Expectativas de adaptación al cambio climático de tres variedades de frijol en Jalisco*

Expectations of adaptation to climate change in three bean varieties in Jalisco

Diego Raymundo González Eguiarte^1§, José Ariel Ruiz Corral², Rogelio Lépiz Ildefonso³, Alfredo González Ávila², Eduardo López Alcocer⁴, Gabriela Ramírez Ojeda², Patricia Zarazúa Villaseñor¹ y Noé Durán Puga¹

¹ Departamento de Desarrollo Rural Sustentable. Universidad de Guadalajara. Carretera Guadalajara-Nogales, km 15.5. Predio Las Agujas, Zapopan, Jalisco, México. ^§Autor para correspondencia: diegonz@cucba.udg.mx.

³ Departamento de Producción Agrícola. Universidad de Guadalajara.

⁴ Departamento de Ciencias Ambientales. Universidad de Guadalajara.

* Recibido: diciembre de 2010
Aceptado: julio de 2011

Resumen

México está considerado como centro de origen del género Phaseolus, mientras que al Occidente de México se le reconoce como una zona importante de diversidad. De cinco de las especies cultivadas por el hombre (P. vulgaris; P. acutifolius; P. coccineus subsp. Coccineus; P. polyanthus y P. lunatus), aún se desconocen varios aspectos relacionados con sus necesidades climáticas básicas, lo que impide definir las áreas de mayor productividad y sustentabilidad, así como sus posibilidades de adaptación al cambio climático. El objetivo de la investigación fue determinar las temperaturas cardinales y las áreas de recomendación actuales y futuras en Jalisco para las variedades Azufrado Tapatío, Bayo Grande y Mulato. En ambiente controlado se hicieron variar las temperaturas diurnas de 7 a 40 °C y las nocturnas de 3 a 32 °C, con un fotoperiodo de 12 h. Como datos fenológicos se registraron: fecha de siembra, fecha de emergencia, fecha de inicio de floración y fecha de madurez. Mediante modelos de regresión se determinaron las temperaturas cardinales y el requerimiento térmico. Para determinar las áreas de recomendación actuales y bajo escenarios de cambio climático de los genotipos estudiados, se utilizó el procedimiento de análisis espacial con el sistema de información geográfica IDRISI Andes, alimentando los procesos con el sistema de información ambiental (SIA) y el sistema de información de cambio climático (SICC) del INIFAP para Jalisco, este último basado en un ensamble de modelos de circulación general considerando el escenario de emisiones A2. Como resultado final fue posible establecer las áreas que actualmente poseen condiciones agroclimáticas óptimas para el cultivo, así como las áreas que tendrán condiciones óptimas en las décadas 2021-2030 y 2041-2050. Las tres variedades estudiadas muestran diferente capacidad de adaptación en el escenario de clima actual y en escenarios de cambio climático. Estas posibilidades de adaptación pudieron ser expresadas en términos de áreas de recomendación a nivel municipio.

Palabras clave: áreas de recomendación, cambio climático, frijol, requerimiento térmico, temperaturas umbrales.

Abstract

Mexico is considered as the center of origin of the Phaseolus genus, while the west of Mexico is recognized as an important area of diversity. For five of the cultivated species (P. vulgaris, P. acutifolius, P. coccineus subsp. Coccineus, P. polyanthus and P. lunatus), several aspects of basic climatic needs are still unknown, preventing to define areas of higher productivity and sustainability, as well as their adaptability to climate change. The aim of this paper was to determine the cardinal temperatures and the current and, future recommendations areas for Azufrado Tapatío, Bayo Grande y Mulato varieties. In a controlled environment, daytime temperatures were changed from 7 to 40 °C and, nighttime temperatures from 3 to 32 °C with a photoperiod of 12 h. For the phenological data were recorded: sowing date, emergence date, flowering-beginning date and, maturity date. Using regression models, cardinal temperatures and thermal requirement were determined. In order to determine the current recommendation areas and under climate change scenarios for the studied genotypes, the method of spatial analysis with the IDRISI Andes geographic information system was used, feeding the processes with the environmental information system (EIS) and, the climate change information system (SICC) of the INIFAP for Jalisco, the latter based on an ensemble of general circulation models considering the A2 emissions scenario. It was possible to establish the areas that currently have optimal agro-climatic conditions for cultivation as well as the areas that will have optimum conditions in 2021-2030 and, 2041-2050 decades. The three varieties studied show different resilience for the current climate scenario and, climate change scenarios. These adaptation options were expressed in terms of recommendation areas at municipality-level.

