Water use efficiency and yield for dual purpose in faba bean (Vicia faba L.) cultivars

Juan Carlos Pichardo-Riego¹; José Alberto Salvador Escalante-Estrada¹*; Ramón Díaz-Ruíz²; Abel Quevedo-Nolasco¹; Víctor Volke-Haller¹; Edgar Jesús Morales-Rosales³

¹ Colegio de Postgraduados. Campus Montecillo. km 36.5 Carretera México-Texcoco. Montecillo, Estado de México. C. P. 56230. *Autor de correspondencia: jasee@colpos.mx.

² Colegio de Postgraduados. Campus Puebla. km 125.5 Carretera Federal México-Puebla. C. P. 72760. Santiago Momoxpan, San Pedro Cholula, Puebla. México.

³ Universidad Autónoma del Estado de México. Facultad de Ciencias Agrícolas. Independencia Poniente s/n. El Cerrillo, Piedras Blancas. Toluca, Estado de México. C. P. 50200.

Recibido: 23 de abril, 2010
Aceptado: 27 de febrero, 2013

Resumen

Actualmente, en México el rendimiento de grano en haba (Vicia faba L.) es bajo (0.7 t·ha^-1). Una de las causas es la utilización de cultivares nativos y, como es un cultivo de temporal, la producción se limita aún más por la cantidad y distribución de la lluvia. Así, es primordial la identificación de cultivares que presenten mayor eficiencia en el uso del agua (EUA) y en consecuencia una producción más alta. El objetivo del estudio fue evaluar la EUA y el rendimiento de vaina verde y grano seco de 14 cultivares de haba (13 introducidos y uno criollo). La siembra se realizó el 30 de marzo del 2006 a una densidad de 4.2 plantas·m^-2, en Ciudad Serdán, Puebla, bajo condiciones de lluvia estacional. La fertilización fue 132-30-00 NPK. Todo el P y 50 % de N se aplicó antes de la siembra, y el resto, 60 días después. Los cultivares más precoces fueron 'Tarragona 1' y 'Cochinera Montecillo' con 190 días después de la siembra (dds), cada uno con una acumulación de 3,023 °C-día (°Cd), y el más tardío, 'Cochinera Morada', con 225 dds y 3,450 °Cd. El mayor tamaño de vaina verde se encontró en 'Pico de Orizaba' con 8.8 cm de longitud y 23.4 mm de ancho, y el mayor número de vainas·m^-2 (113.1), en 'Cochinera Morada'. El rendimiento de legumbre más alto correspondió a 'Cochinera Morada' (1,037.4 g·m^-2) y el más bajo a 'Cochinera Montecillo' (456.1 g·m^-2). En grano seco, el rendimiento más alto se encontró en 'Blanca' (357 g·m^-2). En ambos casos el rendimiento se relacionó con la EUA e índice de cosecha. El cultivar local criollo mostró un rendimiento inferior a algunos cultivares introducidos. En general, los cultivares tardíos presentaron mayor biomasa, rendimiento y calor acumulado.

Palabras clave: Grados día desarrollo, tamaño de vaina, biomasa, índice de cosecha, número de vainas.

Abstract

Nowadays in Mexico, the yield of faba bean (Vicia faba L.) seed is low (0.7 t·ha^-1). One reason is the use of landraces, and since it is a seasonal crop, production is further limited by the amount and distribution of rainfall. Thus, it is important to look for cultivars with greater water use efficiency (WUE) and therefore higher production. The aim of the present study was to evaluate WUE and yield of green pod and dry grain of 14 cultivars of faba bean (13 introduced and one native). Seed sowing occurred on March 30, 2006 at a density of 4.2 plants·m^-2 in Serdán, Puebla under seasonal rainfall conditions. The fertilizer was 132-33-00 of NPK. All P and 50 % of nitrogen was applied before sowing and the rest 60 days later. The cultivars of early physiological maturity (PM) were 'Tarragona 1' and 'Cochinera Montecillo' (190 days after sowing (das) and 3,023 growth degree days) and the later was 'Cochinera Morada' (225 das and 3,450 growth degree days). The greatest pod size was found in 'Pico de Orizaba' with 8.8 cm length and 23.4 mm width. 'Cochinera Morada' had the highest yield (1,037 g·m^-2) and number of pod per m² (113.1). The lowest yield was shown in 'Cochinera Montecillo' (456.1 g·m^-2). The highest grain yield was found in 'Blanca' (357 g·m^-2). In both cases yield was related to water use efficiency and harvest index. The native cultivar showed lower yield than some introduced cultivars. In general, the late cultivars showed higher biomass, yield and accumulated heat.

