Productividad del agua en maíz, soya y sorgo en suelo Ferralítico Rojo del sur de La Habana

Water productivity of corn, soybean and sorghum in Red Ferralitic soils of the south of Havana

MSc. Inv.Felicita González Robaina¹ ,E-mail: felicita@iird.cu ,Dr.C. Inv. Tit.Julián Herrera Puebla¹ y Dr.C. Inv. Tit.Teresa López Seijas¹

1 Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje (IIRD), Apdo. Postal 6090, La Habana , Cuba.

RESUMEN

El estudio de las funciones agua rendimiento y su uso dentro de la planificación del agua es una vía estratégica importante para lograr el incremento de la productividad. Utilizando datos de 25 experimentos realizados en la Estación Experimental del Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje (IIRD) y con ayuda de herramientas de análisis de regresión en este trabajo se calcula l a productividad del agua aplicada por riego (WP_I) y agua total (WP_T) y el factor de respuesta del rendimiento (Kr) en los cultivos maíz, soya y sorgo para las condiciones de la región occidental de Cuba. En el maíz la WP_I fue superior al resto de los cultivos, de 16,43 kg/m³ para un agua aplicada de 266,8 m³, para la soya fue de 2,96 kg/m³ con 600 m³ y el sorgo 4,23 kg/m³ con 800 m³. El intervalo para la productividad del agua total WP_T del maíz varió entre 0,86 y 2,9 kg/m³, para la soya entre 0,28 y 0,81 kg/m³, mientras que para el sorgo entre 0,49 y 0,96 kg/m³. La pendiente Kr en la función de producción encontrada para el maíz en el invierno fue de 1,67 y en verano de 2,31, mientras que los valores de Kr calculados para el sorgo en las dos épocas estudiadas se ubicaron en el grupo I. El maíz fue el único cultivo que en las dos épocas la pérdida relativa de rendimiento resultó más que proporcional al déficit hídrico. Para u n déficit hídrico planificado de un 20% en el maíz en invierno se puede esperar una pérdida relativa de rendimiento de un 33,4%, mientras que en verano será de 46,2%.

ABSTRACT

The study of the crop water production function is an important strategy to increase the water productivity. Using a data base of 25 experiments carried out at the Irrigation and Draining Research Station located in Alquizar at south of Havana Province (red ferralitic soils), and with the help of regression tools, it was estimated the crop water productivity (WP) (based on irrigation water applied and total water) and crop yield response factor (Kr) for corn, soybean and sorghum. The corn, soybean and sorghum WP_I was 16,43; 2,96 y 4,23 kg/m³ when were applied 266,8; 600 y 800 m³/ha irrigation water, respectively. The range 0,86 to 2,9 kg/m³ of WP_T obtained for maize, was in a wider range than the range reported by FAO for this crop. The soybean WP_T varied between 0,28 and 0,81 kg/m³, while sorghum varied between 0,49 and 0,96 kg/m³. Every cubic meter of total water used in maize yield 1,93 kg, while in soybean and sorghum it was 0,49 y 0,68 kg/m³ respectively. The slope (Kr) of the maize water productivity function was 1,67 in winter and 2,31 in summer. Soybean and sorghum showed similar response to water deficit in winter. Maize was the only crop where the relative loss of yield was proportional to deficit irrigation. For a planned irrigation deficit of 20% for maize it will expect a relative loss of 33,4% and 46,2% of yield, in winter and summer respectively.

Keywords: crop yield response factor, deficit irrigation, Zea may, Glycine max, Sorghum vulgare.

INTRODUCCIÓN

Para casi todas las regiones del mundo, aumentar la productividad del agua usada en la agricultura, en vez de adjudicar más agua, constituye el mayor potencial para mejorar la seguridad alimenticia y reducir la pobreza al costo ambiental más bajo. (Rijsberman et al., 2006).

El alto grado con el que el agua condiciona la producción agrícola, así como su capacidad para alimentar a sus poblaciones, lleva a la necesidad de estudiar el problema de la productividad del agua. Debido a que la agricultura por irrigación consume en la actualidad la mayor parte del suministro de agua de buena calidad (en una cantidad estimada entre el 60 y el 80 por ciento), la búsqueda de nuevas formas de producir más alimentos con menos cantidad de agua ofrece una respuesta al problema de la escasez del agua (IWMI, 2009).

