Material genético y área de estudio

Se seleccionó la variedad de trigo harinero Triticum aestivum de gluten fuerte Alondra F2014, liberada en 2016 por el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP). Alondra es un genotipo de alto rendimiento, y elevado nivel de resistencia a roya lineal amarilla, roya de la hoja y de alta calidad industrial (^{Solís-Moya y col., 2016}).

En cada ciclo agrícola otoño-invierno de los años 2022 y 2023 se estableció un lote experimental de trigo harinero en el Campo Experimental Bajío del INIFAP ubicado en Roque, municipio de Celaya, Guanajuato, México. Las parcelas se establecieron en suelo tipo vertisol, representativo del Bajío (que abarca los estados de Guanajuato, Quéretaro, Aguascalientes y San Luis Potosí), con coordenadas 20°34’59’’ N y 100°49’30’’ W y altitud de 1 767 msnm. En esta localidad el clima es cálido y templado, con temperatura promedio de 18.3 °C. En comparación con el invierno, los veranos tienen mucha más lluvia, con precipitaciones de 689 mm. La clasificación climática de Köppen-Geiger modificado por ^{García (2004)} identifica este patrón de clima como perteneciente a la categoría Cwa.

Diseño experimental

Durante dos años consecutivos se evaluaron 6 tratamientos de fertilización: 0 kg/ha, 60 kg/ha, 120 kg/ha, 180 kg/ha, 240 kg/ha y 300 kg/ha de N, aplicados al momento de la siembra, bajo un diseño experimental de bloques completos al azar con tres repeticiones. Estas dosis son iguales a las empleadas por ^{Paredes-Melesio y col. (2014)} en sus trabajos de calibración del sensor infrarrojo GreenSeeker^™, USA e incluyen las cantidades típicas aplicadas por el productor. Cada unidad experimental fue de 3 camas de 1.5 m de ancho y 5 m de largo, sembradas con 4 hilos de cultivo.

Manejo agronómico

El manejo agronómico fue el óptimo recomendado para el Bajío (^{Solís-Moya y col., 2013}), excepto por las dosis variables de nitrógeno. Con el fin de reducir la interferencia por deficiencia de nutrientes diferentes al nitrógeno en todas las unidades experimentales se aplicaron los siguientes nutrientes: P (60 kg/ha), K (30 kg/ha), Zn (1.50 kg/ha), Fe (0.50 kg/ha), Mn (0.10 kg/ha), Cu (0.10 kg/ha), B (0.15 kg/ha) y Mo (0.02 kg/ha). Las fuentes de fertilización fueron fosfato diamónico, cloruro de potasio, sulfato de zinc, sulfato de fierro y Micromix concentrado®. Los experimentos se establecieron el 23 de diciembre de 2021 y 10 de enero de 2023, correspondientes a los ciclos agrícolas (OI 2021-2022 y OI 2022-2023. La cantidad de semilla sembrada fue de 120 kg/ha. Los riegos se suministraron a través del sistema de compuertas a los 0 d, 45 d, 75 d y 100 d después de la siembra (dds).

Captura de imágenes y estimación de Índices de Vegetación

Cada 7 d, durante 13 semanas en cada ciclo e iniciando a los 20 dds y hasta el inicio de la etapa de madurez fisiológica, se capturaron fotografías de luz visible con un VANT de la marca DJI® modelo Phantom 3 PRO® (Shenzhen, China), equipado con una cámara RGB 4K de 1/2.3” CMOS, con resolución de 12.4 megapixeles.

Para determinar el efecto de la altura a la cual se toman las fotografías sobre la estimación de los VIV se consideraron dos altitudes de vuelo: 15 m y 50 m sobre el nivel del suelo, lo que produjo una Distancia de Muestreo del Suelo (GSD, por sus siglas en inglés: Ground Sample Distance) de 0.65 cm y 2.15 cm.

Las misiones de vuelo se programaron mediante la aplicación para Android DJI Pilot^© 2020, versión 1.8.1. con los siguientes parámetros: velocidad de despegue 5 m/s, velocidad de vuelo 1 m/s (para vuelos a 15 m) y 3 m/s (para vuelos a 50 m) e intervalo entre fotografías de 2 s. De esta manera, se obtuvieron en promedio 120 fotografías en los vuelos a 15 m, y 50 en los vuelos a 50 m. Todos los vuelos se hicieron a las 12:00 horas para evitar el exceso de sombras.