INTRODUCCIÓN

Desde la antigüedad, las leguminosas han sido importantes para el hombre, debido principalmente a su alto contenido de proteínas y, en algunos casos, por la adecuada proporción de grasas que posee la semilla de muchas especies. Las especies de leguminosas más importantes a nivel mundial son frijol (Phaseolus vulgaris L.), chícharo seco (Pi-sum sativum L.), garbanzo (Cicer arietinum L.) y haba (Vicia faba L.) (Nadal et al., 2001). El cultivo del haba en muchas regiones del mundo ha tenido un creciente interés por el aprovechamiento de sus granos y también por su uso en la medicina, industria, como abono verde, forraje, para la obtención de bioetanol y biogás (Nadal et al., 2001; Petersson et al., 2007; Siem et al., 2012), así como bioindicadora deagua contaminada con mercurio (Álvarez et al., 2006).

En México, el cultivo de haba dentro de las leguminosas grano ocupa el tercer lugar en producción y es de importancia social, económica y medicinal, principalmente para los agricultores de los valles altos (Díaz y Escalante, 2009). En el año 2011 se destinaron 11,500 ha para el cultivo de haba verde y 19,800 ha para grano seco, con un rendimiento promedio de 5.5 y 0.7 t·ha^-1, respectivamente (Anónimo, 2012). Estos bajos rendimientos se deben a que la mayoría de los productores comúnmente siembran cultivares nativos o tradicionales, que son susceptibles a agentes bióticos, de ciclo vegetativo largo, sensibles al acame y por las características de tamaño y color de grano sólo tienen aceptación local (Morales et al., 2002). Además, en los sistemas de producción tradicionales se utiliza el mismo cultivar tanto para la producción de vaina verde como de grano seco. La primera decisión que el productor debe tomar es la elección de la variedad apropiada, la cual debe tener un alto potencial de rendimiento (Bascur, 1997), ciclo más corto, adaptabilidad a diversos suelos y condiciones de manejo (Anónimo, 2000). Una estrategia para mejorar la productividad y la rentabilidad del cultivo es evaluar diferentes variedades e identificar aquellas que superen a los cultivares nativos o tradicionales (Pichardo et al., 2007).

Al introducir variedades mejoradas, el rendimiento de grano puede incrementarse hasta 30 %, debido a un mayor número de nudos reproductivos, índice de cosecha y área foliar más alta (Pilbeam et al., 1990). De Costa et al. (1997) señalan que el mayor rendimiento de grano mostrado por los cultivares introducidos en comparación con los tradicionales se debió a una mayor duración del área foliar, número de vainas y peso de grano (Musallam et al., 2004). Además, las variedades introducidas también superan en rendimiento de grano seco a los cultivares locales, por un mayor número de granos por vaina (Alan y Geren, 2007; Escalante y Rodríguez, 2011). Bozoglu et al. (2002), al estudiar solamente cultivares para vaina verde, encontraron que el cultivar 'Eresen-87' (introducido) mostró un rendimiento superior al cultivar local, debido a la mayor longitud, diámetro y anchura de la vaina y número de vainas por planta. Por otra parte, bajo condiciones de temporal, el rendimiento depende de la eficiencia en el uso del agua (EUA), por lo que, para lograr un incremento en el rendimiento, se deben buscar genotipos con alta EUA. Es decir, que tengan mayor rendimiento por unidad de agua disponible (Pichardo et al., 2007). El objetivo de la investigación fue estudiar la fenología y evaluar la biomasa, rendimiento en verde y grano y la eficiencia en el uso del agua de doce cultivares de haba introducidos y uno local nativo, bajo condiciones de lluvia estacional en el área de Ciudad Serdán, Puebla.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizó durante la primavera del 2006 en el área de Ciudad Serdán, Puebla (18° 59' N, 97° 26' O y 2,611 m de altitud) bajo condiciones de lluvia estacional. El clima de la región es de tipo C(w₂)(w), que corresponde a templado subhúmedo con lluvias en verano, el más húmedo de los subhúmedos (García, 2004).

