Introducción
En México, el maíz es el cultivo más importante desde el punto de vista alimenticio, industrial, político y social. El consumo per cápita de maíz es de 330 g d‑1 (Reynoso et al., 2014), con un contenido de proteína que puede oscilar entre 8 y 11% del peso del grano, que en su mayor parte se encuentran en el endospermo (Benítez y Pfeiffer, 2006). Se desarrolla en diferentes zonas edafoclimáticas, además de formar parte de los usos y costumbres de diversas regiones étnicas. Los principales estados productores de maíz en México son: Sinaloa, Jalisco, Michoacán, Edo. de México y Chiapas. El Estado de México ocupa el cuarto lugar, con una producción de 1 575 300 toneladas, donde el 84% (467 578 ha) de la superficie sembrada es bajo condiciones de lluvia estacional (LLE), la precipitación media del estado es de 558 mm con rendimiento promedio de 2.97 Mg ha-1 (SIAP, 2011). Los agricultores de riego prefieren el uso de semillas hibridas, por su alto potencial de producción y sus características agronómicas favorables como tolerancia a enfermedades, resistencia al acame y ciclo vegetativo corto (Espinosa et al., 2003), y los de LLE prefieren los nativos que seleccionan ciclo tras ciclo. Por lo cual, se deben explorar las variedades que conviene sembrar en cada agrosistema y el manejo más apropiado para una mayor producción. En la agricultura es imprescindible ser eficiente en el uso del agua (EUA) y nitrógeno (N), ya que estos son los insumos más importantes para la producción, deben estar bien provistos en cantidad y oportunidad para asegurar un estado fisiológico óptimo al momento de la floración, que es cuando se determina el rendimiento (Andrade et al., 2002). La EUA se incrementa con la aplicación de nitrógeno. En un estudio realizado por Faraldo et al. (2011) en tres híbridos de maíz se obtuvo una EUA de 0.89 en el 2009 y para el 2010 se incrementó a 2.28 g m-2 mm‑1. El nitrógeno en las plantas estimula el crecimiento de las raíces, permitiendo que el cultivo aproveche la humedad del subsuelo y a su vez el crecimiento del dosel vegetal (Morales y Escalante, 2007), que cubre el suelo, con el cual se reduce la evaporación (Parker, 2000). La fertilización nitrogenada es determinante para incrementar el rendimiento de maíz (Borrás, 2001). Sin embargo, representa una inversión de alto costo y riesgo ambiental. Al respecto, Turrent-Fernández et al. (2004) al realizar un análisis económico en maíces de Chiapas, Guerrero y Quintana Roo, con 0, 80 y 160 kg N ha‑1 observó que a medida que se incrementan los insumos, aumenta el costo de producción y disminuye el ingreso neto. La incorporación de nitrógeno en el suelo es muy importante, debido a que la mayoría de los suelos agrícolas presentan niveles bajos de este nutrimento (p. ej.: 3.46 ppm, para Montecillo, Estado de México, Cruz-Flores et al., 2002). Al respecto, Pecina et al. (2011), al evaluar cuatro variedades de maíz de los Valles Altos en Texcoco, Edo de México, con una fertilización de 120 kg N ha-1, encontró diferentes respuestas genotípicas en el rendimiento de grano (RG), desde 5.5 hasta 8.5 Mg ha-1. Antuna et al. (2003) evaluó seis líneas endogámicas de maíz en los estados de Durango y Coahuila, los cuales presentaron variabilidad desde 1.94 hasta 5.04 Mg ha-1 en el RG. Domínguez et al. (2001) reportó incrementos en el rendimiento del maíz de 1770, 2250 y 1200 kg ha-1, con aplicación de 60, 120 y 180 kg N ha-1, con respecto al testigo (sin N aplicado). Por otra parte, la aplicación de nitrógeno puede aumentar el RG, pero también elevar el contenido de proteínas y aminoácidos en los productos agrícolas (Yu-kui et al., 2009). La composición química del grano, está definida por el factor genético, pero también depende de las prácticas de cultivo, condiciones climáticas y tipo de suelo (Agama-Acevedo et al., 2011). Por ejemplo, Agama-Acevedo et al. (2011), en cuatro maíces de la raza Chalqueño en el Edo. de México, encontraron diferencias significativas en el contenido de proteína y nitrógeno, en el grano. Las proteínas, del grano de maíz han sido estudiadas ampliamente, su función es servir como fuente de nitrógeno para el germinado de la semilla (Benítez y Pfeiffer, 2006), pero el excesivo e inapropiado uso de la fertilización nitrogenada, puede causar una alta acumulación de este insumo en el grano, lo cual puede ser perjudicial a la salud humana, además de contaminar el ambiente y generar pérdidas económicas (Stagnari et al., 2007). Álvarez et al. (2003) mencionan, que cuando se incrementa el nitrógeno existe un máximo a partir del cual no se observa respuesta en el rendimiento del grano.