En los sistemas agrícolas la productividad del agua (WP) se define como la cosecha física o económica por unidad de agua consumida por el cultivo (en kg/m 3 o $/m 3 ). El numerador puede ser expresado en términos de rendimiento del cultivo (kg/ha) o en términos monetarios ($/ha) , mientras que en el denominador puede usarse la transpiración, la evapotranspiración, el agua aplicada por riego o agua total (riego más lluvia), entre otros
(Molden, 1997).

Dooroembos y Kassam (1979) calcularon este factor para casi todos los cultivos agrícolas y mas recientemente Kipkorir et al. (2002), Molden et al (2003) y Dehghanisanij et al. (2009), sin embargo los valores de Kr fueron obtenidos de la evaluación de numerosos experimentos en Europa, USA y el medio Oriente y no incluyen resultados más cercanos a nuestra área geográfica.

Por estas razones el objetivo de este trabajo es obtener, utilizando datos de diferentes experimentos realizados en la Estación Experimental del Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje (IIRD) la productividad del agua (WP) y el factor de respuesta del rendimiento (Kr) en los cultivos maíz, soya y sorgo para las condiciones de la región occidental de Cuba.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se utilizó una base de datos de 25 experimentos que comprenden diferentes tratamientos de riego realizados en la Estación Experimental del Instituto de Investigaciones de Riego y Drenaje (IIRD), localizada en el sur de La Habana (22°47' N, 82° 36' W) con una altura sobre el nivel del mar de 6 m . El suelo de la estación es Ferralítico Rojo compactado (Instituto de Suelos, 1996).

Desde el punto de vista hidropedológico este suelo presenta un comportamiento bastante similar en todo el perfil como resultado de la homogeneidad en la calidad y cantidad de la arcilla predominante, así como en la estabilidad de sus agregados (Cid, 1995) (Tabla 1).

TABLA 1. Análisis granulométrico, capacidad de campo (Cc), densidad real (Dr), densidad aparente (Da) para la Cc y porosidad total (Pt) en el perfil del suelo Ferralítico Rojo compactado

El clima de la zona (Chaterlán et al., 2007) está influenciado principalmente por las lluvias y su régimen de distribución dentro del año; con un valor de lluvia media anual de 1432 mm, de los cuales el 78% (1116,7 mm) corresponden al período lluvioso (mayo-octubre) y los 315,3 mm restantes al período seco (noviembre-abril).

Otros factores como la temperatura y sus variaciones no ejercen mayor influencia en la caracterización climática del territorio en estudio ya que éstas no presentan grandes diferencias durante el año. La curva de la evapotranspiración potencial mantiene una tendencia similar a la evaporación. En los meses de seca es relativamente baja pero aumenta rápidamente en el inicio de la época de lluvia. El promedio anual es de 1682,7 mm y los máximos y mínimos corresponden a los meses de Abril y Mayo (175,2 y 181,0 mm) y Diciembre y Enero (93,9 y 98,0 mm) respectivamente.

Una descripción detallada de los procedimientos experimentales utilizados para la estimación de los consumos de agua en los diferentes tratamientos de riego aparece en los trabajos publicados por los autores de los cuales se utilizaron los datos (Tabla 2 y Tzenova, 1976).

TABLA 2. Resumen de la información de los experimentos de campos utilizados

Productividad del agua

La productividad del agua en los cultivos (WP) se define como la cosecha producida por unidad de agua consumida en la producción (t/m³ o kg/m³). El numerador puede ser expresado en términos de rendimiento del cultivo, mientras que en el denominador puede usarse la transpiración, la evapotranspiración, el agua aplicada o agua total entre otros (Stewart et al., 1977; Molden, 1997; Dehghanisanij et. al, 2009) .

En este trabajo se utilizaron las siguientes definiciones de WP:

Donde: WP_I la productividad del agua aplicada por riego (I) y WP_T es la productividad del agua total (agua aplicada más precipitaciones).

Con el objetivo de eliminar los valores extremos, los rangos de productividad fueron determinados para el 5 y el 95% de la distribución de frecuencias de los datos experimentales.

Función de producción agua rendimiento (CWPF)

Para cuantificar el efecto del estrés hídrico utilizamos la relación lineal entre la disminución relativa del rendimiento y el déficit relativo de evapotranspiración, a través de un factor empírico denominado factor de respuesta del rendimiento (Kr):

Donde:

Rr-Rendimiento real;

Rm-Rendimiento máximo;

Kr-Factor de respuesta del rendimiento;

ETr-Evapotranspiración real;

ETm-Evapotranspiración máxima.