Se utilizaron los cultivares de haba denominados 'Tarragona Amarilla 1', 'Tarragona Amarilla 2', 'Tarragona Amarilla 3', 'Parraleña', 'Blanca', 'Cochinera Morada', 'Pico de Orizaba' (cultivar local nativo), 'Cochinera Montecillo', 'San Pedro', 'San Isidro', 'Monarca', 'Diamante', 'V-31' y 'V-35'. Los primeros siete provinieron del banco de germoplasma del Colegio de Postgraduados Campus Puebla y los restantes del área de Ecofisiología de Cultivos del Colegio de Posgraduados, Campus Montecillo.

Se usó un diseño experimental bloques al azar con cuatro repeticiones. La unidad experimental fue de 4.0 × 3.0 m (cinco surcos de 3 m de longitud). La parcela útil fue tres surcos centrales (un tercio de la parcela útil se destinó para cosecha en verde y dos tercios para grano seco).

Durante el desarrollo del cultivo se registró la temperatura máxima y mínima promedio de cada 10 días y la precipitación decenal, así como la ocurrencia de fases y etapas fenológicas, de acuerdo con el criterio presentado por Pichardo et al. (2007). Para determinar el rendimiento de vaina verde (RVV) se realizaron tres cortes (en función del desarrollo de los cultivares). Se contó el número de vainas verdes por m² (NVV), y de éstas se promedió la longitud (L, cm), anchura (A, mm) y peso de la vaina (PV, g). A la madurez fisiológica (cosecha) se evaluó la materia seca o biomasa total (BT, g), rendimiento de grano seco (RG, peso del grano en g, con 10 % de humedad), índice de cosecha (IC, relación entre el RG y la BT*100), tamaño del grano (con base en el peso en g, de 50 granos, PCG), número de granos·m^-2 (NG) y número de vainas·m^-2 (NV). La eficiencia en el uso del agua (EUA) se obtuvo al dividir la BT (EUAB) o el RG (EUAG) por unidad de área entre la precipitación total que ocurrió durante el ciclo de cada cultivar (Escalante, 2001).

A las variables respuesta se les aplicó un análisis de varianza, y a aquellas que resultaron significativas se les realizó la prueba de comparación de medias de Tukey (α = 0.05). Para determinar la relación entre el RVV con la L, A y PV, se aplicó el modelo de regresión. De manera similar para RG y sus componentes y la BT. El coeficiente de determinación más alto, fue el criterio para seleccionar la mejor ecuación.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Elementos del clima

Durante el desarrollo del experimento (marzo-noviembre), la precipitación total (pp) fue de 490.5 mm. De ésta, 54 % ocurrió en la etapa reproductiva (10 de julio - 10 de noviembre). El mes más seco fue abril, lo que pudo limitar el crecimiento del área foliar y, en consecuencia, la producción de materia seca y el rendimiento. Los meses de mayor precipitación fueron junio y septiembre. La temperatura máxima (Tmax) más alta se registró en la última decena de marzo (31.7 °C) y disminuyó conforme se llegó a madurez fisiológica de los cultivares evaluados. La temperatura máxima más baja ocurrió en los primeros días de noviembre (16.7 °C). Durante el ciclo del cultivo, la temperatura máxima (Tmax) promedio fue de 22.8 °C, y el promedio de la temperatura mínima (Tmín), de 8.2 °C (Figura 1).