La respuesta sobre el rendimiento, contenido de N y proteína en el grano de maíz a la fertilización nitrogenada puede variar en función del genotipo, nivel inicial de N en el suelo y el ambiente de desarrollo (López et al., 2007). Los reportes sobre el tema en clima templado no son abundantes. Por lo que, el objetivo del presente estudio fue determinar el efecto del nitrógeno en tres genotipos de maíz sobre: a) la ocurrencia de las fases fenológicas; b) la producción de materia seca, rendimiento y sus componentes; c) eficiencia en el uso del agua y nitrógeno; d) el contenido de nitrógeno y proteína en el grano, y e) la rentabilidad de la siembra del maíz bajo régimen de lluvia estacional.
Materiales y Métodos
El estudio se desarrolló bajo un régimen de lluvia estacional en Montecillo, Estado de México, con clima templado (BS1) (García, 2005), con lluvias en verano (precipitación anual de 558 mm) y altitud de 2240 m Los tratamientos consistieron en sembrar el 01 de junio de 2011 el maíz nativo Michoacán 21, una variedad sintética HS-2 y el híbrido Promesa con tres niveles de fertilización nitrogenada 0, 80 y 160 kg ha-1. La densidad de población fue de 6.25 pl m-2 y una distancia entre surcos de 80 cm. El diseño experimental fue bloques completamente al azar con arreglo de parcelas divididas y cuatro repeticiones.
donde: Yijk, es la variable respuesta del i-esimo nivel A (genotipo), en el i-esimo nivel B (nivel de nitrógeno) en el j-esimo bloque. μ, es la media general verdadera. Ai, es el efecto del i-esimo genotipo. βk, es el efecto del k-esimo repetición. εi βk es el error del genotipo Bj, es el efecto del j-esimo nivel de nitrógeno. (AB)ij, es el efecto de la interacción del i-esimo genotipo, en la j-esimo nivel de nitrógeno. εijk, es el error experimental.
La unidad experimental fue de cuatro surcos de 0.8 m de ancho × 4 m de longitud. Los resultados indican que fue un suelo de textura franco arcillo arenosa, densidad aparente de 1.22 g cm-3, pH 8.2, conductividad eléctrica 0.41 dS m-1, materia orgánica de 1.70% y nitrógeno total de 3.46 ppm. Durante el desarrollo del estudio se registró la temperatura máxima (Tmáx) y mínima (Tmín) decenal y la suma de la evaporación (Ev, mm) y precipitación (PP, mm), datos proporcionados por la estación Agrometeorológica del Colegio de postgraduados. También se registró la ocurrencia de las fases fenológicas como: días a emergencia (E), floración (FL) y a madurez fisiológica (MF). El criterio utilizado para el registro fue presentado en Ritchie y Hanway (1982). Además, para cada fase fenológica se determinó la acumulación de unidades calor para el cultivo (UC, ºC d), mediante el método residual, el cual es descrito por la Ecuación 2 (Snyder, 1985):
donde: UC = unidades calor (ºC d), Tmáx = temperatura máxima diaria (ºC), Tmín = temperatura mínima diaria (°C) y TB = temperatura base, considerada como 7 °C (García y López, 2002). La evapotranspiración del cultivo (ETc) se calculó a partir de los datos de la evaporación (Ev) del tanque tipo “A”, utilizando 0.6 como coeficiente para el evaporímetro, kc inicial = 0.35, kc a mediados del periodo = 1.14 y kc final = 0.6 (Doorenbos y Pruitt, 1986), a partir de la Ecuación 3:
A la MF se evaluó la biomasa con base en materia seca total (MS total, g m-2), índice de cosecha (IC, %), rendimiento de grano (RG, 10% de humedad, g m-2), peso de 100 granos (P100G, g), número de granos (NG, m2), número de hileras (NH) y número de granos por hilera (NGH). Se calculó la eficiencia en el uso del agua del RG (EUARG, g m-2 mm-1) y MS (EUAMS, g m-2 mm-1) con la ecuación, EUA = RG o MS (g m-2) / ETc(mm) ocurrida durante el ciclo del cultivo (Escalante, 1995) y la eficiencia agronómica del N (EAN, g g-1 de N aplicado), considerado como el incremento en el rendimiento por unidad de fertilizante aplicado, se calculó a través de la siguiente ecuación: EAN = RGN -RGSN / NA. Dónde: RGN = rendimiento de grano con nitrógeno (g m-2), RGSN = rendimiento de grano sin nitrógeno (g m-2) y NA = cantidad de nitrógeno aplicado (g m-2) (Fageria y Baligar, 2005).
Adicionalmente, posterior a la cosecha de grano, se determinó el contenido de nitrógeno total en las semillas de maíz, mediante el método de semi micro Kjeldahl, modificado para incluir nitratos (Chapman y Pratt, 1979). Se analizaron 454 muestras de material vegetal (10 g por muestra, grano).
A los datos del rendimiento y sus componentes, así como a la eficiencia en el uso del agua y nitrógeno, contenido de nitrógeno y proteína, se les aplicó un análisis de varianza (ANDEVA), con el programa estadístico de SAS (Statistical Analysis System, Versión 9.0), la prueba de comparación de medias Tukey (α = 0.05).
Adicionalmente, se realizó un análisis económico para rendimiento, utilizando las siguientes Ecuaciones 4 y 5:
donde: IN = ingreso neto, Y = rendimiento (kg ha-1), Py = precio por kg, ƩXiPi = suma de costos variables, CF = costos fijos (Volke, 1982).
También se determinó la GPI con la relación:
donde: GPI = ganancia por peso invertido.
Resultados y Discusión
Fenología, condiciones climáticas, unidades calor y evapotranspiración
La media decenal de la Tmáx y Tmín durante el desarrollo del cultivo fluctuó entre 31 y 21 °C, y entre 13 y 8 °C, respectivamente. Durante la etapa de siembra (S) a FL, la Tmáx y Tmín promedio fue de 31 y 8 °C y de FL a MF fue de 25 y 8 °C, respectivamente (Figura 1). Dichos valores se encuentran dentro del umbral térmico en promedio de 18 a 22 °C apropiado para cultivares de maíz adaptados a los valles altos de México (Pecina et al., 2011), lo cual indica que en los genotipos estudiados la temperatura no fue limitante para una mayor expresión del rendimiento. La suma de la PP durante el ciclo del cultivo fue de 504 mm. Valor ligeramente inferior al señalado por Rivetti (2006) quien menciona que las necesidades de agua para el ciclo del maíz son de 575 mm aproximadamente. La mayor PP (374 mm) ocurrió en la etapa de S a FL de los genotipos, en los meses de junio y julio. Sin embargo, de FL a MF la PP fue más baja (129 mm). Esto limitó una mayor expresión del RG (Faraldo et al., 2011).
Los genotipos en estudio, presentaron diferencias en las fechas a ocurrencia de las etapas fenológicas, con excepción de la emergencia donde fue similar (6 dds) con un requerimiento de calor de 69 °C d. En contraste, la floración de Michoacán-21 ocurrió a los 84 dds con UC de 866 °C d, en HS-2 a los 92 dds con UC de 953 °C d y en Promesa a los 90 dds con UC de 1003 °C d. La MF en Michoacán-21 fue a los 140 dds (1452 °C d), en HS-2 y en Promesa a los 146 dds con UC de 1490 °C d (Figura 1). En referencia, Díaz-López et al. (2013) reportaron en el ciclo del cultivo de maíz, requerimiento térmico de 1158 UC, valor inferior al encontrado en el presente estudio.
