Compactación de un vertisol bajo tres sistemas de labranza en maíz (Zea mays L.)*

Compaction of a vertisol under three tillage systems in maize (Zea mays L.)

Víctor Manuel Vaca García¹, Juan José Martínez Villanueva¹, Andrés González Huerta², Edgar Jesús Morales Rosales², Benjamín Zamudio González³ y Francisco Gutiérrez Rodríguez^2§

¹ Universidad Autónoma del Estado de México. Centro Universitario "El Cerrillo", El Cerrillo Piedras Blancas, Toluca, Estado de México. C. P. 50090. Tel: (722) 296 6574. (vic.charger@gmail.com; jjmv_2206@hotmail.com).

³ Sitio Experimental Metepec-INIFAP, km 4.5, carretera Toluca-Zitácuaro, Vialidad Adolfo López Mateos, Colonia San José Barbabosa, Municipio de Zinacantepec, Estado de México. C. P. 51350. Tel. (722) 278 4331. (zamudio.benjamin@inifap.gob.mx).

* Recibido: febrero de 2014
Aceptado: julio de 2014

Resumen

El comportamiento a corto plazo de las propiedades físicas de un vertisol, bajo sistemas de labranza tradicional y de conservación, en la zona de producción de maíz (Zea mays L.) del Valle Toluca-Atlacomulco, aún no ha sido reportado. La presente investigación se desarrolló durante un periodo de tres años (2010-2012) en Toluca, Estado de México, para evaluar el efecto de los sistemas de labranza tradicional (LT), mínima (LM) y cero (LC), sobre la compactación de un vertisol y el rendimiento del maíz. Para determinar la compactación del suelo, se midieron las variables de densidad aparente (Da), resistencia a la penetración, mediante el índice de cono (IC), y velocidad media de infiltración del agua (VMI), en cada ciclo de cultivo. En general, para todos los ciclos y sistemas, la Da se incrementó con la profundidad y el mayor valor se presentó en la capa más profunda. El valor más alto de Da (1.64 g cm^-3) se observó en LC a 15-30 cm de profundidad. Para el IC, el valor más alto (3 998 kPa), así como el mayor valor promedio (3 401 kPa), también fueron observados en LC. Para todos los ciclos de cultivo, la mayor VMI promedio se registró en LT (0.088 mL cm^-2 min^-1). Los mayores valores de rendimiento, en todos los ciclos agrícolas, fueron obtenidos en LM. El análisis de las distintas variables no permitió determinar, en el corto plazo, tendencias claras en el incremento o remediación de los parámetros de compactación del vertisol bajo los diversos sistemas de labranza.

Palabras clave: Zea mays L., densidad aparente, índice de cono, rendimiento, velocidad de infiltración.

The short-term behaviour of the physical traits of a vertisol under traditional systems and conservation tillage in the production area of maize (Zea mays L.) Valley Toluca-Atlacomulco, has not been reported so far. This research was developed over a three year period (2010 - 2012) in Toluca, State of Mexico, to evaluate the effect of conventional tillage systems (LT), minimum (LM) and zero (LC) on the compaction of a vertisol and yield of maize. In order to determine soil compaction, we measured the variables of bulk density (Da), resistance to penetration by the cone index (CI), and mean velocity of water infiltration (AIR) in each crop cycle. In general, for all cycles and systems, Da increased with depth and showed the highest value in the deepest layer. The highest value of Da (1.64 g cm^-3) was observed in LC at 15-30 cm depth. For the CI, the highest value (3 998 kPa) and the highest average value (3 401 kPa), were also observed in LC. For all crop cycles, the highest mean AIR was recorded in LT (0.088 mL cm^-2 min^-1). The highest yield values in all agricultural cycles were obtained in LM. The analysis of the different variables could not establish, in the short term, clear trends in the increase or remediation of compaction parameters of vertisol under different tillage systems.