Fenología

En la Figura 2 se presentan los días después de la siembra (dds) a ocurrencia de los estadios fenológicos emergencia (VE), planta con 5 y 10 hojas (V5 y V10), inicio de la floración (R4), inicio de la fructificación (R6) y madurez fisiológica (R11) para cada cultivar. Pueden observarse las etapas vegetativa y reproductiva. En la primera aparecen y se expanden hojas y en la segunda aparecen y crecen las flores, frutos y semillas. En los cultivares de hábito indeterminado, durante gran parte de la etapa reproductiva prosigue la aparición de hojas (Kantolic et al., 2003). La emergencia de la plántula ocurrió entre los 13 a los 16 dds; 'Tarragona 2' y 'San Isidro' fueron los cultivares con mayor retraso a la emergencia (Figura 2). Si bien no se debe descartar la variable genética de los distintos cultivares, el mayor tiempo a la emergencia en "Tarragona 2" puede deberse a que, por su mayor tamaño, requirió mayor cantidad de agua para su germinación. Generalmente cuando la semilla absorbe una cantidad de agua equivalente al 50 % de su peso y se satisfacen sus requerimientos térmicos, se desencadenan los procesos que originan la germinación (Satorre et al., 2003). En el cultivar 'San Isidro' otros factores que pudieron retrasar la emergencia fueron el vigor de la semilla, una cubierta seminal más dura, mayor contenido de taninos y menor contenido de proteínas (Kantar et al., 1996).

Grados día desarrollo

Los cultivares en estudio presentaron diferencias en los grados día desarrollo (GDD) durante el ciclo. Así, de siembra a VE, los GDD fueron de 228 °C-día (°Cd) en promedio, donde correspondió a 'Cochinera Montecillo' el valor más bajo (207 °Cd), y a 'San Isidro', el más alto (254 °Cd), resultados que son similares a los encontrados por Pichardo et al. (2007) para 'Cochinera Montecillo'. De siembra a R4 (floración), cualquier cultivar de los aquí estudiados requiere un mínimo de 1,404 °Cd. El requerimiento de calor más bajo correspondió a 'V-31', 'V-35' y 'San Pedro' con 1,404, 1,404 y 1,473 °Cd, respectivamente, mientras que para 'Cochinera Morada', 'Tarragona 2' y 'San Isidro' correspondió el más alto con 1,837,1,983 y 2,082 °Cd, respectivamente. A madurez fisiológica (R11), 'V31', 'San Pedro', 'Cochinera Montecillo', 'Tarragona 1', 'V31' y 'San Pedro' presentaron los valores de GGD más bajos con 3,020, 3,020, 3,155 y 3,155 °Cd; y los más altos correspondieron a 'Blanca', 'Tarragona 3', 'Parraleña' y 'Cochinera Montecillo' con 3,430, 3,430, 3,439 y 3,447 °Cd, respectivamente. El conocimiento de los GDD para cada cultivar nos permite estimar el tiempo de ocurrencia, duración de cada fase fenológica y la fecha a madurez fisiológica, lo cual ayudará a programar apropiadamente las actividades de cosecha.

Rendimiento de vaina verde y componentes

El rendimiento de vaina verde total (RVV), longitud (L), anchura (A), número de vainas verdes (NVV) y peso de vaina (PV) mostraron diferencias altamente significativas entre cultivares (Cuadro 1). En el RVV de cada cultivar, el primer corte fue el de mayor contribución al rendimiento final (61 %); el tercer corte sólo aportó 13 %. El análisis estadístico agrupó a nueve cultivares con mayor rendimiento. 'Cochinera Morada' mostró el RVV más alto (337.4 g·m^-2), seguido de 'San Pedro' (922.4 g·m^-2), y superaron al cultivar local nativo ('Pico de Orizaba') en 34 y 19 %, respectivamente. La mayor producción de 'Cochinera Morada' se debió a un incremento en el NVV (Escalante y Rodríguez, 2011). Los RVV más bajos se encontraron en 'Tarragona 1', 'Monarca', 'Diamante', 'Parraleña' y 'Cochinera Montecillo'. Este último alcanzó sólo el 44 % del RVV de 'Cochinera Morada', debido al menor PV (6.4 g).

Se observaron diferencias entre cultivares en el PV. 'San Isidro' y 'Tarragona 2' mostraron el PV más alto con 13.8 y 13.1 g, respectivamente. No obstante, dichos cultivares junto con 'Diamante', presentaron el NVV más bajo. Este comportamiento es común en leguminosas y otros cultivos, en donde el aumento de un componente se ve compensado por la disminución del otro. A este fenómeno se le denomina "compensación de componentes de rendimiento" (Escalante et al., 1980; Agung y McDonald, 1998).