Un factor de respuesta Kr superior a uno indica que será proporcionalmente mayor la pérdida relativa de rendimiento que el decrecimiento relativo en evapotranspiración. Se puede tomar como un indicador de en cuanto el cultivo es tolerante al estrés hídrico (Kirda, 1999).

Doorenbos y Kassam (1979) ubican a los diferentes cultivos en cuatro grupos en dependencia del valor del factor de respuesta del rendimiento (Kr): Grupo I: Kr=0,7-0,8; Grupo II: Kr=0,85-0,95; Grupo III: Kr=1,05-1,15; Grupo IV: Kr=1,2.

La magnitud del déficit hídrico en este trabajo se refiere al déficit en relación con las necesidades de agua del cultivo durante todo su ciclo vital.

Los máximos rendimientos obtenidos con el mejor tratamiento de riego (limite productivo al 85% de la humedad correspondiente a la capacidad de campo) fueron 8,3, 2,1 y 4,64 t/ha en la época de seca; mientras que en la época de lluvia fue de 6,22, 3,3 y 4,95 t/ha en maíz, soya y sorgo respectivamente (Tabla 3). En todos los cultivos y épocas la Et fue mayor que el agua aplicada como riego, y el aporte de la lluvia al consumo fue como promedio 25% en el período seco y 53% en el período lluvioso, lo que enfatiza el papel suplementario del riego en las condiciones subtropicales de la zona occidental de Cuba. Por otra parte los menores valores de rendimiento coinciden con los tratamientos de secano en todos los cultivos analizados.

Para la época de invierno el consumo de agua (Tabla 3) fue mayor en el maíz, después el sorgo y la soya, siguiendo la misma tendencia que la producción de granos, mientras que en el verano el consumo de agua fue mayor para el sorgo seguido de maíz y soya. La duración del ciclo del cultivo fue inferior en el verano en todos los cultivos donde las temperaturas promedios son superiores.

TABLA 3. Rendimientos máximos, valores de evapotranspiración total, agua aplicada, lluvias, numero de riegos y duración del ciclo en las dos épocas de siembra para maíz, soya y sorgo

Para el maíz los rendimiento estuvieron entre 1,98 y 8,3 t/ha a los que le correspondieron valores de 300 y 3100 de agua aplicada. Otros autores reportan en el cultivo del maíz rendimientos superiores entre 5 y 14 t/ha con valores de agua aplicada entre 5500 y 12000 m³/ha para zonas áridas, donde las precipitaciones son muy escasas y el riego suple todas la necesidades del cultivo, además de las diferentes condiciones climáticas (Dehghanisanij et.al., 2009) .

Las correlaciones encontradas entre el rendimiento y el agua aplicada para todos los cultivos fueron positivas y con valores de R² aceptables, por lo que solamente se puede asumir que el rendimiento de estos cultivos se incrementa con el aumento del agua aplicada (Figura 1). Los valores del coeficiente de determinación (R²) para estas relaciones fue alto en el sorgo (R²=0,73) y menor en la soya (R²=0,51) y el maíz (R²=0,45). Otros autores proponen una relación sigmoidal entre el rendimiento y el agua aplicada mediante el riego (Botzan,1970; Musick y Dusek, 1971; Martin et al., 1984, Santa Olalla y Valero, 1993); lo que para este estudio fue imposible determinar porque los rangos de agua aplicada no llegaron a ser aportes moderados ni excesivos, esto imposibilita determinar el límite técnico, incluso el limite económico, necesarios para obtener la curva completa.

FIGURA 1. Relación entre el rendimiento (R) y el agua aplicada por riego (I): A: maíz, B: soya, C: sorgo.

En estudios previos relacionados con este trabajo se analizó la relación entre el rendimiento y la ET en estos cultivos y se obtuvieron valores altos del coeficiente de determinación, en el maíz R²=0,96, para la soya R²=0,91 y en el sorgo R²=0,81, y sí quedó demostrado la linealidad de esta relación (González et al., 2009).