Key words: beans, climate change, recommendation areas, temperature thresholds, thermal requirements.

INTRODUCCIÓN

El frijol ha sido por mucho tiempo un alimento básico en la dieta del mexicano y actualmente se cultiva un gran número de variedades en correspondencia con la gran diversidad de ambientes agroecológicos, bajo los cuales se produce frijol en nuestro país. No obstante, ser uno de los cultivos más importantes, aún se desconocen varios aspectos relacionados con sus necesidades climáticas básicas, especialmente a nivel de genotipo. Esto limita la determinación confiable de sus potenciales áreas de producción, lo que es un objetivo primario en términos agrícolas y de sustentabilidad (Medina et al., 2003).

Con respecto al clima, las áreas de producción de cultivos están dadas fundamentalmente por tres elementos: temperatura, agua y luz (radiación solar). De estos elementos básicos, la temperatura es considerada como la más determinante para la adaptación y distribución de los genotipos (Monteith, 1977; Ruiz et al., 2002).

La adaptación y desarrollo de las plantas están condicionados por ciertos límites o controles térmicos como las temperaturas umbrales o ceros fisiológicos. Por debajo del umbral mínimo y por arriba del umbral máximo, la actividad celular y por tanto el desarrollo del organismo se consideran nulos (Summerfield et al., 1989). Así, se puede afirmar que conociendo los valores de estos umbrales térmicos para una especie vegetal, se pueden determinar sus ambientes de adaptación o recomendación. Otro control térmico importante, que en este caso determina más bien los niveles de desarrollo, es la temperatura óptima. Cuando una planta habita bajo un régimen de temperatura óptima se obtienen las mayores tasas de desarrollo (Slafer y Savin, 1991).

En conjunto, los umbrales térmicos y la temperatura óptima de una especie son conocidos también como sus temperaturas cardinales (Durán et al., 2011). Conociendo las temperaturas cardinales y mediante la caracterización fenológica de un genotipo, es posible determinar de manera precisa su requerimiento térmico (RT) o unidades calor (UC) necesarias para completar su ciclo de madurez (Ruiz et al., 2002), y por tanto determinar si dicho genotipo puede prosperar en una estación de crecimiento (EC) con una capacidad térmica (CT) determinada, entendiendo ésta como la cantidad de unidades calor o grados-día de desarrollo que se acumulan en la EC. Esto es, deducir si la EC garantiza el cumplimiento del ciclo de desarrollo del genotipo. La determinación de las áreas de recomendación de genotipos o variedades bajo esta base de conocimiento, permite minimizar el riesgo climático de producción de cultivos (FAO, 1997).

En resumen, estos autores reportan incrementos de temperatura, evapotranspiración y variaciones ligeras de precipitación predominantemente hacia la baja. Estas combinaciones redundan en condiciones agroclimáticas menos favorables para los cultivos, por lo que el siguiente reto es evaluar el impacto que tienen y tendrán estos cambios climáticos sobre la producción agrícola. Por lo anterior, el objetivo de este estudio fue determinar las temperaturas cardinales y las áreas de recomendación de tres variedades de frijol en las áreas agrícolas de temporal del estado de Jalisco, bajo el escenario climático actual y dos escenarios de cambio climático.

MATERIALES Y MÉTODOS

Material genético

El estudio se realizó para las variedades Azufrado Tapatío, Bayo Grande y Mulato. Algunas características de estos materiales se presentan en el Cuadro 1.