La longitud (L) de la vaina fluctuó entre 6.0 y 8.7 cm. 'Pico de Orizaba' fue el cultivar de mayor L (8.7 cm), aunque no superó estadísticamente a 'Tarragona 1', 'San Pedro', 'Monarca', 'Diamante', 'V-31' y 'V-35', que presentaron una L promedio de 8.3 cm. Los cultivares 'San Isidro', 'Tarragona 2' y 'Tarragona 3', 'Cochinera Morada' y 'Parraleña' mostraron entre 7.0 y 7.5 cm. Las vainas de menor L fueron las de 'Cochinera Montecillo' y 'Blanca' (Cuadro 1). Esta característica es muy importante para la comercialización en vaina verde, debido a que el mercado consumidor prefiere un producto con vaina larga. Para uso agroindustrial esta característica no es relevante, ya que sólo se utilizan los granos verdes (Bascur, 1997). Por otra parte, la mayor anchura (A) de vaina se encontró en 'Pico de Orizaba', 'San Pedro' y 'Tarragona 3', que superaron en 6 % a 'San Isidro', 'Monarca' y 'Diamante', con una A que osciló entre 20.1 y 20.9 mm. 'Cochinera Montecillo' mostró la menor A, 7 mm menos que el valor más alto (Cuadro 1). La L y A de la vaina se relacionan con el tamaño de semilla. Así, plantas originadas con semillas grandes tendrán vainas de mayor L y A, en comparación con aquellas desarrolladas a partir de semillas pequeñas (Al-Refaee et al., 2004).

En la Figura 3 se observa que el RVV se relacionó principalmente con el PV (R²=0.62**) y NVV (R²=0.58**) y, en menor grado, con la L (R²=0.35**) y A (R²=0.22**). Es decir, que el 62 % de la variabilidad en el RVV puede atribuirse a una relación polinómica con el PV. Bozoglu et al. (2002) encontraron que el mayor RVV correspondió a aquellos cultivares que presentaban una mayor longitud, diámetro y anchura de vaina, lo cual contrasta con los resultado de este estudio, pero coinciden con los de Chávez y de León (2000), quienes encontraron que el RVV se relacionó principalmente con el número de vainas.

Biomasa total e índice de cosecha

La producción de biomasa total (BT) y el índice de cosecha (IC) mostraron diferencias altamente significativas entre cultivares. La BT más alta correspondió a 'Pico de Orizaba', 'Cochinera Morada', 'Blanca', 'Taragona 3' y 'Parraleña', lo cual puede ser resultado de un mayor índice de área foliar, duración del área foliar (DAF), DCC y, en consecuencia, mayor radiación interceptada (Confalone et al., 2010). La BT más baja se encontró en los cultivares 'V-31' y 'San Isidro', y fue de 293.6 y 277.6 g·m^-2, respectivamente, con ciclo de crecimiento más corto.

Rendimiento y sus componentes

El análisis de varianza para el rendimiento de grano seco (RG), número de granos (NG), vainas (NV) y peso de 50 granos (PCG) mostró diferencias significativas entre cultivares. Un grupo de siete cultivares presentó el RG más alto con una diferencia de 112 g·m^-2 entre cultivares. 'Blanca' fue el cultivar que mostró el RG más elevado con 357.4 g·m^-2, mayor NV por m² (171.1), IC de 62 %, NG de 182.6 por m² y PCG de 98.1 g. El NV se considera como el principal componente que modifica el rendimiento (Pichardo et al., 2007). Escalante y Rodríguez (2011) encontraron que entre el 98 y 85 % de la variación en el rendimiento se debe principalmente a cambios en NG y NV, Dado que el NV es el resultado de la producción y caída de frutos, es de suma importancia que durante las fases reproductivas el cultivo no presente ningún estrés que reduzca la tasa fotosintética, como déficit hídrico, nutrición, temperatura, entre otros.

El RG más bajo se encontró con 'San Isidro', 'V-35', 'Diamante', 'Tarragona 2', 'Monarca', 'San Pedro' y 'V-31' (129.5 a 113.2 g·m^-2), que fue producto de un menor NV e IC (Cuadro 2). Morales et al. (2002), en la región de Tecámac, México, encontraron mayor RG en 'V-35', 'V-31' y 'San Pedro'. Este comportamiento se debe posiblemente a que estos cultivares presentan adaptación específica al ambiente local (Ceretta et al., 1998), y las condiciones ambientales de Ciudad Serdán limitan una mayor expresión de su RG.