Productividad del agua (WP)

Al realizar un análisis de la distribución de frecuencias de los valores de WP_I a partir de los datos experimentales se encontró que los rangos variaron entre 2,09 y 11,2 kg/m³ para el maíz, entre 0,96 y 9,62 kg/m³ para la soya y entre 1,9 y 3,91 kg/m³ para el sorgo (Tabla 4). La mayor frecuencia de valores de WP_I se encontró en el rango de 1,0 hasta 3,0 kg/m³ para los tres cultivos. Los coeficientes de variación son elevados en todos los casos, mostrando la alta variabilidad de la WP_I.

Lo cual también fue comprobado por Howell et al. (1997) y Zwart (2004) en experimentos con diferentes niveles de riego donde quedó demostrado que el riego deficitario usualmente tienen valores más altos de WP_I que los tratamientos bajo riego durante todo el período vegetativo del cultivo.

TABLA 4. Rango de valores y estadígrafos de la productividad del agua aplicada por riego obtenidos para este estudio y valores reportados por FAO 33 para maíz, soya y sorgo

En el maíz la productividad fue superior al resto de los cultivos. La WP_I del maíz fue de 16,43 kg/m³ para un agua aplicada de 266,8 m³, para la soya fue de 2,96 kg/m³ con 600 m³ y el sorgo 4,23 kg/m³ con 800 m³. Estos valores de WP_I pueden considerarse como niveles óptimos para la producción de estos cultivos en la época de invierno (Figura 2).

Estos altos resultados de productividad no son un buen indicador de eficiencia del uso del agua para las condiciones de la zona de estudio, donde se reportan porcentajes de lluvia aprovechable de hasta el 41% y donde la lluvia suple una parte importante de las necesidades de los cultivos agrícolas.

FIGURA 2. Relación entre la productividad del agua (WP_I ) y la cantidad de agua aplicada por riego (I) para maíz, soya y sorgo en la época de invierno.

Sin embargo, si para el calculo de la productividad se utiliza el agua total (agua aplicada por riego más precipitación, WP_T ) en lugar de agua aplicada solamente (Tabla 5), los rangos son más cercanos a los valores reportados por Doorenbos y Kassam (1979) y permitirán un análisis mas objetivo de la eficiencia del uso del agua por el cultivo.

TABLA 5. Rango de valores y estadígrafos de la productividad del agua total (WP_T) y valores reportados por FAO 33 para el maíz

Otros autores reportan para USA, China, y algunos países de Europa rendimientos del maíz por encima de 6,0 t/ha con una WP_T superior a los 1,5 kg/m³, mientras que en muchos países de África los rendimientos fueron inferiores a los 2,0 t/ha y una baja productividad de 1 kg/m³ (Liu et al., 2008)

Para la soya la WP_T varió entre 0,28 y 0,81 kg/m³ y produce como promedio 0,49 kg por cada metro cúbico de agua total. La productividad máxima se obtuvo con 2101 m³/ha de agua aplicada.

Por su parte el sorgo tuvo una productividad del agua total entre 0,49 y 0,96 kg/m³. Por cada metro cúbico de agua total el sorgo produce como promedio 0,68 kg. La productividad máxima se obtuvo con 3620 m³.

Función de producción agua rendimiento (CWPF)

Los modelos lineales encontrados que relacionan la disminución relativa del rendimiento y el déficit relativo de evapotranspiración en los tres cultivos estudiados presentaron coeficientes de determinación superiores al 79%. Ninguno de los 3 cultivos sobrepasa el déficit de agua de entre 0-0,5, supuesto por Doorenbos y Kassam (1979) como rango válido para la relación lineal encontrada entre el déficit hídrico y la perdida relativa de rendimiento (Figura 4).

FIGURA 4. Tendencias encontradas entre la disminución del rendimiento relativo y el déficit de evapotranspiración relativa de los cultivos estudiados en las épocas de invierno y verano.

La pendiente Kr en la función de producción encontrada para el maíz en el invierno fue de 1,67 mientras que en el verano fue 2,31 (Grupo IV) (Tabla 6). El maíz fue el único cultivo que en las dos épocas la pérdida relativa de rendimiento resultó más que proporcional al déficit hídrico ( Kr superior a 1) (Figura 4). Estos resultados confirman la baja tolerancia a la escasez de agua del maíz, bajo condiciones de déficit moderado e incluso severo (Pandey et al., 2000).

Los valores de Kr calculados para la soya y el sorgo en invierno estan muy por debajo de lo reportado en la literatura. Estos resultados los ubican en el grupo I (Kr=0,7-0,8). En estos dos cultivos el déficit de agua incide en menor cuantía sobre el rendimiento que en el maíz.

