Introducción
El género Capsicum comprende más de 200 variedades de chile, agrupadas en más de 30 especies, de las cuales, cinco están domesticadas, y es C. annuum L. la más conocida y de mayor importancia económica, ya que es la más ampliamente distribuida y utilizada a nivel mundial (Madhavi et al., 2016); esta especie agrupa a la mayoría de los tipos de chile cultivados en México, entre los que destacan: ancho, serrano, jalapeño, piquín, Anaheim, morrón, mirasol, pasilla y mulato (Muñoz y Pinto, 1970; Pozo, 1981; Laborde y Pozo, 1984).
En México el cultivo del chile tiene una larga tradición cultural y es uno de los principales centros de origen y domesticación (Long, 1982; Laborde y Pozo 1984), tal como lo indican vestigios arqueológicos en donde se han encontrado semillas de forma ancestral en el valle de Tehuacán, Puebla, con una antigüedad de 8 500 años (Evans, 1993). Anualmente se siembra en México un promedio de 97 306 ha (2010-2014) con chile bajo condiciones de riego en el ciclo de cultivo primavera-verano, la cual se realiza principalmente en los estados de Zacatecas 34.9%, Chihuahua 27%, San Luis Potosí 15%, Durango 5.2%, Guanajuato 3.7%, Jalisco 3% y Aguascalientes 0.9%, más de 90% de la superficie nacional (SIACON, 2014).
Estos estados se encuentran en la región norte-centro del país en lo que se conoce como Altiplano Mexicano y se cultivan principalmente las variedades de chile ancho, pasilla, mirasol o guajillo y puya, como chile seco. Sin embargo, la productividad del cultivo de chile es muy errática debido tanto a factores bióticos y abióticos que se presentan durante el desarrollo del cultivo. Temperaturas extremas e inadecuadas y la disponibilidad de agua son dos de los factores de estrés abiótico dominantes, en esta región productora de chile, que reducen drásticamente el crecimiento y producción de este cultivo.
Para desarrollar las tecnologías que se requieren para superar los efectos limitantes del estrés abiótico sobre la productividad del cultivo de chile, se necesita entender los mecanismos de tolerancia de la planta, las fuentes de tolerancia y los métodos para incorporar esas cualidades a la planta de chile. Por lo tanto, un primer paso es conocer los rangos de temperatura que afectan los procesos fisiológicos de las plantas de chile (Taiz y Zeiger, 2006). La temperatura máxima y mínima que definen límites de crecimiento y desarrollo de un organismo, y una temperatura óptima a la cual el crecimiento avanza con mayor rapidez, son definidas como temperaturas cardinales. La temperatura elevada afecta varios aspectos de la fisiología y crecimiento de la planta de chile, los cuales a su vez pueden tener un efecto directo o indirecto en el amarre de fruto, y como consecuencia de ello, disminuir el rendimiento.
El chile es originario de regiones tropicales y subtropicales de América Central y América del Sur, y requiere condiciones de temperatura cálida para su desarrollo, ya que su crecimiento óptimo está entre 25 y 30 °C (Madhavi et al., 2016); sin embargo, temperatura superior a los 32 °C, o inferiores a los 15 °C afectan una variedad de funciones fisiológicas, el crecimiento normalmente se retrasa y el rendimiento se reduce (Mercado et al., 1997; Gunawardena y De Silva, 2014) esta sensibilidad a temperaturas extremas es más marcada para los tipos de chile que se han seleccionado para regiones de cultivo templadas, como el Altiplano Mexicano, donde se produce chile seco, principalmente las variedades ancho, pasilla, mirasol y puya, cuya temperatura óptima para su desarrollo está entre 18 y 28 °C (Medina y Mena, 2016).
Existen variaciones en los reportes de temperatura para el desarrollo del chile, Sanders et al., 1980, indican que la temperatura mínima para el crecimiento y desarrollo de la planta de chile es 18 °C, con plantas en el rango de 5-15 °C se tiene crecimiento pobre. El mayor crecimiento vegetativo ocurre con temperaturas en el rango de 25 a 27 °C durante el día y a 18-20 °C durante la noche (Bakker y van Uffelen, 1988).
El factor más importante que determina la diferenciación de la flor es la temperatura ambiental, especialmente durante la noche (Bosland y Votava, 2000). La temperatura del aire también tiene un gran efecto sobre la formación del polen y su viabilidad; temperatura arriba de 30 °C que se presenta 15 días antes de la polinización ocasiona esterilidad del polen (Cochran, 1938), y temperatura nocturna de 10 ±2 °C reduce el número y el porcentaje de germinación de los granos de polen (Shaked et al., 2004). El mayor amarre de fruta ocurre cuando la temperatura del día y de la noche es entre 21 y 16 °C, respectivamente.