Experimentación en ambiente controlado

Consistió en el desarrollo de ensayos de observación fenológica en ambiente controlado, en el interior de una cámara de crecimiento que regula las condiciones de temperatura, luz y humedad relativa. La unidad experimental constó de una maceta que albergó 2-3 plantas de cada variedad. Se establecieron dos repeticiones. En total se llevaron a cabo siete experimentos. Los tratamientos de temperatura y fotoperiodo estudiados se describen en el Cuadro 2. Durante el desarrollo de los experimentos se registraron como datos fenológicos los siguientes: a) fecha de siembra; b) fecha de emergencia; c) fecha de inicio de floración y d) fecha de madurez.

Se calcularon temperaturas medias para cada etapa fenológica, obteniendo la media aritmética de la temperatura diurna y nocturna de cada tratamiento térmico, esto es: Tm= (Td+Tn)/2. Los datos referentes a los días (d) de duración de la etapa siembra-emergencia, etapa emergencia-inicio de floración y etapa inicio de floración-madurez, se transformaron a tasas de desarrollo mediante el cálculo de su recíproco, esto es 1/d.

Se graficaron los valores de tasa de desarrollo y sus temperaturas medias correspondientes. El análisis gráfico reveló la tendencia de los datos, siendo ésta en las tres variedades, de tipo lineal para la etapa siembra-emergencia y de tipo curvilíneo para la etapa emergencia-inicio de floración. Con base en una tendencia lineal se procedió a realizar un análisis de regresión lineal simple, tomando como variable independiente a la temperatura media y variable dependiente a la tasa de desarrollo.

Con los parámetros de la regresión (Monteith, 1977), se determinaron tanto la temperatura base (Tb) como el requerimiento térmico (RT) de la etapa siembra-emergencia, de la forma en que se describe a continuación: Tb= -a/b; donde: a y b son la constante y el coeficiente de regresión del análisis de regresión. RT= 1/b; donde: RT es el requerimiento térmico. En el caso de una relación lineal entre tasa de desarrollo y temperatura, la temperatura óptima se aproximó al valor de temperatura que produjo la mayor tasa de desarrollo.

Cuando la relación entre tasa de desarrollo y temperatura fue curvilínea, entonces fue posible determinar las tres temperaturas cardinales. Para ello se utilizó el método de regresión cuadrática con el ajuste propuesto por Foong (Robertson, 1983). Con este método la temperatura base se calculó con la expresión:

; donde: β₀, β₁ y β₂ son los parámetros de la regresión cuadrática. La temperatura óptima se obtuvo como: To = - β/2β₂. Por último, la temperatura umbral máxima se obtuvo con la siguiente expresión: Tu= ln (2C^To- C^Tb)/ln C; donde: C= 1.15 (Foong, citado por Robertson, 1983).

Requerimiento térmico para el ciclo vegetativo

Se cuantificó el requerimiento térmico del ciclo vegetativo de los tres genotipos de frijol, utilizando para ello los resultados de la cuantificación de temperaturas cardinales y datos fenológicos monitoreados en el presente estudio. Para el caso de la etapa inicio de floración-madurez se utilizaron las temperaturas cardinales, obtenidas para la etapa emergencia-inicio de floración, las cuales se aplicaron a datos de duración de la etapa inicio de floración-madurez, que fueron medidos también en ambiente controlado. De esta forma se obtuvieron los requerimientos térmicos en términos de unidades calor. Las unidades calor se calcularon con el método residual, esto es UC= Tm-Tb; donde: UC= unidades calor; Tm= temperatura media; Tb= temperatura base.

Cartografía de áreas de recomendación de genotipos de frijol

Se utilizó el sistema de información geográfica IDRISI Andes y los sistemas de información ambiental (Ruiz et al., 2003) y de cambio climático (SICC) del estado de Jalisco (basado en 10 modelos de circulación general y el escenario de emisiones A2) (Ruiz y Regalado, 2011), para identificar las áreas de recomendación de siembra en temporal, de los tres genotipos estudiados bajo las climatologías 1961-2003, 2021-2030 y 2041-2050. Para ello se utilizaron como variables de diagnóstico las siguientes: uso del suelo agrícola de temporal, áreas con aptitud agroclimática para el cultivo de frijol, duración de la estación de crecimiento (DEC), unidades calor acumuladas durante la estación de crecimiento (UCA) de acuerdo con las temperaturas cardinales de los genotipos.