Keywords: Zea mays L., bulk density, cone index, infiltration rate, yield.

Introducción

En un contexto agronómico, la compactación es el resultado de la aplicación al suelo de cualquier fuerza, por ejemplo, la ejercida por la labranza y el tránsito rodado de maquinaria agrícola, que incrementa la densidad aparente del suelo y, por consiguiente, disminuye la porosidad del mismo (Soil Science Society of America, 2013). La compactación del suelo se asocia frecuentemente con una reducción en el rendimiento del cultivo, porque restringe el movimiento de agua, aire y raíces (Tardieu, 1994; Filipovic et al., 2006).

Se afirma que en cualquier superficie donde opere tránsito rodado de maquinaria agrícola, se requiere del empleo de la labranza para regresar al suelo a una baja impedancia para la exploración de raíces y a un estado conductivo para la infiltración del agua (Carter et al., 1999). En este sentido, el sistema de labranza convencional (tradicional) involucra, usualmente, la utilización del arado de vertedera y labranza secundaria adicional para preparar la cama de siembra. Este sistema está basado en una alta intensidad de trabajo del suelo y en el volteo del mismo (Filipovic et al., 2006). Durante el ciclo de labranza convencional pueden aparecer dos problemas diferentes de compactación del suelo. El primero es la compactación del horizonte de cultivo o compactación superficial, que puede ser resuelto por la labranza anual.

El segundo es la compactación de la capa bajo el horizonte de labranza anual o compactación del subsuelo (piso de arado), donde el problema se magnifica debido a que la compactación presenta un efecto acumulativo que es más complejo y costoso de resolver que el de la compactación en el horizonte de cultivo (Filipovic et al., 2006). En contraparte, los sistemas de labranza de conservación son comúnmente el resultado de prácticas reducidas de labranza. Estos sistemas tratan de alterar al suelo lo menos posible para conservar su estructura natural, lo que debería conducir a una menor compactación (Varsa et al., 1997; Weise y Bourarach, 1999).

Hamza y Anderson (2005), consideran ciertas propiedades físicas del suelo como los principales parámetros usados para caracterizar la compactación. Estas corresponden a la densidad aparente, la dureza del suelo o resistencia a la penetración y la infiltración de agua en el suelo. El análisis espacial y temporal de la dinámica de las propiedades físicas del suelo, se utiliza como indicador de la calidad del mismo y de la magnitud de los procesos de degradación de su estructura y de compactación. Dicho método incrementa la certeza de los pronósticos acerca de la respuesta de esas propiedades a diversos usos, bajo determinadas prácticas de manejo (Muñoz-Villalobos et al., 2011). Aunque el contenido de humedad es considerado, usualmente, como el factor más importante que influencia los procesos de compactación del suelo (Soane y Van Ouwerkerk, 1995; Hamza y Anderson, 2005), el grado de compactación originado por la labranza y el tránsito de maquinaria pesada es también, con frecuencia, una función de su textura (de las proporciones de partículas de arena, arcilla y limo), densidad inicial, estructura, contenido de materia orgánica, y de las condiciones climáticas (Panayiotopoulos et al., 1994; Raper et al., 1998; Mosaddeghi et al., 2000). Con relación a la textura del suelo, Pillai y McGarry (1999), afirman que los vertisoles, que combinan un alto contenido de arcilla con una gran proporción de arcillas expandibles, presentan propiedades inherentes que facilitan la reparación de una estructura de suelo compactada, por lo que se esperaría que este tipo de suelos experimentara un rápido mejoramiento a corto plazo (Radford et al., 2007).