La acumulación de UC y la Etc durante el ciclo del cultivo, mostró una relación lineal con el tiempo que respondió al modelo y = a + bx. En cuanto a la ETc, del periodo de S a E fue de 12 mm, para todos los genotipos. De S a FL fue de 218, 241 y 231 mm para Michoacán-21, HS-2 y Promesa, respectivamente. De FL a MF fue de, 179, 171 y 181 mm para Michoacán-21, HS-2 y Promesa, respectivamente. La ETc total fue de 397 mm para Michoacán-21 y de 412 mm para HS-2 y Promesa (Figura 2). Esto indica que las necesidades de agua del cultivo difieren entre genotipos, por el mayor ciclo de crecimiento son más altos para HS-2 y Promesa.
Materia Seca Total (MS), Índice de Cosecha (IC), Rendimiento (RG) y sus componentes
El MS, IC, RG y NGH mostraron cambios significativos debido a los diferentes genotipos (G), dosis de nitrógeno (N) y la interacción genotipo × nitrógeno (G × N) .También se observaron diferencias en el P100G, entre G y N; en el NH y NG debido a N y en la interacción G × N (Cuadro 1).
*,** = P ≤ 0.05, 0.01, respectivamente; NS = no significativo a P ≥ 0.05; P100G = peso 100 granos; NH = número de hileras; NGH = número de granos hilera-1; NG = número de granos; G = genotipo.
Desarrollo de los diferente genotipos. En cuanto a la MS, se observó que los cultivares mejorados superaron en 25 y 45% al nativo (Cuadro 2). El genotipo Promesa por su ciclo de crecimiento más largo tuvo oportunidad de interceptar mayor cantidad de radiación, lo que generó un incremento del 45% en MS con respecto a Michoacán-21de ciclo más corto. En relación al IC, los genotipos Michoacán-21 y Promesa, estadísticamente presentaron similar distribución de MS hacia el grano. Esto indica que las diferencias en MS y RG entre Michoacán-21 y Promesa, son en la misma proporción. Promesa presentó el RG más alto (323 g m-2), mayor P100G, seguido de HS-2 y Michoacán-21 (236 g m-2).
En columnas para cada factor principal letras similares indican que los valores son estadísticamente iguales (Tukey, α = 0.05). P100G = peso 100 granos; NH = número de hileras; NGH = número de granos hilera-1; NG = número de granos.
Nitrógeno. Las diferentes aplicaciones de N ocasionaron incrementos significativos en la MS, IC, RG y sus componentes. La aplicación de 80 y 160 kg N ha‑1 incrementó en 251 g m-2 la MS y el IC en 26%, con respecto a la nula fertilización (Cuadro 2), lo que indica que con la aplicación de N se promovió una mayor acumulación de MS hacia el grano respecto al resto de las estructuras de la planta, generado esto por un mayor tamaño de la demanda. Con 160 kg N ha-1 el RG aumentó en promedio 105 g m-2, esto fue atribuible al P100G y NG, con respecto al testigo (sin nitrógeno). Esto se relaciona con la disponibilidad de N inicial en el suelo, así como durante el llenado de grano (D’Andrea et al., 2008). Otros estudios reportan incrementos en el RG del maíz con 160 kg N ha-1 (Arrieche y Ruiz, 2010; Martínez- Rueda et al., 2010). Estos resultados indican que el suministro de N al suelo, es necesario para incrementar la producción de MS, IC, NH, NGH, NG y P100G en la mazorca y en consecuencia el RG. Dicha respuesta se ha encontrado en otros casos donde se aplicó N, en el NG, P100G, RG, IC y MS (O’Neil et al., 2004; Rasheed et al., 2004; Khaliq et al., 2009).