Las áreas de recomendación se obtuvieron cuando el requerimiento térmico del ciclo vegetativo de los genotipos, se restó de las unidades calor acumuladas durante la estación de crecimiento en las áreas aptas para frijol. Las áreas que resultaron con una diferencia positiva, se asumieron como áreas de recomendación para el genotipo en cuestión.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Etapa siembra-emergencia

Para la etapa siembra-emergencia, el único tratamiento térmico con el que no se presentó germinación de la semilla fue el de 7/3 °C, evidenciando que dichas temperaturas se encuentran por debajo de la temperatura base de los genotipos. En los siete tratamientos restantes sí se registró germinación en las tres variedades de frijol. En ellos se observa una aparente similitud de respuesta, de parte de las variedades en cuanto a la duración de la etapa siembra-emergencia, con una tendencia de mayor precocidad del genotipo Mulato. Como era de esperarse, la tasa de desarrollo fue mayor a medida que el tratamiento de temperatura fue mayor, señalando una relación lineal.

En la Figura 1 se describe la relación entre la temperatura y la tasa de desarrollo observada, en los tres genotipos estudiados durante la etapa siembra-emergencia. Ahí se puede observar, una clara tendencia lineal entre temperatura y tasa de desarrollo. También se aprecia que no existió ningún tratamiento de alta temperatura que inhibiera la germinación, por lo que en este estudio se asumió como temperatura óptima para la etapa siembra-emergencia, la temperatura promedio (entre temperatura diurna y nocturna) que produjo la mayor tasa de desarrollo; esto es 36 °C. En contraste, Baradas (1994) señala un intervalo térmico óptimo para la germinación de 16 a 29 °C.

Con base en esta relación, al aplicar el método de regresión lineal simple, se determinó que la temperatura base de la etapa siembra-emergencia, para los genotipos estudiados fue la que se describe en el Cuadro 4. En este cuadro es visible la similitud de valores tanto de la regresión como de la temperatura base y requerimiento térmico en los tres genotipos, por lo que se puede concluir que el desarrollo inicial de la plántula de estas variedades, es influido de una misma manera por la variación de temperatura. Los valores de Tb obtenidos y mostrados en el Cuadro 4, difieren del valor reportado por Benacchio (1982) como mínimo para la germinación de frijol.

Etapa emergencia-inicio de floración

Los tratamientos térmicos en que el frijol no germinó, obviamente no produjeron tampoco datos para la etapa emergencia-inicio de floración. Con los cuatro tratamientos térmicos que sí se lograron hasta la floración, se identificó una respuesta curvilínea de la tasa de desarrollo del frijol en función de la temperatura (Figura 2). Esta respuesta curvilínea permitió identificar tanto el valor mínimo como el máximo de temperatura a los cuales existe desarrollo, y el valor de temperatura a la cual la tasa de desarrollo es máxima, esto es la temperatura óptima para desarrollo.

En el Cuadro 5 se describen los valores obtenidos para temperatura base, temperatura umbral máxima y temperatura óptima de desarrollo en cada una de las tres variedades evaluadas, durante la etapa emergencia-inicio de floración. Como puede verse, existe similitud en cuanto a las temperaturas cardinales de Mulato y Bayo Grande, no así para Azufrado Tapatío, que al parecer sólo se asemeja a las anteriores en cuanto a la temperatura base. Con respecto a la temperatura óptima y a la temperatura umbral máxima, sus valores son de 2 °C menos que los otros genotipos, mostrando que probablemente se adapta más en ambientes templados y semicálidos que cálidos tropicales. Los valores de temperatura base y temperatura umbral máxima de los tres genotipos estudiados fueron 10 °C y 25-30 °C, respectivamente, propios para esta especie.