El rendimiento es alto cuando la temperatura del aire, en el día, durante el amarre de fruto, fluctúa entre los 18 y 32 °C, los frutos no amarran cuando la temperatura durante el día es mayor de 32 °C (Olareweju, 1988; Aloni et al., 1999). En general, la temperatura óptima para el amarre de frutos en chile dulce es de 22 a 26 °C durante el día y 15 to 18 °C durante la noche (Rylski y Spigelman, 1982).
Los cambios morfológicos visibles en plantas de chile expuestas a un estrés ambiental durante el período de floración y fructificación es la caída de botones florales, flores y frutos pequeños (Saha et al., 2010). El amarre pobre de frutos se considera como una de las mayores barreras para la adaptación tropical del chile pimiento. Los estados de desarrollo de la flor y las primeras fases de llenado de la semilla del chile después de la polinización son más sensibles al estrés por calor (Erickson y Markhart, 2001).
Con el cambio climático se espera que para el año 2050 la temperatura promedio de la tierra se incremente de 2 a 5 °C, o más, de acuerdo al Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC, 2014). Actualmente el cambio climático representa uno de los principales problemas que enfrenta la agricultura, debido a las alteraciones que causa en los patrones climáticos y por tanto en la agroclimatología relacionada con el manejo de las actividades agrícolas. En este estudio se pretende conocer cuál será el efecto del calentamiento global, en el número de horas dentro y fuera del rango térmico del cultivo de chile en escenarios climáticos futuros.
Materiales y métodos
El área de estudio comprendió los principales estados productores de chile seco del norte centro de México: Chihuahua, Durango, Zacatecas, Aguascalientes, Jalisco, Guanajuato y San Luis Potosí. Se utilizaron datos diarios de temperatura máxima y temperatura mínima de las estaciones de clima del Servicio Meteorológico Nacional. Se seleccionaron 131 estaciones con más de 30 años y más de 90% de datos. En la Figura 1 se presenta el área de estudio, las áreas con potencial para la producción de chile (Medina y Mena, 2016) y la ubicación de las estaciones utilizadas.
Con los datos diarios de temperatura máxima y mínima, se obtuvieron datos horarios (Snyder, 1985) de toda la serie histórica de datos de las estaciones. Con estos datos se estimó el número de horas en que la temperatura estuvo dentro y fuera de los rangos óptimos de las temperaturas cardinales para chile (Cuadro 1) durante el ciclo de cultivo. Con el número de horas de cada rango para el ciclo de cultivo abril-octubre, de cada uno de los años de la serie de cada estación, se hicieron análisis regionales de tendencias históricas utilizando promedios móviles de 20 años.
Para generar mapas con el número de horas de temperatura de cada rango se estimaron modelos de regresión para el ciclo de cultivo abril a octubre. Para esto se seleccionaron 61 estaciones a nivel nacional abarcando diferentes ambientes. Se obtuvieron las temperaturas horarias por día de cada una de las 61 estaciones, se obtuvieron el número de horas de temperatura para cada rango y se relacionaron con la temperatura máxima y mínima medias en el mismo periodo de cultivo. Se obtuvo así un modelo para cada rango para el ciclo de cultivo abril-octubre.
Para estimar el efecto del cambio climático en el número de horas dentro y fuera de las temperaturas cardinales, se utilizó el sistema de información de cambio climático de la República Mexicana del INIFAP (Ruiz-Corral et al., 2016), el cual consta de climatología base del periodo 1961-2010 y climatología de los años 2041 a 2080 en las rutas de concentración representativas (RCP) 4.5 y 8.5 de gases de efecto invernadero (GEI). Los cuales fueron obtenidos a partir de información del portal de datos de Cambio Global de WorldClim con los que se generó un modelo ensamble integrado por 11 modelos de circulación general (GCM) reducidos en escala y calibrados (Walton et al., 2013) seleccionados para México (BCC‐CSM1‐1, CCSM4, GISS‐E2‐R, HadGEM2‐AO, HadGEM2‐ES, IPSLCM5A‐LR, MIROC‐ESM‐CHEM, MIROC‐ESM, MIROC5, MRI‐CGCM3, NorESM1‐M).
Se utilizó un RCP de emisiones intermedias (4.5) el cual es consistente con un futuro con reducciones de emisiones relativamente ambiciosas y un RCP de emisiones altas (8.5) que es coherente con un futuro sin cambios de política para reducir las emisiones (Van Vuuren et al., 2011). Con estos escenarios se realizaron las proyecciones. Se utilizaron los valores de temperatura máxima y temperatura mínima de los años 2041 a 2080. Con los datos mensuales se obtuvieron los anuales para los escenarios climáticos 2041-2060 y 2061-2080, en adelante referidos como climatologías o años 2050 y 2070 respectivamente.