Con el total de fotografías obtenidas en cada vuelo se procedió a la construcción de ortofotos mediante el programa WebODM^©, versión 2.5.5, las cuales se utilizaron posteriormente para calcular los VIV en cada unidad experimental, con base en los valores de reflectancia de los colores rojo, verde y azul. Las ortofotos se prepararon en el programa fotográfico de código abierto Programa de Manipulación de Imágenes GNU^© (GIMP, por sus siglas en inglés: Image Manipulation Program), versión 2.10.38 y las reflectancias se calcularon a través del script RGB measure del programa de edición de imágenes científicas ImageJ^©, versión 1.54 (^{Schneider y col., 2012}).

Los VIV estimados fueron: GLI (^{Louhaichi y col., 2001}), TGI (^{de-Ocampo y col., 2019}), VARI (^{Gitelson y col., 2002}), RGBVI (^{Bendig y col., 2013}) e Índice de Vegetación Verde Rojo (GRVI, por sus siglas en inglés: Green Red Vegetation Indices) (^{Tucker, 1979}). Para validar la efectividad de los VIV se registraron los valores NDVI (^{Rouse y col., 1973}) del dosel vegetal de cada unidad experimental con un sensor óptico (GreenSeeker^™ Handheld Crop Sensor, modelo HCS-100 Trimble Navigation Limited, Sunnyvale, California, USA), en las mismas fechas y en los mismos horarios en que se tomaron las imágenes de la cámara RGB del VANT. El NDVI se midió entre 60 cm y 90 cm sobre el dosel vegetal del trigo con un diámetro mayor de lectura de 50 cm, lo que define un ángulo de medición de 45°. En el caso de las ortofotos, se consideró como parcela útil la totalidad de la superficie de la unidad experimental, mientras que para la toma de los datos NDVI se consideraron los 4 m centrales de las 3 camas, donde cada cama fue una repetición.

Análisis estadístico

Con los valores calculados para cada VIV se construyeron gráficas para observar su comportamiento a lo largo del ciclo del cultivo y compararlos con el del NDVI, así se identificó la mejor etapa del cultivo para determinar la dosis de fertilización nitrogenada, de acuerdo con los criterios establecidos por ^{Mandujano-Bueno y col. (2023)}. Para identificar el VIV que mejor se correlacionó con el rendimiento se tomaron como base sus valores promedio en cada tratamiento para aplicar análisis de correlación de Pearson, además se determinaron coeficientes de determinación (R²) a través de análisis de regresión empleando el valor promedio de cada VIV como variable independiente y rendimiento de grano como variable dependiente.

Adicionalmente, se realizaron análisis de correlación de Pearson, así como regresión lineal simple, empleando el NDVI como variable independiente y cada uno de los VIV como variable dependiente para evaluar el nivel de ajuste entre dichos índices y determinar si alguno de ellos podría reemplazar al NDVI en la predicción de dosis de fertilización nitrogenada.

Al finalizar el ciclo de cultivo se cosechó cada unidad experimental, el grano se pesó y se determinó el porcentaje de humedad para ajustarlo al 13 %; con estos datos se calculó el rendimiento de grano en kg/ha. Para estudiar el rendimiento total en los diferentes tratamientos y años se realizó un análisis de varianza combinado y comparación de medias de Tukey empleando el software estadístico Sistema de Análisis Estadísticos versión 9.3 (SAS, por sus siglas en inglés: Statistical Analysis System).

Rendimiento de grano en función de la cantidad de nitrógeno aplicado

El análisis de varianza del rendimiento de grano presentó diferencias altamente significativas, tanto para años como para tratamientos (Tabla 1). Aunque las diferencias entre años (ciclos OI 2021-2022 y OI 2022-2023) fueron grandes (9.3 T/ha vs 4.8 T/ha), la tendencia de la respuesta entre tratamientos fue similar. En ambos años hubo una tendencia a incrementar pronunciadamente el rendimiento en los tratamientos de 0 kg/ha hasta 120 kg/ha de N y a partir de 180 kg/ha el incremento fue marginal (Tabla 2).

La comparación de medias entre años indicó que 2022 fue el año más productivo, con una diferencia cercana al 100 % (Tabla 2). La diferencia entre años se atribuye a la variación en condiciones ambientales, principalmente del suelo y fecha de siembra.

