Impactos del cambio climático sobre la agroclimatología del maíz en Ciénega de Chapala, Jalisco*

Impacts of climate change on the maize agroclimatology in Ciénega de Chapala, Jalisco

Patricia Zarazúa-Villaseñor¹, José Ariel Ruiz-Corral^2§, Diego Raymundo González-Eguiarte¹, Hugo Ernesto Flores-López² y José Ron-Parra³

¹ Departamento de Desarrollo Rural Sustentable. Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias. Universidad de Guadalajara. Carretera Guadalajara-Nogales, km 15.5.

³ Departamento Producción Agrícola. Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias. Universidad de Guadalajara.

* Recibido: diciembre de 2010
Aceptado: julio de 2011

Resumen

Los objetivos de este estudio fueron estimar los escenarios climáticos futuros para el ciclo primavera-verano en la región Ciénega de Chapala en Jalisco, México; estimar el impacto de los escenarios sobre los parámetros agroclimáticos y fenológicos del cultivo de maíz; y los escenarios climáticos sobre los requerimientos hídricos del cultivo de maíz en la zona de estudio. Se dispuso de bases de datos climáticos serie 1977-2006 de las estaciones de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), y la base de datos de anomalías de temperatura media y precipitación para el periodo 2007-2099, en el escenario de emisión de gases efecto invernadero A2. Mediante el uso de modelos trigonométricos se estimaron los valores futuros de temperaturas máximas, mínimas, y oscilación térmica. Se realizó un ajuste del modelo Hargreaves, al modelo del tanque evaporímetro para la estimación de evapotranspiración. Para estimar las variables fenológicas, se consideraron los requerimientos térmicos promedio de algunas variedades comerciales y se utilizaron modelos Gompertz, para estimar días con temperatura fuera de los umbrales del cultivo de maíz. A finales del siglo XXI se tendrá un incremento de 6.5 °C en temperaturas máximas, 3.6 °C en temperaturas medias y de 0.09 °C en temperaturas mínimas, con respecto a los valores actuales. La oscilación térmica presentará un incremento en sus valores con una pendiente ligera, indicando que en el futuro se tendrán condiciones térmicas más extremosas que las actuales. La estación de crecimiento en el periodo húmedo experimentará un acortamiento y las unidades calor requeridas por el cultivo de maíz serán cubiertas más rápidamente, las temperaturas diurnas y nocturnas se verán incrementadas, que impactará los procesos de fotosíntesis y de respiración en dicha especie agrícola; se espera un incremento del número de días con temperaturas mayores al umbral de este cultivo, provocando que las plantas experimenten mayores lapsos de tiempo bajo estrés térmico; debido al acortamiento en la duración del ciclo de cultivo se tendrá una disminución en la demanda hídrica de las plantas.

Palabras clave: Zea Mays L., cambio climático, parámetros agroclimáticos, tecnología de producción.

The objectives of this study were to estimate future climatic scenarios for the Spring-Summer cycle in the Ciénega de Chapala region in Jalisco, Mexico; estimate the impact of the scenarios on agro-climatic and phenological parameters of the maize crop; and climatic scenarios on water requirements of maize in the studied area. Databases series were available of 1977-2006 series from the stations of the National Water Commission (CONAGUA) and the database of average temperature anomalies and, the precipitation for the period 2007-2099, in the A2 greenhouse gases emission scenario. Using trigonometric models, the future values of maximum and minimum temperatures and thermal oscillation were estimated. An adjustment of the Hargreaves model was performed to the pan evaporation model in order to estimate the evapotranspiration. For the estimation of the phenological variables, the average thermal requirements of some commercial varieties were considered and, Gompertz models were used to estimate the days with temperatures beyond the threshold of the maize crop. In the late XXI century there will be an increase of 6.5 °C of maximum temperatures, 3.6 °C of mean temperatures and, 0.09 °C of minimum temperatures, with respect to the current values. The thermal oscillation will have an increase in its values with a slight slope, indicating that, in the future there will be more extreme thermal conditions than today. The growing season in the wet period will experience a shortening and, the heat units required for the maize crop will be covered faster; day and nighttime temperatures will be increased as well, impacting the processes of photosynthesis and respiration in this species; an increase of the number of days with temperatures above the crop threshold is expected, causing the plants to experience greater periods of time under heat stress; due to the shortening of the crop cycle, the plants' water demand will also decrease.