Resultados y discusión
Tendencias históricas
Para validar la estimación de los datos horarios de temperatura con el modelo propuesto, se utilizaron datos diarios de temperatura máxima y mínima de una estación de clima automática y se compararon con sus datos horarios reales (Figura 2). Los reales y estimados se ajustaron a una regresión lineal resultando una R2= 0.9, cumpliendo con los supuestos de validación 1:1; es decir, el intercepto fue estadísticamente igual a cero y la pendiente estadísticamente igual a uno (Fritz et al., 1997).
Con los datos horarios se estimó el número de horas en que la temperatura estuvo dentro y fuera de los rangos óptimos de temperaturas cardinales para el desarrollo del chile en el ciclo de cultivo abril a octubre. El análisis de tendencias históricas regionales de los años 1981 a 2010 y con promedios cada 20 años (considerando las 131 estaciones) se presenta en la Figura 3.
El número de horas dentro del rango de temperaturas umbrales para el desarrollo de chile (15 a 32 °C), tiene una tendencia en aumento (p= 0.0002); es decir, el número de horas con temperatura apropiada para chile (Cochran, 1938; Shaked et al., 2004) se ha ido incrementando (Figura 3a). La tendencia histórica del número de horas con temperatura abajo del umbral mínimo de temperatura (15 °C) para el desarrollo del chile (Figure 3b), es hacia la baja (p= <.0001), lo cual también es un beneficio para este cultivo (Mercado et al., 1997).
Sin embargo, la temperatura superior a 32 °C, que es perjudicial para chile debido a que aumenta la esterilidad del polen y el aborto de frutos (Olareweju, 1988; Aloni et al., 1999) tiene una tendencia a incrementarse, al mismo tiempo aumentarían los días de estrés por calor (Figura 3c). Por lo tanto, dos de las variables indican un efecto favorable (aumento en el número de horas dentro del rango de desarrollo de Capsicum y disminución del número de horas abajo del umbral mínimo), en tanto que la variable de horas arriba del umbral superior de temperatura, que afecta negativamente la polinización y el amarre de frutos, también se ha incrementado.
El número de horas con temperatura dentro del rango óptimo el desarrollo de chile en la región norte centro de México (18 a 28 °C) ha disminuido, tal como se observa en la Figura 3d y por el contrario, la temperatura nocturna mayor de 18 °C (Figura 3e) ha aumentado, lo cual incrementa el riesgo de aborto de flores y frutos pequeños (Gunawardena y De Silva, 2014), la respuesta observada de estas dos últimas variables significa una tendencia de menor rendimiento potencial del chile.
El número de horas abajo de los umbrales mínimos de temperatura ha disminuido, esto es favorable para el cultivo de chile (Shaked et al., 2004) porque hay más horas con temperatura apropiada para el desarrollo de chile, pero el número de horas arriba de los umbrales superiores ha aumentado y esto si es muy perjudicial para el cultivo del chile debido a que el estrés térmico afecta especialmente la altura de la planta, las ramas, el diámetro de la copa y el número de frutos (Gunawardena y De Silva, 2014).
Escenarios climáticos
Para el análisis de escenarios climáticos futuros, el número de horas de cada rango de temperatura para el ciclo de cultivo de abril a octubre se relacionó con la temperatura máxima y mínima medias en ese mismo periodo, esto para las 61 estaciones distribuidas en toda el área de estudio. Los modelos generados presentaron valores de R2 entre 0.8526 y 0.9759, excepto el modelo del rango de temperatura nocturna que resultó con un valor de 0.683, todos los modelos resultaron con una p≤ 0.0001.
Con estos modelos se generaron mapas del número de horas de cada uno de los rangos o temperaturas umbrales de desarrollo del chile (Cuadro 1) para el escenario climático actual (1981-2010) y para las climatologías 2030, 2050 y 2070, para las rutas de concentración de gases de efecto invernadero (RCP) 4.5 y 8.5. Las R2 de todos los modelos fueron aceptables a muy buenas dado que los valores fueron desde 0.85 a 0.97 tanto para las temperaturas diurnas, como las nocturnas (Cuadro 2). Como ejemplo se presentan los mapas de dos rangos de temperatura. En la Figura 4 se muestran los mapas con el porcentaje del número de horas con temperatura entre los umbrales para el desarrollo de chile (15 a 32 °C) en el ciclo abril-octubre en la región norte centro.