Diversas investigaciones han determinado la duración de los efectos adversos de la aplicación de tránsito rodado y prácticas de labranza en vertisoles (Alakukku, 1996; Radford et al., 2007), así como su influencia en la pérdida de rendimiento de diversos cultivos, entre ellos el maíz (Zea mays L.), (Honsson y Reeder, 1994; Filipovic et al., 2006); no obstante, el comportamiento de las propiedades físicas de un vertisol a corto plazo, específicamente en la principal zona de producción de maíz del Estado de México, correspondiente al Valle Toluca-Atlacomulco, bajo sistemas de labranza tradicional y de conservación, aún no ha sido estudiado, por lo que la presente investigación planteó como objetivos, determinar la influencia de tres sistemas de labranza (tradicional, mínima y cero) sobre la compactación de un vertisol, así como su efecto en el rendimiento de maíz, durante tres ciclos agrícolas anuales consecutivos.

Materiales y métodos

Descripción del sitio experimental

El estudio fue realizado durante los ciclos agrícolas primavera-verano (P-V) del periodo 2010-2012, en un área de 0.25 ha del campo experimental de la Facultad de Ciencias Agrícolas de la Universidad Autónoma del Estado de México (UAEM), en Toluca, Estado de México, México (1latitud norte 9° 24' 43'', 99° 41' 40'' longitud oeste, 2 609 msnm). El clima de la localidad se clasifica como templado sub-húmedo con lluvias en verano, con un rango anual de precipitación de 800 a 1 500 mm y de temperatura de 4 a 14 °C (INEGI, 2009). Los sistemas de labranza se establecieron en un suelo clasificado como vertisol, suborden Uderts, gran grupo Pelluderts y subgrupo Entic Pelluderts (de acuerdo con el USDA Soil Taxonomy System), perteneciente a la clase textural migajón arcilloso.

Diseño experimental

El diseño experimental consistió en un arreglo de bloques completos al azar con tres repeticiones de los sistemas de labranza tradicional (LT), mínima (LM) y cero (LC), resultando en nueve parcelas de 12.8 * 10 m con 16 surcos a 0.8 m de distancia entre-surcos; cada parcela fue separada de otra por una calle de 8 m de ancho, considerada como área de maniobras de tránsito. Los sistemas de labranza fueron aplicados a las mismas parcelas cada año. Las operaciones y características de los aperos utilizados en cada sistema, se detallan en el Cuadro 1. Para los sistemas de LT y LC, se empleó un tractor con fórmula 4 * 2, potencia en el motor de 66.4 kW y 2.600 Mg de peso total y; para LM, se empleó un tractor con fórmula 4 * 4, con 89 kW de potencia en el motor y 4.16 Mg de peso total. El área experimental fue utilizada antes del 2010, para el cultivo de maíz, avena y trigo bajo LT por más de 10 años. Los sistemas de labranza fueron establecidos desde 2008 (con 0% de rastrojo para LT, 25% para LM y 100% para LC en cada ciclo agrícola), a fin de estudiar los efectos de la labranza y otras técnicas de producción en el cultivo de maíz, así como en la calidad del agua y suelo.

Propiedades químicas del suelo

Previo al inicio de las operaciones de labranza en 2011, se obtuvieron muestras de suelo del área de estudio, para determinar las condiciones de pH, capacidad de intercambio catiónico (CIC, Cmol⁺ kg^-1), conductividad eléctrica (CE, dS m^-1), nitrógeno total (N, %) y contenido de materia orgánica (MO, %). Todas las muestras y variables fueron obtenidas y determinadas bajo los métodos propuestos por la NOM-021-SEMARNAT-2000 (2002).

Densidad aparente

La densidad aparente (Da, g cm^-3) se determinó bajo el método propuesto por la NOM-021-SEMARNAT-2000 (2002), mediante la obtención de tres muestras de suelo de cada parcela, a 15 y 30 cm de profundidad, previo al inicio de operaciones de labranza de cada ciclo agrícola.