Key words: Zea Mays L., agro-climatic parameters, climate change, production technology.

INTRODUCCIÓN

En el documento "México, cuarta comunicación nacional ante la convención marco de las naciones unidas sobre el cambio climático" (INE, 2009); se establece que en el país para el periodo 2010-203 0, la temperatura media anual puede variar de 0.5 ±0.5 °C a 1.3 ±0.8 °C, del 2040 a 2060 de 1.3 ±0.3 °C a 2.3 ±1 °C y de 2070 a 2090 de 2.5 ±0.3 °C a 3.5 ±1.3 °C y la precipitación anual podría disminuir 11%. El Plan Nacional de Desarrollo (PND) 2007-2012 (Calderón, 2007), indica en las estrategias 11.2 y 11.3, la necesidad de desarrollar escenarios climáticos a nivel regional, así como evaluar sus impactos en sistemas ecológicos, definiendo vulnerabilidad y medidas de adaptación adecuadas.

En el tercer informe de ejecución 2009 del PND 2007-2012 (Gobierno Federal, 2010), se informa sobre los inicios del estudio de "evaluación de la vulnerabilidad y propuestas de adaptación a nivel regional de algunos cultivos básicos y frutales ante escenarios de cambio climático", que ha obligado a instituciones responsables de investigación científica a desarrollar proyectos regionales, con la finalidad de cubrir los objetivos planteados al respecto en este plan. La mayoría de las iniciativas en México para hacer frente al cambio climático global, están relacionadas con el desarrollo de estrategias enfocadas a la selección de medidas de adaptación y mitigación de los efectos del cambio climático (INE, 2009).

Con base a lo anterior, aún queda mucho por investigar con relación al carácter regional y estacional del cambio climático en México, sobre todo para cuantificar los tipos y niveles de modificación climática, que han estado experimentando las diferentes regiones agropecuarias del país.

El maíz es una planta de tipo fotosintético C4, que se desarrolla en una amplia gama de condiciones ambientales. De la siembra a la madurez requiere de 500 a 800 mm de agua, dependiendo de la variedad y del clima. Son periodos críticos por necesidad de agua, la germinación, primeras tres semanas de desarrollo y el período comprendido entre 15 días antes hasta 3 0 días después de la floración. Se ha encontrado que si hay un estrés por falta de agua, el rendimiento final disminuye de 6 a 13% por día en el periodo alrededor de la floración y de 3 a 4% por día en los otros periodos.

La temperatura óptima para la germinación está entre 18 y 21 °C, no se presenta germinación por debajo de 10 °C. La temperatura umbral máxima se encuentra entre 27 y 30 °C. La temperatura media óptima se encuentra entre 18 y 24 °C (Ruiz et al., 1999). Algunos efectos del incremento de temperatura en el cultivo de maíz son mencionados por Ramos et al. (2009), quienes entre sus resultados consignan una disminución de la duración del aparato fotosintético, esto a causa de la inactivación de la Rubisco, enzima cuyo estado de activación empieza a decrecer a temperaturas arriba de 32.5 °C y casi se inactiva completamente a 45 °C (Crafts-Brandner y Salvucci, 2002); así como pérdida de viabilidad en polen y estigmas.

Los objetivos del presente trabajo fueron: a) estimar los escenarios climáticos futuros para el ciclo primavera-verano en la región de estudio; b) estimar el impacto de dichos escenarios sobre los parámetros agroclimáticos y fenológicos del cultivo de maíz: temperatura diurna, temperatura nocturna, número de días con temperatura mínima menor a 10 °C, número de días con temperatura máxima mayor a 35 °C, días siembra-floración y días floración-madurez fisiológica; y c) estimar el impacto de los escenarios climáticos sobre los requerimientos hídricos del cultivo de maíz.