Genotipo × Nitrógeno (G × N). La respuesta a las diferentes dosis de N para MS y RG del maíz fue en función del genotipo (Figura 3). Así, para Promesa y HS-2 la respuesta a la aplicación de N se ajustó a un polinomio de segundo grado. En Promesa (7.9 g m-2 por kg de N) fue superior al de HS-2 (3.8 g m-2 por kg de N ha-1) y en Michoacán-21 (2.3 g m-2 por unidad de N) que fue la más baja (Figura 3A). En Promesa, la máxima producción de MS se logró con 80 kg N ha-1; mientras que para HS-2 y Michoacán-21 se encontró con 160 kg N ha-1. Esto indica una mayor eficiencia en el uso del N por el genotipo Promesa.
En cuanto a la respuesta a las diferentes aplicaciones de N para RG, se observó una tendencia cuadrática para los genotipos en estudio (Figura B). Así, la mayor respuesta al N se encontró con la aplicación de 80 y 160 kg N ha-1. El RG de Promesa superó en 40 y 44%, con respecto a Michoacán-21 y HS-2 en cualquier nivel de N aplicado. Esto demuestra el potencial del híbrido Promesa y que tan eficiente es en el uso del nitrógeno. Respuestas variables al N entre genotipos de maíz también han sido reportadas por De la Cruz-Lázaro et al. (2009), Mamani-Pati et al. (2010) en Villahermosa, Tabasco.
Eficiencia en el uso del agua (EUA) y eficiencia agronómica del nitrógeno (EAN)
En cuanto a la EUAMS, se observó que los cultivares mejorados fueron más eficientes en el uso del agua que el nativo (Cuadro 3). El genotipo Promesa por su mayor cantidad de MS, generó la EUAMS más alta, con respecto a HS-2 y Michoacán-21. En relación al EUARG, Promesa mostró la más alta, debido a sus características genéticas (Faraldo et al., 2011), seguido de HS-2 y Michoacán-21, que presentó la EUARG más baja. Las aplicaciones de N ocasionaron incrementos significativos en el EUAMS y EUARG que fueron similares con 80 y 160 kg N ha-1 (Cuadro 3). Respuestas semejantes fueron reportadas por López et al. (2001). La EUAMS y EUARG mostraron diferencias significativas en la interacción Genotipo × dosis de N (Cuadro 3). La EUAMS más alta se encontró en el genotipo Promesa con 80 y 160 kg N ha-1 seguido de HS-2 con 80 y 160 kg N ha-1. La EUAMS más baja se encontró en Michoacán-21 y HS-2 sin N. Esto indica que la EUA más alta es consecuencia de un mayor tamaño de dosel y cobertura del suelo (Caviglia y Sadras, 2001), debido a diferencias genotípicas y N aplicado. La EUARG más alta se observó en Promesa con 80 y 160 kg N ha‑1 (Cuadro 3), seguido de Michoacán-21 con 80 y 160 kg N ha-1. La EUARG más baja correspondió a Michoacán-21 y HS-2 sin aplicación de N. Esto indica que el genotipo Promesa presenta una eficiencia más alta en el uso del agua (Howell, 2001).
En columnas para cada factor principal letras similares indican que los valores son estadísticamente iguales (Tukey, α = 0.05).
En cuanto a la EAN, se observaron diferencias significativas con respecto al factor genotipo. El genotipo Promesa demostró ser más eficiente en el uso del N, respecto de HS-2 y Michoacán-21 (Cuadro 3). Al respecto, Hernández et al. (2003) también encontraron diferencias entre genotipos en la eficiencia en el uso del N en maíz. Por otra parte, con N también se observaron incrementos significativos en la EAN. Con 80 kg N ha-1 se logra la más alta EAN, seguido de 160 kg N ha-1, lo que indica que el N promovió una mayor EAN, después de la cual dicha eficiencia disminuye. Dicha respuesta se relaciona con lo mencionado en Álvarez et al. (2003), quienes observaron alta eficiencia con bajo contenido de nitrógeno.
La EAN más alta correspondió a Promesa con 80 kg N ha-1; seguido de la aplicación de 160 kg N ha-1. La EAN más baja correspondió a Michoacán-21 y HS-2 con 160 kg N ha-1. Esto indica que Promesa presenta ventajas fisiológicas sobre Michoacán-21 y HS-2 por ser más eficiente en el uso de los insumos. Una EAN superior a la encontrada en el presente estudio fue reportada por Barbieri et al. (2003). Dicha diferencia puede deberse al diferente genotipo y prácticas de manejo.