Resistencia a la penetración

Para evaluar la dureza del suelo, se utilizó como medida alterna la resistencia a la penetración, obtenida mediante el empleo de un penetrómetro portátil (Field Scout SC 900 Soil Compaction Meter, Spectrum^® Technologies, Inc; Aurora IL, USA), para determinar el índice de cono (IC), registrando la presión aplicada en kPa, cada 2.5 cm, hasta una profundidad de 30 cm. Se tomaron un mínimo de tres lecturas del penetrómetro en la huella del tractor de cada parcela, inmediatamente después de la operación de escarda del sistema de LT en cada ciclo agrícola. La determinación del IC, fue acompañada de la lectura de la humedad del suelo (Ho, % volumétrica), obtenida con un medidor de humedad portátil (Field Scout TDR 300 Soil Moisture Meter, Spectrum^® Technologies, Inc; Aurora IL, USA), a 12 y 20 cm de profundidad.

Velocidad media de infiltración

La velocidad media de infiltración (VMI), se determinó en las parcelas de cada sistema, previo al inicio de operaciones de labranza en cada ciclo agrícola, de acuerdo con el método del infiltrómetro de doble cilindro propuesto por Anaya (1977), y considerando la fórmula modificada de Porta et al. (1999): VMI = V(A t)^-1, donde V es volumen de agua (mL), A el área del cilindro interno (cm²) y t el tiempo de infiltración (min).

Para evaluar el rendimiento, se estableció en las parcelas experimentales un cultivar de maíz híbrido (Zea mays L., cv. Aspros^® AS-722), bajo un arreglo de doble hilera y condiciones de secano, en la primera semana de abril de cada ciclo agrícola del periodo experimental. La densidad de siembra fue de 50 kg ha^-1 con una distancia entre plantas de 0.15 m. El tratamiento de fertilización para todos los sistemas consistió de una dosis de 120-60-30 (N, P, K) unidades, aplicadas en la siembra. Como componente del rendimiento (Mg ha^-1), se consideró el peso de mil granos de la parcela útil (cuatro surcos centrales de 10 m de longitud), en cada ciclo agrícola.

Análisis estadístico

Los datos obtenidos fueron analizados mediante un análisis de varianza (Anova), empleando software Statistical Analysis System, USA (SAS). Todos los parámetros fueron analizados con un mínimo de tres repeticiones y probados por significancia entre tratamientos (p< 0.05). Cuando se encontraron diferencias significativas, se utilizó la prueba de Tukey para determinar la diferencia entre medias.

Resultados y discusión

Propiedades químicas del suelo

Después de un periodo efectivo de dos años del establecimiento de los sistemas de labranza, los valores en 2011 de las propiedades químicas básicas del horizonte de cultivo, fueron similares en todos los sistemas (Cuadro 2). Según la determinación de la fertilidad del suelo de la NOM-021-SEMARNAT-2000 (2002), este se clasifica como moderadamente ácido, con una reserva nutrimental media y efectos despreciables de salinidad (con base en la CIC y CE). La LC reportó un menor contenido de N que los demás sistemas de labranza (28% menor, en promedio); no obstante, el contenido de N de la LC se clasifica como alto para suelos no volcánicos (0.15-0.25% N), en comparación con contenido muy alto (> 0.25% N) de la LM y LT. A pesar de existir diferencias significativas en el contenido de MO entre cada sistema, todos reportaron valores, para suelos no volcánicos, muy altos en el horizonte de cultivo (> 6%). Los diferentes contenidos de MO en los tres sistemas de labranza, muestran que desde el establecimiento de la LM y LC en el área experimental (dos años), el empleo del subsolador en LM no incorporó eficientemente el rastrojo de maíz de los ciclos de cultivo 2009 y 2010, y que para las parcelas de LC, dicho rastrojo permaneció en la superficie como material de acolchado. El valor más alto de MO para la LT, puede explicarse por la incorporación de material orgánico del ciclo de cultivo anterior, por la acción de volteo propia del arado.