En comparación con el cultivar local, 'Blanca' y 'Cochinera Morada' pueden ser utilizados para lograr un mayor RG en la región (Cuadro 2). En general, los cultivares de mayor RG fueron los de mayor DCC (R²=0.87**). El objetivo principal de un sistema de producción de granos es lograr una máxima expresión del rendimiento. Gran parte del éxito logrado en los últimos años en incrementar la producción, se ha debido al desarrollo y utilización de cultivares adaptados para cada localidad (Satorre et al., 2003).

Relación entre los caracteres agronómicos estudiados

El RG mostró una relación positiva con BT, NV, NG, PCG e IC (R²=0.89**, 0.64**, 0.65**, 0.38* y 0.62**, respectivamente). Musallam et al. (2004) y Morales et al. (2002) encontraron tendencias similares entre el RG y la BT, NV y PCG. Robertson y El-Sherbeeny (1988) encontraron una relación alta entre el RG y la BT y RG y el PCG. Estos resultados sugieren un mecanismo de compensación entre el tamaño del grano y el número de granos (Escalante et al., 1980). La relación positiva entre el RG y la BT, NV, NG e IC indican la importancia de estos componentes para determinar el rendimiento final del haba y que son caracteres objeto de incrementar por los fitomejoradores para lograr un rendimiento alto (Escalante y Rodríguez, 2011). La relación positiva entre la BT, IC y PCG no fue significativa.

Eficiencia en el uso del agua

En la eficiencia en el uso del agua (EUA) para la BT y RG se encontraron diferencias altamente significativas entre cultivares (Cuadro 3). 'Pico de Orizaba', 'Cochinera Morada' 'Cochinera Montecillo', 'Blanca', 'Tarragona 1', 'Tarragona 3' y 'Parraleña' mostraron la EUA para BT más alta con un promedio de 1.18 g·m^-2·mm^-1. Destaca el cultivar local nativo con 1.43 g·m^-2·mm^-1. La EUA más baja se observó en 'San Isidro' y 'V-31' con 0.61 y 0.64 g·m^-2·mm^-1, respectivamente. Uno de los principales factores por los que difiere la EUA es el cultivar o variedad, por la variabilidad en la optimización de los procesos de asimilación de carbono y de evapotranspiración (Medrano et al., 2007).

Con respecto a la EUA para RG, 'Blanca' mostró la eficiencia más alta con 0.73 g·m^-2 ·mm^-1 y fue estadísticamente igual a 'Cochinera Morada', 'Cochinera Montecillo', 'Tarragona 1', 'Tarragona 3', 'Parraleña' y 'Pico de Orizaba'. Los cultivares 'San Isidro', 'V-31' y 'V35' presentaron la EUA más baja (Cuadro 3). La mayor EUA en 'Blanca, posiblemente se debió a una mayor cantidad de CO2 fijado por unidad de agua transpirada; es decir, en el cultivar Blanca hay una mayor producción de semilla ante un mismo con-sumo de agua. Así, los resultados sugieren que 'Pico de Orizaba' y 'Blanca' son cultivares con posibilidad de alcanzar elevadas tasas de crecimiento en regiones con precipitación limitada. En contraste, se podría identificar a 'San Isidro' y 'V-31' como cultivares con baja EUA, BT y RG. La EUAG mostró una relación alta con RG (R²=0.90***) y la EUAB con la BT (R²=0.98***), lo que indica que una EUA más alta se reflejará en mayor BT y RG.

CONCLUSIONES

En la región de Ciudad Serdán, Puebla, el ciclo de cultivo y etapas fenológicas mostraron cambios entre cultivares.

Existe una relación positiva entre peso de vaina y número de vainas con el rendimiento en haba verde.

El cultivar local nativo puede ser sustituido por 'Blanca', 'Cochinera Morada', 'Parraleña' o 'Tarragona 3' para lograr un rendimiento más alto en la región de estudio.

Por su mayor producción tanto en vaina verde como en grano seco, 'Cochinera Morada' es la más apropiada para la siembra de temporal en la región de Ciudad Serdán, Puebla.

LITERATURA CITADA

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