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio

La Región Ciénega de Chapala, con una superficie de 4 825 km², se localiza en el centro-este del estado de Jalisco, México; entre los 20° 02' y 20° 41' de latitud norte, 101° 59' y 103 ° 32' de longitud oeste, alrededor del Lago de Chapala, el lago natural más grande de México. Esta región está formada por los municipios de Atotonilco el Alto, Ayotlán, Degollado, La Barca, Chapala, Jamay, Jocotepec, Ocotlán, Poncitlán, Tizapán el Alto, Tototlán, Tuxcueca y Zapotlán del Rey.

En esta región se presentan dos tipos climáticos y sus subtipos de acuerdo a la clasificación Köppen-García (García, 2004), que son el clima semicálido subhúmedo (A) Ca(w₁)w(e)g y el clima templado subhúmedo Ca(w₀)w(e) g, cubriendo una superficie 80% y 20% respectivamente. En la Región Ciénega se presentan los siguientes tipos de suelos de acuerdo con la clasificación de FAO: Luvisol férrico, Vertisol pélico, Vertisol crómico, Feozem háplico y Litosol (Ruiz et al., 2003). La actividad agrícola se realiza principalmente en tierras de temporal, en función de la disponibilidad de agua, tipo de suelo y pendiente topográfica menor a 8%; pero la agricultura de riego ocupa una superficie considerable en la región.

Información climatológica y modelación climática

Se dispuso de información climatológica de 10 estaciones climáticas de la Comisión Nacional del Agua (CNA) ubicadas dentro de la zona de estudio y las cuales abarcan información desde el año 1961. Se realizó un análisis climático y agroclimático retrospectivo para el período 1977-2006, para contar con un punto de comparación entre el presente y los escenarios futuros. Para la estimación de los escenarios climáticos futuros, se utilizó la base de datos de los valores de anomalías de temperatura media y precipitación acumulada mensuales, generada por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) (Magaña y Caetano, 2007), mediante un modelo ensamble y con base en el escenario de emisión de gases de efecto invernadero A2 (IPCC, 2007).

En la determinación de los escenarios climáticos futuros, se realizaron estimaciones de temperatura mínima y máxima mensuales mediante el modelo trigonométrico Bowerman et al. (2007), al que se le incluyó el parámetro de temperatura media mensual, que es considerado en la base de datos de anomalías del modelo ensamble utilizado. Se elaboraron los escenarios futuros mensuales de estos parámetros a nivel regional para algunos años seleccionados, así como la estimación de la oscilación térmica.

Para evaluar el impacto de cambios climáticos sobre el cultivo de maíz (Zea mays L.), se tomó información de variedades comerciales utilizadas en la zona, como son Pantera (ASGROW), DK-2002 (DEKALB), 3028W (PIONEER), Z-21 (HARTZ SEED), de las cuales se promediaron los parámetros días a floración y días a madurez fisiológica de datos obtenidos en trabajos experimentales (Solano, 2006), y se calcularon las unidades calor requeridas para estas etapas, mediante el método de grados-día de desarrollo efectivos UC_Base10, resultando valores de 812 y 1 582, respectivamente. Estas variedades producen en promedio 10 500 kg ha^-1 de grano.

Evaluación del impacto del cambio climático sobre el cultivo de maíz

Para estimar el impacto del cambio climático sobre el desarrollo del cultivo de maíz, se determinó el comportamiento de inicio, fin y duración de la estación de crecimiento (EC), considerando para ello el período húmedo y siguiendo la metodología descrita por Allen et al. (2006), considerando como inicio de la EC cuando la precipitación es mayor al 0.5 de la evapotranspiración potencial (ETP), y fin de la EC cuando la precipitación es menor al 0.33 de ETP, de acuerdo con lo indicado por FAO (1997).