El suelo donde se sembró en 2022 fue de tipo vertisol de textura arcillosa, pH de 7.4 y 2.1 de materia orgánica, mientas que el de 2023 fue franco arcilloso del tipo vertisol, pH ligeramente alcalino de 7.8, con 1.41 % de materia orgánica. El contenido de nutrientes minerales se muestra en la Tabla 3.

En términos generales, el suelo en 2022 fue más fértil y con más materia orgánica que en 2023, lo que podría explicar en parte las diferencias en rendimiento observadas entre los 2 años. Por otra parte, las fechas de siembra fueron diferentes por 18 d, la del ciclo OI 2022-2023 fue la más tardía, lo que pudo implicar que el cultivo de este ciclo se viera expuesto a temperaturas más altas durante las etapas de espigamiento y llenado de grano con respecto al ciclo OI 2021-2022, induciendo a un menor rendimiento en este ciclo.

En la expresión del rendimiento, inducida por la cantidad de nitrógeno, la prueba de comparación de medias (P ≤ 0.05, Tabla 2) demostró que los mayores rendimientos se encontraron a partir de 120 kg/ha, sin embargo, dosis superiores no resultaron en rendimientos estadísticamente más altos. Dichos resultados son similares a los reportados por ^{Walsh y col. (2020)}, quienes demostraron que conforme se incrementa la disponibilidad de agua y de nitrógeno, el rendimiento de trigo se incrementa. En su estudio, encontraron que 150 kg/ha de N (incluyendo el nitrógeno residual en suelo más el fertilizante agregado) fue suficiente para optimizar el rendimiento y el contenido de proteína del grano. Los resultados evidencian la importancia de evitar aplicaciones en exceso de N; el aplicar la dosis adecuada maximiza el rendimiento y además ayuda a reducir la contaminación ambiental y mejorar la rentabilidad del cultivo. Aunque la relación dosis de nitrógeno-rendimiento en trigo se ha estudiado desde al menos 7 décadas bajo la consideración de la ley de rendimientos decrecientes (donde se analizan dosis de fertilización óptima sin variar otros factores), es importante determinar estas dosis con cada nueva variedad, dependiendo del tipo de suelo o la región agroclimática donde se cultiva (^{Burton y col., 2024}; ^{Hnizil y col., 2024}); por lo que esta debe ser una acción rutinaria de los programas de mejoramiento de trigo con el fin de generar paquetes tecnológicos adecuados.

Correlación de VIV, NDVI y rendimiento de grano

En la Tabla 4 se muestran los valores promedio de los coeficientes de correlación de Pearson entre todas las variables para los dos ciclos, es decir, la asociación existente entre los VIV, el NDVI y el rendimiento de grano por cada ciclo de cultivo.

La correlación del NDVI con el rendimiento fue alta (0.924). Actualmente, este indicador es considerado como valor de referencia para estimar rendimientos de cosecha. Los resultados obtenidos concuerdan con Walsh y col. (2022) para betabel, ^{Kaya y col. (2023)} para trigo y ^{Tamás y col. (2023)} en maíz, entre otros. A su vez, es posible apreciar que los diferentes índices de VIV tuvieron un valor de correlación ≥ 0.943 con el indicador NDVI y un valor ≥ 0.905 con el rendimiento, lo que indica que, los VIV determinados a través de imágenes aéreas pueden usarse como alternativa o complemento al NDVI estimado a nivel de suelo con el Greenseeker^™.

Predicción de rendimiento y dosis de fertilizante nitrogenado

Los valores de VIV obtenidos con vuelos del VANT a 50 m de altura se correlacionaron mejor con el NDVI que los obtenidos a 15 m, debido probablemente a la diferencia de luminosidad captada a diferentes alturas, como el ejemplo de la Figura 1, que es una ortofoto representativa de cada altura de vuelo, con diseños de parcelas similares en los 2 ciclos (OI 2021-2022 y OI 2022-2023). Los valores globales de VIV reportados a 50 m de altura permitieron que el coeficiente de determinación que ajusta su modelo fuera mayor; por ejemplo, entre NDVI y TGI a 50 m fue de 0.860, mientras que a 15 m fue de 0.798 (datos no mostrados). Por esta razón, todos los análisis y comparaciones, que se muestran a continuación, se realizaron considerando los VIV obtenidos con vuelos a 50 m, donde los valores de los coeficientes de determinación con el rendimiento fueron superiores a 0.86.