La soya en verano tuvo un comportamiento diferente al invierno lo que puede estar dado por la mayor demanda evaporativa de la atmosfera en esta época, lo que indica un efecto significativo de la época de siembra sobre la productividad de este cultivo. La soya es más sensible al déficit que el sorgo. Las plantas C4 (sorgo) son consideradas como las mejor adaptadas al estrés hídrico y poseen mayor eficiencia de uso de agua debido a su mayor capacidad de asimilar el CO₂ por su metabolismo y morfología (Nelson et al., 2004).

Un factor de respuesta superior a uno indica que será proporcionalmente superior la pérdida relativa de rendimiento que el decrecimiento relativo en evapotranspiración (Kirda et al., 1999). En este estudio en el cultivo del maíz, para un déficit hídrico planificado de un 20% en invierno, se puede esperar una pérdida relativa de rendimiento de un 33,4%, lo que equivale a un rendimiento máximo esperado de un 5,5 t/ha (tabla 6). Si el déficit se planifica de un 30% en el invierno la perdida relativa de rendimiento podría llegar a ser de un 50,1% en el maíz, mientras que en la soya y el sorgo estaría alrededor de un 20%. Sin embargo, en el verano el maíz y la soya alcanzarían pérdidas del 69,3 y 40,2% respectivamente. El sorgo tiene un comportamiento diferente al tener un factor de respuesta al rendimiento muy inferior (0,56).

Kirda C. (s.a) obtuvo para el maíz un factor de respuesta Kr=0,74 y para un déficit hídrico planificado del 25%, reporta un rendimiento relativo esperado de 0,82, mientras que en el cultivo del sorgo reporta un Kr=0,58 con un rendimiento relativo esperado de 0,86. Mientras que Rosadi et al. (2007) obtuvo para la soya en un ultisol en Indonesia un valor de Kr=0,804.

Dehghanisanij et al. (2009) encontraron en 5 regiones de Irán valores de Kr para el cultivo del maíz entre 1,03 y 1,46, inferiores a los obtenidos en este trabajo. Según este autor la alta sensibilidad del maíz al estrés hídrico sugiere que bajo condiciones limitadas de agua se hace difícil la implementación de estrategias de manejo sin importantes pérdidas de rendimiento.

 CONCLUSIONES

•  En el maíz la productividad del agua aplicada por riego (WP_I ) fue superior al resto de los cultivos, de 16,43 kg/m³ para un agua aplicada de 266,8 m 3 , para la soya fue de 2,96 kg/m³ con 600 m 3 y el sorgo 4,23 kg/m³ con 800 m³. Estos valores de WP_I pueden considerarse como niveles óptimos para la producción de estos cultivos en la época de invierno.

•  El intervalo para la productividad calculada en base al agua total WP_T para el maíz fue mas amplio que lo reportado por FAO y varió entre 0,86 y 2,9 kg/m³. Por cada metro cúbico de agua total el maíz produce como promedio 1,93 kg. Para la soya la WP_T varió entre 0,28 y 0,81 kg/m³ y produce como promedio 0,49 kg por cada metro cúbico de agua total. La productividad máxima se obtuvo con 2101 m³/ha de agua aplicada. Para el sorgo la productividad del agua total estuvo entre 0,49 y 0,96 kg/m³. Por cada metro cúbico de agua total el sorgo produce como promedio 0,68 kg y la productividad máxima se obtuvo con 3620 m³.

•  El cálculo de la productividad en base al agua aplicada por riego para las condiciones climáticas del área de estudio no es un indicador objetivo de la eficiencia del uso del agua por el cultivo; el uso del agua total resulta un indicador más efectivo.

•  La pendiente Kr en la función de producción encontrada para el maíz en el invierno fue de 1,67 mientras que en el verano fue 2,31 por lo que se ubican en el grupo IV, mientras que los valores de Kr calculados para la soya y el sorgo en invierno se ubicaron en el grupo I (Kr=0,7-0,8). En estos dos cultivos el déficit de agua incide en menor cuantía sobre el rendimiento que en el maíz.

•  La soya en verano tuvo un comportamiento diferente al invierno con un valor de la pendiente Kr de 1,34, lo que indica un efecto significativo de la época de siembra sobre la productividad de este cultivo.

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Recibido 20/02/09, aprobado 22/02/09, trabajo 12/10, investigación.