El chile se siembra principalmente en las zonas que tienen entre 60 y 70% del número de horas totales en el ciclo agrícola dentro de este rango térmico de chile (Figura 4a, color verde oscuro); en la climatología 2050 la superficie con este rango se mantiene y luego aumenta 16.97% en la climatología 2070 en el RCP 4.5. Considerando la superficie del escenario actual como 100%, en la Figura 4b se puede ver que para el año 2030 se tiene una disminución de 9.3% de la superficie entre 60 y 70% de horas dentro del rango térmico de chile al pasar de 100 a 90.7% (Cuadro 3), esto significa que habrá menor superficie con temperatura dentro del rango para el desarrollo de chile, en los estados de Zacatecas, Aguascalientes y Guanajuato.
Porcentaje de los escenarios futuros con base en el escenario actual. En el rango de 60-70 se cultiva el chile.
En los escenarios climáticos 2050 y 2070, continuará la disminución en la superficie con temperaturas adecuadas para el desarrollo del cultivo de chile en los tres estados antes mencionados, solo en el estado de Chihuahua hay una tendencia de incremento en la superficie con temperaturas propias para el desarrollo de este cultivo en los escenarios 2030, 2050 y 2070 (Figuras 4a-d). En la Figura 5 se presentan los mapas con el porcentaje del número de horas con temperatura nocturna mayor al umbral superior para el desarrollo óptimo de chile (>18 °C), en el ciclo de cultivo abril-octubre en la región norte centro. El cultivo de chile se siembra principalmente en las zonas que tienen entre 10 y 20% (color gris) y 20 a 30% (color rosa) del número de horas totales en el ciclo agrícola (Figura 5a).
Considerando la superficie del escenario actual como 100%, en la Figura 5b se tiene una disminución de la superficie con porcentaje de 10 a 20 y aumento de la superficie de 20 a 30%, principalmente en los estados de Zacatecas, San Luis Potosí, Aguascalientes y Guanajuato, lo que significa que habrá más horas fuera del umbral superior de temperatura nocturna. En los estados de Chihuahua y Durango será mayor el aumento del porcentaje de horas (Cuadro 8). En los escenarios climáticos 2050 y 2070, continuará el aumento de horas de la temperatura nocturna no óptima para el desarrollo de chile (Figuras 5c y 5d).
El comportamiento de la temperatura nocturna en el futuro implica que no habrá una buena diferenciación floral lo que lleva a un menor número de frutos por planta (Bosland y Votava, 2000). En el Cuadro 4 se muestra el porcentaje del número de horas con temperatura óptima para el desarrollo de chile (18 a 28 °C) en el ciclo de cultivo abril-octubre. El cultivo de chile se siembra principalmente en las zonas que tienen entre 40 y 50% del número total de horas en el ciclo agrícola.
Porcentaje de los escenarios futuros con base en el escenario actual. En el rango de 40-50 se cultiva el chile.
La superficie con este rango aumentará con respecto al escenario actual en 15.88 y 15.8% en las climatologías 2050 y 2070, respectivamente, en el RCP 4.5. Este aumento significa mayor número de horas con temperatura óptima para el desarrollo del chile (Medina y Mena, 2016), ya que este cultivo es originario de regiones tropicales y subtropicales y requiere condiciones de temperatura cálida para su óptimo desarrollo (Madhavi et al., 2016).
Respecto al porcentaje del número de horas arriba del umbral superior (32 °C), el chile se cultiva en zonas 0 y 10% del total de horas en el ciclo de cultivo, esta área disminuirá hasta 47.12% en la climatología 2070 del RCP 4.5 y aumentará la de 10 a 20% hasta 21.95% en la misma climatología; es decir, mayor número de horas con estrés por temperaturas altas (Cuadro 5). Hay reportes que temperatura arriba de 30 °C tiene efecto sobre la formación del polen y su viabilidad ocasionando esterilidad (Cochran, 1938; Gunawardena y De Silva, 2014).
Porcentaje de los escenarios futuros con base en el escenario actual. En el rango 0-10 se cultiva el chile.
En cuanto al umbral inferior de 15 °C, este cultivo se planta en regiones con 20 a 40% del número total de horas en el ciclo de cultivo. Disminuirá la superficie del rango 20 a 30 y 30 a 40% hasta 61.29% en la climatología 2070 RCP 4.5 y aumentará la de 10 a 20%, esto indica que habrá menor número de horas debajo de este umbral (Cuadro 6), esto será favorable para el cultivo de chile, ya que temperatura inferior a 15°C afectan una variedad de funciones fisiológicas, el crecimiento se retrasa y el rendimiento se reduce (Mercado et al., 1997; Gunawardena y De Silva, 2014).