Los valores más altos en los VIV (Figura 2) se registraron en la etapa de encañe inicial, que corresponde a la etapa 6 de Feekes (^{Large y col., 1954}) y a la etapa 3.1 de ^{Zadoks y col. (1974)}, mientras que los menores fueron en la etapa de madurez fisiológica (Feekes 11, Zadoks 9). Esta tendencia es similar a la que registraron los valores NDVI (Figura 2F), lo que demuestra la posibilidad de utilizar los VIV generados con el VANT de la forma en que se ha utilizado el NDVI para estimar el rendimientode grano y para calcular dosis de fertilización nitrogenada en la etapa de encañe inicial, tal como lo proponen ^{Mandujano-Bueno y col. (2023)}.

Figura 1 Imágenes ortorrectificadas representativas del experimento OI 2021-2022. A) Vuelo del VANT a 15 m de altura. A) Vuelo del VANT a 50 m. Cada tratamiento incluye tres camas. Los números en el centro de la cama indican el tratamiento en kg/ha de nitrógeno, las repeticiones se aleatorizaron en cada bloque. Alrededor de la parcela experimental se encuentran bordos de la misma variedad. 

^{Aula y col. (2020)}, en una amplia revisión de 26 artículos que incluían el uso de sensores remotos y su relación con dosis de nitrógeno y rendimiento de grano, concluyeron que, en condiciones de rendimiento similar, el empleo de índices de vegetación permitió el ahorro de hasta 69 kg/ha de N comparado con los métodos convencionales. ^{Walsh y col. (2020)} encontraron que el NDVI explicó el 84 % de la variación en el rendimiento de trigo. ^{Aula y col. (2021)} reportaron un coeficiente de determinación (R²) de 0.79; por lo tanto, es posible el empleo indistinto del NDVI o los VIV, principalmente VARI.

En experimentos previos, los autores de este trabajo demostraron que el GLI se correlaciona en más de 80 % con el rendimiento de 13 variedades de trigo (^{Montero y col., 2021}). Por otra parte, el análisis de correlación complementado con el de regresión entre el NDVI y los VIV dio como resultado un coeficiente de determinación R² de 0.89 entre NDVI y los VIV, GLI, RGVBI y GRVI, es decir, que 89 % de la variación observada en el NDVI puede explicarse por los resultados obtenidos con estos VIV. Los coeficientes de correlación de todos los índices entre sí y con el rendimiento tienen valores altos ≥ 0.90 (Tabla 4). Esto significa que los VIV pueden emplearse indistintamente entre sí y en lugar del NDVI. Al respecto, los coeficientes de determinación promedio, obtenidos de los dos ciclos en la etapa de encañe inicial, entre NDVI y los diferentes VIV, presentaron los siguientes valores: 0.898 con GLI, 0.882 con RGBVI, 0.809 5 con GRVI, 0.914 5 con VARI y 0.856 con TGI. Esto significa que los VIV explicaron desde 80 % (GRVI) hasta 91 % (VARI) de la varianza observada en el NDVI en esta etapa fenológica. También los coeficientes de determinación (R²) para los modelos que relacionaron los índices GLI (0.887 6), GRVI (0.888 8) y VARI (0.930 9) con el rendimiento, calculados en la etapa de encañe inicial, fueron altos y cercanos al coeficiente de determinación entre NDVI y rendimiento global reportado (0.965 6) (Figura 3). Los coeficientes de determinación calculados empleando los promedios de todo el ciclo de cultivo, resultaron no menores a 0.94 en todos los casos. Esto confirma la utilidad de estos VIV para estimar el rendimiento de grano y eventualmente sustituir el uso actual del NDVI.

Figura 2 Comportamiento promedio de los índices de vegetación a través de las etapas fenológicas comprendidas en el estudio en los diferentes tratamientos. Se resalta el valor del encañe inicial. 3HTP = tres hojas en tallo principal, MI = amacollamiento inicial, MII = amacollamiento intermedio, MIII = amacollamiento final, EI = encañe inicial, EII = encañe intermedio, EIII = encañe final, Es = espigamiento, AI = inicio de antesis, AII = antesis, L = grano lechoso, L-M = grano lechoso masoso, M = grano masoso, MFI = madurez fisiológica, MFII = madurez mecánica. 

Figura 3 Gráficas de regresión entre los índices de vegetación calculados a partir de las imágenes del VANT en la etapa de encañe inicial y el rendimiento de grano de trigo fertilizado con dosis crecientes de N de 0 a 300 kg/ha.