Contenido de nitrógeno y proteína
El contenido de N y proteína, presentó diferencias significativas entre genotipos. El maíz HS-2 y Michoacán-21 mostraron los contenidos de N y proteína más altos con respecto a Promesa que fue el más bajo (Cuadro 4).Variabilidad en el contenido de N y proteína entre genotipos de maíz también han sido reportadas por Mendoza et al. (2006) y Hernández et al. (2003).
En columnas para cada factor letras similares indican que son estadísticamente iguales (Tukey, α = 0.05).
En relación a la aplicación de N, se observó diferencias en el contenido de N y proteína en el grano (Cuadro 4). Respuestas similares en maíz han sido reportadas por López et al. (2007), Rasheed y Mahmood (2004) y Shapiro y Wortmann (2006), en donde se observaron aumentos significativos en el contenido de N y proteína en el grano de maíz, por efecto de la fertilización nitrogenada.
En cuanto a la interacción G × N se observaron diferencias significativas para el contenido de N y proteína del grano (Cuadro 4). Esto indica que el efecto de la fertilización con N favoreció su absorción y asimilación por la planta para finalmente concentrarse en el grano (Zepeda et al., 2007). El genotipo HS-2 con 160 kg N ha-1 presentó la mayor acumulación de N y proteína en el grano (1.76 y 11%, respectivamente), Promesa presento una tendencia similar, no así para Michoacán-21. Al respecto Yu-kui et al. (2009) y Zepeda-Bautista et al. (2009), señalan que la aplicación de N puede incrementar el contenido de proteína del grano de maíz. El contenido de nitrógeno y proteína del grano encontrado en el presente estudio fue superior al reportado por Agama et al. (2011), para cuatro cultivares de maíz de la raza Chalqueño cultivados en el Edo. de México (N 1.49% y proteína 9.36%).
Análisis económico
En cuanto al análisis económico para el RG se observó que la siembra del maíz Promesa con 80 kg N ha-1 generó el mayor ingreso neto (IN), al igual que la ganancia por peso invertido (GPI). Así, por cada peso invertido, se recuperó $ 1.61 (Cuadro 5). Para agricultores de capital limitado se recomienda el uso de Promesa, debido a que genera el mayor IN sin aplicación de N ($0.85 por peso invertido). Al respecto Turrent-Fernández et al. (2004) en Chiapas, Quintana Roo, Veracruz y Guerrero en siembra con riego, observaron el más alto IN con los híbridos H-516 y H-515, con la más alta fertilización (160 kg N ha-1). Esto contrasta con los resultados de este estudio, ya que se presentó el mayor IN con 80 kg N ha-1 en Promesa, HS-2 y Michoacán-21. Dichas diferencias se relacionan con los diferentes genotipos utilizados, diferente suministro de agua y condiciones ambientales.
Conclusión
-. Los genotipos en estudio presentaron diferencias en la ocurrencia de las fases fenológicas. Promesa presentó mayor respuesta al nitrógeno que HS-2 y Michoacán-21. La aplicación de nitrógeno 80 y 160 kg ha-1 incrementaron la eficiencia en el uso del agua, eficiencia agronómica de nitrógeno, producción de materia seca y rendimiento. Dicho incremento fue en función del genotipo utilizado. El contenido de nitrógeno y proteína del grano fue más alto en el genotipo HS-2 con una aplicación de 160 kg N ha‑1. El mayor ingreso neto se logró con Promesa con 80 kg N ha‑1.
-. Para Montecillo, Estado de México, el uso del maíz híbrido Promesa con una fertilización entre 80 y 160 kg ha-1 de nitrógeno es una buena opción para productores que siembran en temporal, debido a que alcanzar un rendimiento de 3.8 Mg ha-1, esto se pudiera incrementar con la asociación de riegos, por ser este híbrido eficiente en el uso del agua y nitrógeno, probablemente el rendimiento aumentaría.