Requerimiento térmico para el ciclo vegetativo

Comportamiento de los genotipos en diferentes escenarios climáticos

Las Figuras 3 a (4) 5 muestran las áreas de recomendación obtenidas para cada uno de los genotipos estudiados y para tres escenarios climáticos: 1961-2003 (climatología de referencia), 2021-2030 y 2041-2050. Comparando los tres mapas (a, b y c) dentro de cada una de las Figuras, se observa que las superficies de las áreas de recomendación de las tres variedades se modifican sustancialmente, pero los datos no evidencian que en un escenario futuro tan lejano como el 2041 -5 0, las áreas con potencial disminuyan significativamente; por lo contrario, en dos de los genotipos (Bayo Grande y Azufrado Tapatío), las mayores superficies con potencial óptimo corresponden al escenario 2041 -2050.

Este hallazgo representa que para esta especie existen actualmente variedades con las que se enfrentaría el fenómeno de cambio climático. Por otra parte, al hacer la comparación entre Figuras (3 a (4) 5) es claro que las tres variedades, en función de sus superficies con potencial óptimo, se adaptan de manera diferencial a los diferentes escenarios de clima; Mulato muestra el mejor comportamiento en las tres climatologías con 619 550, 539 546 y 596 529 ha con condiciones óptimas. Situación similar acontece al comparar los potenciales subóptimos.

Estos resultados en conjunto reflejan que para esta especie, y muy probablemente para otras, la variabilidad genética y la interacción genotipo-ambiente son un recurso importante en la generación de estrategias tecnológicas para sortear el fenómeno del cambio climático.

Con respecto al significado de estos resultados al desarrollo tecnológico actual, y de acuerdo con los mapas (a), los resultados establecen que el genotipo con mayor superficie de recomendación es Mulato, concentrada en la confluencia de las regiones Altos Sur, Centro y Ciénega, abarcando 20 municipios, entre ellos Tepatitlán, Arandas, Tototlán y Acatic. En total se determinaron 619 550 ha (climatología 1961-2003), con condiciones agroclimáticas óptimas para el genotipo Mulato. Para el caso del genotipo Bayo Grande, sobresalen las áreas de municipios como Tepatitlán, Arandas, Degollado y Tototlán; se determinaron 545 030 ha con condiciones óptimas y seguras para este genotipo.

Al genotipo Azufrado Tapatío correspondió la menor superficie (209 975 ha) como adecuada y segura para su cultivo, distribuidas principalmente en los municipios de Zapopan, Tlajomulco, Zapotlán del Rey y Zapotlanejo. Dado que la superficie de temporal con alto potencial para frijol en Jalisco es de 691 293 ha (Ruiz et al., 2011), se puede asumir que los resultados obtenidos en este aspecto para cada variedad son razonables.

CONCLUSIONES

En el estado de plántula, la temperatura base y el requerimiento térmico fue similar para las tres variedades estudiadas, lo que significa que el desarrollo inicial es influido de la misma manera por la variación de temperatura.

En cuanto a los requerimientos térmicos determinados, Mulato resultó la más precoz; Azufrado Tapatío la más tardía y Bayo Grande intermedia entre ambas.

Con relación a las áreas de recomendación, éstas fueron considerablemente diferentes para las tres variedades en estudio, correspondiendo las mayores superficies a la variedad Mulato. Los escenarios climatológicos futuros, no necesariamente representarían disminuciones en las superficies de las áreas de recomendación, lo que significa, que para esta especie existen actualmente variedades con las que se podría enfrentar el fenómeno de cambio climático.

LITERATURA CITADA

Baradas, M. W. 1994. Crop requirements of tropical crops. In: Handbook of agricultural meteorology. Griffiths, J. F. Editor. Oxford Univ. Press. New York. 189-202 pp.         [ Links ]

Benacchio, S. S. 1982. Algunas exigencias agroecológicas en 58 especies de cultivo con potencial de producción en el Trópico Americano. FONAIAP-Centro Nacional de Investigación Agropecuarias. Ministerio de Agricultura y Cría. Maracay, Venezuela. 202 p.         [ Links ]

Durán, P. N.; Ruiz, C. J. A.; González, E. D. R.; Núñez, H. G.; Padilla, R. F. J. y Contreras, R. S. H. 2011. Temperaturas cardinales de desarrollo en la etapa siembra-emergencia de 11 pastos forrajeros. Rev. Mex. Cien. Pec. 2(3):347-357.         [ Links ]