Se determinaron las variables fenológicas número de días siembra-floración y el número de días floración-madurez fisiológica, simulando la siembra al inicio de la estación de crecimiento de acuerdo al comportamiento estimado en los escenarios climáticos obtenidos y considerando el requerimiento de 812 y 1 582 UC_Base10 para estas etapas feonológicas, así como las unidades calor efectivas en el ciclo primavera-verano.

Las variables agroclimáticas número de días con temperatura mínima menor a 10 °C y número de días con temperatura máxima mayor a 35 °C se determinaron mediante modelos Gompertz (Wheldon, 1988), ajustados previamente con valores observados obtenidos, sumando el número de días del ciclo agrícola en que se presentan estas condiciones; y las variables agroclimáticas de temperatura diurna media anual y temperatura nocturna media anual fueron obtenidas con el método descrito por Ruiz et al. (2002).

Para la tendencia de los requerimientos hídricos se consideró un ciclo de madurez de 148 días promedio, de acuerdo con las variedades que se siembran en la región. Se utilizó la metodología del balance hídrico simplificado descrita en Martelo (1997); Ereño (2009). Se tomaron como evapotranspiración de referencia (ETo) los valores de ETP calculados con el método Hargreaves (Allen et al., 2006) ajustados al método del tanque evaporímetro con un modelo de regresión. Como valores de evapotranspiración de cultivo (ETc) para maíz, se tomaron los factores de Kc de las cuatro etapas fisiológicas descritas por FAO (Brouwer y Heibloem, 1986).

Las etapas de maíz y sus coeficientes de cultivo son: etapa inicial (siembra hasta 10% de emergencia), 0.4; etapa de desarrollo (10% de emergencia hasta inicio de floración), 0.8; etapa intermedia (floración hasta formación del grano), 1.15; y, etapa final (formación de grano hasta madurez fisiológica), 0.7. El valor de capacidad de almacenamiento de humedad del suelo se obtuvo con las imágenes generadas en el sistema IDRISI (Eastman, 2006), a partir del diagnóstico del recurso suelo en la zona de estudio mediante un muestreo del suelo intensivo con el que se determinó capacidad de campo, punto de marchitez permanente, densidad aparente y una profundidad de 60 cm, como profundidad promedio para el desarrollo radical del maíz. Se realizaron las estimaciones futuras anualmente desde el año 2007 hasta 2099, presentándose como muestra sólo algunos años seleccionados.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La precipitación acumulada durante el ciclo primavera-verano, muestra tanto incrementos como decrementos, pero con una tendencia promedio a la disminución, llegando a fines del siglo a disminuir 10%, estos valores estimados por el modelo ensamble no consideran los efectos del fenómeno El Niño- Oscilación del Sur, ya que el clima tiene un carácter no-lineal, de acuerdo con Magaña y Caetano (2007); sin embargo, México es afectado de manera considerable por este evento según lo consignado por Magaña et al. (2004); Méndez et al. (2007), quienes indican que en años "Niño", los veranos se ven afectados disminuyendo su precipitación. Los escenarios muestran que la oscilación térmica se irá incrementando conforme avance el siglo XXI, lo que indica que en la Región Ciénega de Chapala el clima se volverá más extremoso.

En el Cuadro 1, se observan las estimaciones futuras de los parámetros agroclimáticos inicio y fin de la estación de crecimiento y los parámetros fenológicos duración de las etapas siembra-floración y floración-madurez fenológica. El inicio de EC no muestra grandes cambios en el transcurso del siglo, esto indica que la estación de crecimiento se seguirá presentando de manera muy similar a la actual, con un inicio alrededor del 13 de junio; en cambio, el fin de la EC se adelantaría hasta casi dos semanas a fines del siglo, esto significa que la EC puede experimentar un acortamiento.