Densidad aparente

Los valores promedio de la densidad aparente de los diferentes sistemas de labranza, durante los ciclos agrícolas primavera-verano 2010-2012, mostraron (Cuadro 3) que, con la excepción de la LT en el ciclo 2011, en todos los ciclos y sistemas, la Da se incrementó con la profundidad y el mayor valor se presentó en la capa más profunda. El mayor incremento de Da entre capas de profundidad (7.4%) fue observado en LT durante el primer ciclo de cultivo. También en 2010, la LC presentó los mayores valores de Da en ambas capas de profundidad en comparación con los demás sistemas; esto confirma los resultados de investigaciones previas, donde se reportan mayores valores de compactación al establecer sistemas de cero labranza, en comparación con la labranza mínima y tradicional (Benito et al., 1999; Tormena et al., 2002). Para el segundo ciclo de cultivo, se observó una marcada disminución en los valores de Da comparados con los del primer año, valores que además se mantuvieron constantes para todos los sistemas y profundidades en el tercer ciclo.

Las razones de dicho comportamiento no resultan evidentes. Con la excepción de la LT en 2010 (0-15 cm), no se observaron diferencias significativas entre sistemas de labranza a la misma profundidad. La disminución de los valores de Da en ciclos de cultivo consecutivos, contradice lo reportado por Filipovic et al. (2006), quienes señalan incrementos de la Da en ciclos subsecuentes, comparados con el primer año de investigación. Los valores promedio de la Da, en ambas profundidades de todos los sistemas, en el ciclo experimental, se reportan por debajo del umbral de compactación adversa (1.5 g cm^-3). De acuerdo con Butorac et al. (1992), el incremento de la Da sobre dicho umbral en el horizonte de cultivo, tiene un efecto negativo en el crecimiento y desarrollo de diversos cultivos.

Resistencia a la penetración

Las curvas del IC mostraron respuestas similares de todos los sistemas en cada ciclo de cultivo (Figura 1), con una tendencia a incrementar el valor de resistencia a la penetración a profundidades mayores de 20 cm. Estas respuestas similares, representadas por una misma forma de las curvas para los tres sistemas en cada ciclo, reflejan una homogeneidad en el comportamiento de resistencia a la penetración independientemente del tratamiento de labranza. El incremento en los valores de resistencia al aumentar la profundidad, se atribuye usualmente a la presencia de una discontinuidad vertical entre el horizonte de labranza y el subsuelo sin labor (Glinski y Lipiec, 1990).

Las diferencias anuales en los valores de IC de cada sistema, pueden atribuirse a la variación en el contenido de Ho presente en cada parcela durante los distintos ciclos de cultivo del periodo experimental. La Ho en la capa superficial (12 cm) fue menor en LC y LM que en LT (26% menor en promedio), a 20 cm de profundidad, la LT también reportó la mayor Ho (27% mayor en promedio) (Cuadro 4). El alto contenido de Ho en ambas capas de la LT, puede explicarse por el mayor nivel de infiltración del agua originado por la actividad de labranza en una estructura del suelo relativamente débil; esto confirma los resultados de Carter et al. (1991), quienes sostienen que, para lograr un estado conductivo para la infiltración del agua, se requiere de operaciones de labranza en superficies donde opere tránsito rodado.

Lipiec y Hatano (2003), afirman que los valores críticos de resistencia a la penetración que detienen el crecimiento de la raíz varían de 3 000 a 4 000 kPa. En el experimento, se observaron valores promedio superiores a los 3 000 kPa, principalmente en LM y LC durante los primeros dos ciclos agrícolas. Los resultados del presente estudio sugieren que el empleo de aperos de labranza reduce la resistencia a la penetración en el horizonte de cultivo. Erbach et al. (1992), también reportaron resultados similares para no-labranza, con valores de resistencia a la penetración superiores a los de labranza con arado de vertedera y martillo.

