicación del riego al 58.8 y 60.5 % de la HAC; es decir, cuando el suelo presenta una tensión de -0.48 y -0.461 MPa para extraer la humedad en el primer y segundo periodo, respectivamente. ^{Paul et al. (2020)} señalan que el límite inferior clásico de marchitamiento permanente del cultivo es de -1.5 MPa. ^{Khaleghi et al. (2020)} encontraron, en tratamientos controlados de girasol, que los valores umbrales por debajo de los cuales la tasa de expansión de las hojas y la transpiración comienzan a disminuir está cerca de 60 % de la HAC para la expansión foliar y de 40 % de la HAC para la transpiración diaria. Esto indica que los resultados encontrados son coherentes con los de la literatura.

Figura 3 Respuesta del rendimiento de grano (R) de girasol sometido a diferentes condiciones de riego. HAC₁ y HAC₂ = humedad aprovechable consumida en la etapa vegetativa y reproductiva, respectivamente. 

El valor promedio más alto de WUE, encontrado en este trabajo, es similar a los valores obtenidos por otros autores que aplicaron diferentes estrategias de manejo del riego. ^{Sezen et al. (2011)} obtuvieron valores de hasta 1 kg·m^-3 mediante la técnica de secado parcial de raíces, y ^{Farhadi-Machekposhti et al. (2017)} encontraron valores cercanos a 1 kg·m^-3 al mezclar hasta un 30 % de agua de mar en agua dulce.

Por otro lado, el valor más alto de WUE es superior al reportado por ^{Karam et al. (2007)} (0.83 kg·m^-3), con la técnica de riego deficitario, y por ^{El-Bially et al. (2018)} (0.75 kg·m^-3), quienes usaron ácido ascórbico para aliviar los efectos adversos del déficit hídrico en las plantas de girasol. En general, se encontró que los valores de WUE son mayores en tratamientos estresados que en los irrigados abundantemente (^{García-López et al., 2016}). Considerando lo anterior, someter el cultivo de girasol a estrés y dejar que la HAC llegue al 60 % puede ser una alternativa para incrementar la eficiencia en el uso del agua, además de ser una práctica ideal en zonas que sufren periodos frecuentes de déficit hídrico.

Los valores más bajos de R y WUE se obtuvieron con los tratamientos 60-100 (2.4 y 2.8 t·ha^-1, respectivamente) y 100-60 (0.452 y 0.445 kg·m^-3, respectivamente). Estas combinaciones tuvieron en común condiciones de estrés hídrico cercanas al punto de marchitez permanente en alguna de las etapas estudiadas. La comparación de medias indicó que dichos tratamientos resultaron ser estadísticamente inferiores en R y WUE con respecto al resto de los tratamientos, pero iguales entre sí (Cuadro 1). Lo anterior indica una respuesta no lineal del R y la WUE del girasol por condiciones de humedad del suelo al momento del riego. Es decir, se observó un efecto creciente y decreciente del R y la WUE debido a los diferentes niveles de abatimiento de humedad estudiados (Figura 3).

El momento o el cuándo realizar la aplicación del riego al girasol es más importante que la cantidad de agua en la respuesta del R y la WUE. Esto se evidencia al comparar el tratamiento de mayor R y WUE (60-60 con 5.46 t·ha^-1 y 0.922 kg·m^-3, respectivamente), con el tratamiento de menor R y WUE (60-100 con 2.46 t·ha^-1 y 0.452 kg·m^-3, respectivamente).

Modelo de producción del rendimiento de grano con régimen de humedad del suelo

Mediante el análisis de regresión, se ajustaron los datos observados del R (variable dependiente) y la HAC (variable independiente) en dos periodos fenológicos del girasol. La función encontrada se presenta en la Ecuación 1.

R = -5.6044+0.1619HAC1+0.1999HAC2-0.0017HAC12 - 0.002HAC22+0.0008HAC1HAC2

R2 = 0.93    CV = 7.5 %  (1)

donde R es el rendimiento de grano (t·ha^-1), HAC ₁ y HAC ₂ son la humedad aprovechable consumida en la etapa vegetativa y reproductiva, respectivamente (%), R ² es el coeficiente de determinación y CV es el coeficiente de variación. Los coeficientes de la regresión de cada uno de los efectos lineales (cuadrático e interacción) fueron altamente significativos, por lo que contribuyen en el modelo para explicar la respuesta del cultivo a los tratamientos.