Con relación a los parámetros fenológicos, duración de la etapa siembra-floración y floración-madurez fisiológica, éstos tienden a una reducción significativa. A fines del siglo XXI, la etapa S-F se acortará a 51 días, esto es 21 días de reducción; mientras que la etapa F-M se acortará a 5 3 días, una reducción de 24 días con respecto a la climatología actual 1977-2006. Sin embargo, se daría sólo en caso de seguir utilizando los mismos materiales genéticos y que su fisiología y su genética así lo permitieran.

Con respecto a las unidades calor efectivas para el ciclo primavera-verano, en la actualidad para este ciclo se acumulan 2110 UC_Base10, mientras que a fines del siglo la acumulación para el mismo ciclo será de 2776 UC_Base10, esto es, conforme avance el siglo XXI éstas se irán acumulando más rápidamente, lo que repercute en la duración de las etapas fenológicas como lo muestra la Figura 2. Se observa un acortamiento generalizado de 3 0% en la duración de cada una de las etapas, lo que en tiempo corresponde a reducciones de siete, trece, quince y diez días para las etapas: inicial, de desarrollo, intermedia y final, mencionadas por FAO para maíz (Brouwer y Heibloem, 1986).

El cultivo de maíz presenta como temperaturas óptimas de desarrollo entre 18 y 21 °C, no se presenta germinación por debajo de 10 °C y la temperatura umbral máxima se encuentra entre 27 y 30 °C, aunque la tasa fotosintética disminuye a temperaturas arriba de 32 °C y cesa a temperaturas mayores a 38 °C, siendo afectada la etapa floración-madurez del grano. Con estas consideraciones, las estimaciones del número de días con temperaturas menores a 10 °C y mayores a 35 °C para el periodo 2007-2099, se muestran en el Cuadro 2.

Se tiene en la actualidad un total de 61 días en el ciclo con temperaturas mínimas inferiores a 10 °C, y sólo 9 días con temperaturas máximas mayores a 35 °C, esto significa que las condiciones térmicas actuales están dentro del rango adecuado para el cultivo de maíz, de acuerdo a los requerimientos indicados por Ruiz et al. (1999). A medida que avanza el siglo XXI se espera un decremento considerable de los días con temperatura mínima inferior a 10 °C, debido al incremento estimado en temperaturas mínimas para la región de estudio.

En cuanto al número de días con temperatura máxima mayor a 35 °C, se observa que en las primeras décadas del siglo, se tendría una disminución que llega a ser hasta de cero días con estas condiciones térmicas, pero a partir de 2060 se observa que se presentaría un incremento, que a fines del siglo llegaría a ser de 18 días, en que el cultivo de maíz deberá soportar temperaturas máximas mayores a 35 °C, que aunado a la disminución de la precipitación, provocaría condiciones de estrés y problemas de llenado de grano (Ruiz et al., 1 999).

Las temperaturas diurnas y nocturnas mostrarán un incremento, en la cual es posible comparar las tendencias agroclimáticas en series de tiempo actual 1977-2006 con el periodo 2007-2099 (Figura 3). La temperatura nocturna tendrá un incrementos de 2.3 °C a fines del siglo, que repercutiría en la tasa de desarrollo y el número de granos por planta, de acuerdo con Andrade et al. (2000), quienes estimaron que los incrementos en las temperaturas nocturnas reducen el número de hileras de granos, debido a la reducción en la duración del período crítico, disminuyendo la intercepción de radiación y la cantidad de energía disponible. Asimismo, los incrementos en las temperaturas diurnas serán casi 5 °C, que propiciaría un acortamiento en la duración del ciclo, al acelerar la tasa de desarrollo del cultivo.