Velocidad media de infiltración

Se encontró un efecto significativo del sistema de labranza sobre la VMI (Cuadro 5). Para todos los ciclos de cultivo, la mayor VMI se registró en LT y difirió significativamente de las tasas obtenidas en LM y LC. Por otro lado, en todos los casos, las VMI en LC siempre fueron significativamente menores que las de los demás sistemas. Los resultados muestran que las operaciones de labranza en el vertisol de estudio favorecen la infiltración de agua. Lo anterior resulta evidente, ya que la VMI en LT fue casi dos veces más alta que en LC. Güçlü et al. (2005), observaron efectos similares de mayor conductividad hidráulica a nivel superficial (20 - 30 cm), en tratamientos de labranza convencional con arado de discos, que en tratamientos de labranza mínima utilizando arado de vertederas. Otro factor que apoya dicho resultado, es el mayor contenido de MO de la LT en comparación con los demás sistemas (Cuadro 2). Esto confirma lo reportado por Reddy (1991), donde se aprecian incrementos en la tasa de infiltración del agua de 0.4 cm h^-1 debido a la incorporación de materia orgánica.

Rendimiento de grano

Los sistemas de labranza tuvieron un efecto significativo en los valores de rendimiento (Cuadro 6). En todos los ciclos de cultivo, los rendimientos más altos se obtuvieron con LM, aunque para 2010 y 2012 estos fueron estadísticamente similares a los de la LT. Los rendimientos de LM y LT, pueden atribuirse al mayor contenido de Ho y menor nivel de IC en ambos sistemas. De acuerdo con el SIAP (2014), los resultados para todos los sistemas en 2010 y 2011, fueron superiores a los promedios reportados para el distrito agrícola en los años correspondientes (49% mayor en 2010 y 155% mayor para 2011). La pérdida de rendimiento observada en 2012 en todos los sistemas, se debió a una escasa germinación ocasionada por severos encharcamientos en el área experimental. La obtención en LM de rendimientos superiores a LT anualmente (10% en promedio anual y 14% durante todo el periodo experimental), difieren de los resultados de Sartori y Peruzzi (1994), quienes reportaron una producción de maíz con métodos de LM, inferiores en 20-25% a los basados en el arado, así mismo, Borin y Sartori (1995), reportaron que entre labranza convencional, mínima y no-labranza, el mayor rendimiento fue obtenido con labranza convencional.

El análisis conjunto de los parámetros comunes que caracterizan a la compactación del suelo (densidad aparente, dureza del suelo o resistencia a la penetración y velocidad de infiltración), permitió determinar, con mayor certeza, los factores que la originan, así como describir con precisión su desarrollo en el tiempo. En este sentido, el análisis individual de la densidad aparente, no permitió determinar cambios en la compactación del suelo por el efecto de los sistemas de labranza en el periodo de estudio.

Las características físicas inherentes al vertisol del área de estudio, no permitieron determinar en el corto plazo, tendencias claras en el incremento o remediación de los parámetros de compactación del suelo bajo diversos sistemas de labranza.

La VMI fue el único parámetro que presentó incrementos constantes durante cada ciclo consecutivo del periodo experimental en todos los sistemas de labranza, siendo la LM donde se observó el mayor incremento.

Durante el periodo de estudio, la adopción del sistema de LC para el cultivo de maíz, no representó ventajas en cuanto al rendimiento y remediación de la compactación del suelo, en comparación con los sistemas de LM y LT.

Se recomienda que la adopción de sistemas de labranza alternos al sistema tradicional en el área de estudio, deberá fundamentarse en los resultados de investigaciones a mediano y largo plazo, para determinar con precisión las ventajas que representan dichos sistemas, en cuanto a remediación de la compactación e incrementos en el rendimiento. No obstante, la adopción del sistema de LM en el área de estudio, podría representar, a corto plazo, mayores beneficios en la relación costo-beneficio del cultivo de maíz.

Agradecimientos

Esta investigación fue desarrollada bajo los auspicios del proyecto: 2959/2010SF de la Universidad Autónoma del Estado de México (UAEM), y financiada por beca del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT), de México.

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