De acuerdo con los parámetros estadísticos (R² y CV), el modelo obtenido explica en forma satisfactoria el fenómeno ocurrido (Figura 3). Se determinaron los niveles óptimos de la HAC y se encontró que el mayor R (5.5 t·ha^-1) se obtuvo bajo un régimen de humedad en el suelo de 60.5 y 61.6 % de HAC en la etapa vegetativa y reproductiva del cultivo, respectivamente. Estos resultados concuerdan con los reportados por ^{García-López et al. (2016)}, quienes concluyeron que el rendimiento óptimo se obtiene entre el 60 y 80 % de la HAC. Al analizar la cercanía de la máxima productividad marginal del modelo, se estima que al someter las plantas a un déficit hídrico en el suelo de 70 y 70 % de la HAC, el rendimiento de grano solo disminuye 2.4 %, lo cual no es significativo con respecto al rendimiento referido anteriormente.

Modelo del rendimiento de grano y de la lámina de agua consumida

Al relacionar el R y la LC de cada tratamiento, se encontró que existe una relación de tipo cuadrática entre estas variables. Dicha función obtenida, después de realizar el análisis de regresión entre ambas variables, resultó en la Ecuación 2.

R=-50.5588+0.9236LC1+2.7244LC2-0.0188LC12 -0.0519LC22 + 0.0109LC1LC2

R2 = 0.87     CV = 10.3 % (2)

donde LC ₁ y LC ₂ son la lámina de agua consumida en la etapa vegetativa y reproductiva, respectivamente (cm).

El modelo ajustado anterior tiene una capacidad de predicción satisfactoria para este tipo de relaciones biológicas complejas, donde intervienen diversos factores de la planta, el suelo y el ambiente (Figura 4). La optimización del modelo se realizó de acuerdo con el cálculo diferencial, y resultó que la producción de grano de girasol se maximiza a 5.5 t·ha^-1 al consumir 33.1 y 29.7 cm de agua en la fase vegetativa y reproductiva, respectivamente. Sin embargo, al aplicar el criterio del déficit de riego, se analizaron las vecindades al óptimo y se dedujo que, si el girasol consume 29 y 29 cm en las etapas mencionadas, el R tiene una reducción no significativa de 6.1 %, lo cual permitiría un ahorro de 500 m³·ha^-1.

Figura 4 Rendimiento de grano (R) del girasol con diferentes tratamientos de lámina de agua consumida (cm) en la etapa vegetativa (LC₁) y la reproductiva (LC₂). 

Conclusiones

La mayor eficiencia de uso del agua del girasol (0.922 kg·m^-3) se obtuvo cuando se consumieron 31.4 y 28.12 cm de lámina de riego, con niveles hídricos del suelo de 58.8 y 60.5 % de la humedad aprovechable consumida en la etapa vegetativa y reproductiva, respectivamente, lo cual correspondió con el tratamiento 60-60.

El modelo generado, que relaciona el rendimiento de grano y los niveles de humedad del suelo, maximiza la producción de girasol a 5.5 t·ha^-1, esto bajo estrés hídrico del suelo de 60.5 y 61.6 % de la humedad aprovechable consumida en la etapa vegetativa y reproductiva, respectivamente. No obstante, la función estima que es posible aplicar un déficit hídrico de hasta 70 y 70 % de la humedad aprovechable en las etapas citadas, con una disminución no significativa del rendimiento de grano (2.4 %).

La optimización de la función que relacionó la producción de grano con la cantidad de agua consumida arrojó que el máximo rendimiento se presenta cuando el cultivo consume 33.1 y 29.7 cm de agua durante la etapa vegetativa y reproductiva, respectivamente. En forma similar, este modelo estimó que, al aplicar un déficit de riego de 29 y 29 cm en las etapas bajo estudio, se obtiene una disminución insignificante del 6 % en rendimiento de grano.

De acuerdo con la información generada por las diferentes condiciones hídricas del suelo, el rendimiento de grano y la productividad del agua presentan una respuesta no lineal, tanto al estrés hídrico como al consumo de agua.