Los valores actuales de evapotranspiración de referencia del inicio de la EC, el 13 de junio y la duración de 148 días del ciclo del cultivo (días que dura en acumular los requerimientos térmicos), muestran que a la fecha en la región de estudio, el maíz requiere en promedio 512 mm de agua para cubrir sus necesidades (Cuadro 3). Conforme avance el siglo XXI, la evapotranspiración de referencia se irá incrementando, pero debido al acortamiento de la duración del ciclo de cultivo, sus requerimientos hídricos (estimados como evapotranspiración del cultivo), van disminuyendo, llegando a fines del siglo a ser de 397 mm. Esto indica que a pesar de los incrementos en la evapotranspiración, la rápida acumulación de unidades calor permitirá un desarrollo más rápido y por lo tanto menor requerimiento hídrico.

En la Figura 4 se observa que en la actualidad se requieren 74, 160, 179 y 99 mm de agua para la etapa inicial de desarrollo, intermedia y final, respectivamente; mientras que a finales del siglo XXI los requerimientos hídricos serían de 51, 120, 145 y 81 mm para cada etapa respectivamente, que se traduce en una reducción del 31, 25, 19 y 18% con respecto a los requerimientos hídricos actuales; una reducción promedio de 22% en todo el ciclo del cultivo con respecto a los requerimientos hídricos actuales. Estos resultados son similares a los obtenidos por Ojeda et al. (2011), quienes estimaron que el incremento de temperaturas provocará un acortamiento en las etapas fenológicas del maíz, lo que anula el efecto de los incrementos de ETc disminuyendo los requerimientos hídricos en 16%, para el ciclo otoño-invierno previsto para el periodo 2071-2098 en un distrito de riego de Sinaloa, México.

En relación al rendimiento, estas condiciones no aseguran que se logre alcanzar un rendimiento adecuado ya que de acuerdo con lo indicado por López et al. (2004), la reducción de las etapas fenológicas intermedia y final del maíz afectará de manera directa el llenado del grano, al verse afectada la cantidad de radiación recibida por las plantas. Asimismo, un rápido desarrollo vegetativo incrementará la necesidad de nutrimentos, de acuerdo con lo mencionado por varios investigadores citados por López et al. (2004), lo que conlleva a un incremento y mantenimiento de un alto nivel de fertilidad de los suelos.

CONCLUSIONES

Los escenarios futuros de la climatología en el ciclo primavera-verano de la Región Ciénega de Chapala, muestran tendencias al incremento en las variables térmicas, principalmente temperatura máxima, y un ligero decremento en la precipitación. La estimación de los valores futuros de precipitación no contempla los eventos extremos. La oscilación térmica presentará un incremento en sus valores con una pendiente ligera, lo que indica que en el futuro se tendrán condiciones térmicas más extremosas que las actuales.

La estación de crecimiento en el periodo húmedo, experimentará un acortamiento y las unidades calor efectivas del maíz serán cubiertas más rápidamente, provocando la reducción de las etapas fenológicas del cultivo; las temperaturas diurnas y nocturnas se verán incrementadas como respuesta al aumento de temperaturas medias, que impactará los procesos de fotosíntesis y de respiración en dicha especie agrícola; se espera un incremento en días con temperaturas mayores a la temperatura umbral máxima de este cultivo, provocando que las plantas tengan mayores lapsos de tiempo bajo estrés térmico.

Al presentarse acortamientos en las etapas fenológicas del cultivo, se tendrá una disminución en la demanda hídrica de las plantas, reducción en el período de captación de radiación solar e incremento en los requerimientos nutricionales, por lo que su desarrollo estará restringido a las características del germoplasma.

AGRADECIMIENTOS

Al Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), al Instituto Nacional de Ecología (INE), y la Universidad de Guadalajara (U de G), por el apoyo financiero y las facilidades brindadas en la realización de esta investigación, dentro del marco de los proyectos "evaluación de la vulnerabilidad y propuesta de medidas de adaptación a nivel regional de algunos cultivos básicos y frutales ante escenarios de cambio climático", "modelo para el desarrollo agroecológico integral en los municipios de La Barca, Jamay, Ocotlán y Poncitlán", y "Proyecto PRECI 1527703M: cambio climático y su impacto sobre el potencial productivo agrícola, forrajero y forestal en México".

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