López, S. J. L.; Ruiz, C. J. A.; Sánchez, G. J. A. y Lépiz, I. R. 2005. Adaptación climática de 25 especies de frijol silvestre (Phaseolus spp.) en la República Mexicana. Rev. Fitotec. Mex. 28(3):221-230.         [ Links ]

Medina, G. G.; Rumayor, R. A.; Cabañas, C. B.; Luna, F. M.; Ruiz, C. J. A.; Gallegos, V. C.; Madero, J.; Gutiérrez, S. T. R.; Rubio, D. S. y Bravo, L. A. G. 2003. Potencial productivo de especies agrícolas en el estado de Zacatecas. INIFAP-CIRNOC-CEZ. Calera de V. R., Zacatecas. Libro técnico. Núm. 2. 157 p.         [ Links ]

Monteith, J. L. 1977. Climate. In: ecophysiology of tropical crops. Alvim, T. and Kozlowski, T. T. (eds.). Academic Press. New York. 1-25 pp.         [ Links ]

Organización para las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO). 1997. Zonificación agroecológica. Guía general. FAO. Boletín de Suelos 73. Roma. 77 p.         [ Links ]

Robertson, G. W. 1983. Weather-based mathematical models for estimating development and ripening of crops. Technical Note Num. 180. WMO Num. 620. Geneva, Switzerland. 99 p.         [ Links ]

Ruiz, C. J. A.; Flores, L.H. E.; Ramírez, D. J. L. y González, E. D. R. 2002. Temperaturas cardinales y duración del ciclo de madurez del híbrido de maíz H-311 en condiciones de temporal. Agrociencia. 36(5):569-577.         [ Links ]

Ruiz, C. J. A.; González A. I. J.; Regalado, R. J. R.; Anguiano, C. J.; Vizcaíno, V. I. y González E. D. R. 2003. Recursos edafo-climáticos para la planeación del sector productivo en el Estado de Jalisco. INIFAP-CIRPAC. Conexión Gráfica. Libro técnico. Núm. 2. 172 p.         [ Links ]

Ruiz, C. J. A.; Medina, G. G.; Manríquez, O. J. D. y Ramírez, D. J. L. 2010. Evaluación de la vulnerabilidad y propuestas de medidas de adaptación a nivel regional de algunos cultivos básicos y frutales ante escenarios de cambio climático. Informe final proyecto INIFAP-INE. Guadalajara, Jalisco, México. 108 p.         [ Links ]

Ruiz, C. J. A. y Regalado, R. J. R. 2011. Cambio climático y su impacto sobre la producción de alimentos de origen agrícola. Enciclopedia de Época: Jalisco en el mundo contemporáneo. 21 p.         [ Links ]

Ruiz, C. J. A.; Ramírez, O. G.; Medina, G. G.; Ramírez, D. J. L.; Flores, L. H. E.; Soltero, D. L.; González, A, A.; Manríquez, O. J. D.; Pérez, D. J. F.; Durán, P. N.; Álvarez, C. M.; Serrano, V.; García, P. J. C.; González, E. D. R. y Contreras, R. S. H. 2011. Potencial productivo agrícola actual y bajo escenarios de cambio climático en el estado de Jalisco. INIFAP-CIRPAC-Campo Experimental Centro Altos de Jalisco. Guadalajara, Jalisco, México. Libro Técnico.         [ Links ]

Slafer, G. A. and Savin, R. 1991. Developmental base temperature in different phonological phases of wheat. J. Exp. Bot. 41(241): 1077-1082.         [ Links ]

Summerfield, R. J.; Roberts, E. H. and Lawn, R. J. 1989. Photothermal modulation of flowering in grain legumes crops. Proc. Of the Inter. Congress of Plant Physiology and Biochemistry. New Delhi, India.         [ Links ]

Zarazúa, V. P. 2011. Evaluación del cambio climático y sus impactos sobre los cultivos de trigo, maíz y agave de la Región Ciénega de Chapala (análisis retrospectivo y análisis prospectivo). Tesis Doctoral. Universidad de Guadalajara-CUCBA. Zapopan, Jalisco, México. 188 p.         [ Links ]