Porcentaje de los escenarios futuros con base en el escenario actual. En el rango de 20-30 y 30-40 se cultiva el chile.
En cuanto a la temperatura nocturna, el chile se cultiva principalmente en regiones con un porcentaje entre 10 y 30% de horas con temperatura nocturna dentro del rango óptimo (15 a 17.5 °C), disminuirá la superficie del rango 10 a 20% hasta 59.92% en la climatología 2070 y su lugar lo tomará el rango de 20 a 30% que, aunque disminuirá 8.21% en la climatología 2070 en el RCP 4.5, estará en las zonas donde actualmente se cultiva chile, esto significa que esas zonas tendrán un mayor número de horas con temperatura nocturna óptima (Cuadro 7).
Porcentaje de los escenarios futuros con base en el escenario actual. En el rango 10-20 y 20-30 se cultiva el chile.
Para el umbral superior de temperatura nocturna (18°C), se encontró que donde se cultiva chile se tiene entre 10 y 30% de horas con temperatura arriba del umbral, en el futuro, disminuirá la superficie del rango de 10 a 20% hasta en 58.53% en la climatología 2070 y aumentará la del rango de 20 a 30%, hasta en 10.23% en la climatología 2070, del RCP 4.5 (Cuadro 8), el comportamiento de la temperatura nocturna en el futuro implica que no habrá una buena diferenciación floral lo que lleva a un menor número de frutos por planta (Bosland y Votava, 2000).
Porcentaje de los escenarios futuros con base en el escenario actual. En el rango 10-20 y 20-30 se cultiva el chile
Por último, donde se cultiva chile hay entre 10 y 30% de horas con temperatura nocturna abajo del umbral inferior (10 °C); de acuerdo a los escenarios climáticos futuros, disminuirá la superficie con número de horas del rango de 10 a 20% y tambien disminuirá la superficie del rango de 20 a 30% hasta 55.16% en la climatología 2070 del RCP 4.5, que indica que en zonas donde se cultiva chile habrá menos horas con temperatura nocturna abajo del umbral inferior (Cuadro 9), lo cual indica que habrá menos horas con temperatura nocturna abajo del umbral inferior, esto implica que el cultivo tendrá mayor producción y viabilidad del polen (Shaked et al., 2004).
Porcentaje de los escenarios futuros con base en el escenario actual. En el rango 10-20 y 20-30 se cultiva el chile.
Las tendencias observadas de aumento o disminución de las superficies de diferentes rangos de temperatura en el RCP 4.5, se observan también en el RCP 8.5 pero de una manera más acentuada. Esto se debe que el RCP 4.5 es un escenario con emisiones intermedias de GEI, mientras que el RCP 8.5 es un escenario con emisiones de GEI altas, que provocará un mayor aumento de la temperatura a nivel global (van Vuuren et al., 2011).
El efecto del calentamiento global en los tres escenarios climáticos estudiados se observa de dos maneras diferentes, por un lado favorecerá al cultivo de chile con un aumento de la superficie (22.6%) con temperatura horaria dentro de los umbrales de desarrollo (15 a 32 °C) y un crecimiento (15.8%) dentro del rango de temperatura óptima (18 a 28 °C), pero limitada por el aumento (20.8%) de la superficie con temperatura horaria mayor al umbral superior (32 °C) y mayor a (18.5%) de la superficie con temperatura nocturna horaria mayor al umbral superior de temperatura nocturna (18 °C).
Todo esto en el RCP 4.5 y en la climatología 2050, el estrés por alta temperatura es un estrés ambiental importante que limita el crecimiento de las plantas, el metabolismo y la productividad (Hasanuzzaman et al., 2013), lo que repercutirá en la disminución del rendimiento debido al efecto negativo en los procesos de polinización y amarre de frutos (Bradley et al., 1999; Peñuelas y Filella, 2001). Sin duda este último efecto es el que predominará, puesto que, aunque se tengan más horas con temperatura favorable, el daño por el aumento de las horas con estrés por temperatura alta es irreversible una vez que ha ocurrido (Taiz y Zeiger, 2006).
Conclusiones
Se observa un efecto favorable del calentamiento atmosférico en el periodo histórico 1981-2010 en el norte-centro de México, al aumentar el número horas dentro del rango de temperaturas cardinales, que son favorables para el desarrollo de chile, de la misma manera disminución del número de horas abajo del umbral inferior de temperatura y de temperatura nocturna.
En el mismo periodo histórico se ha dado un efecto desfavorable al aumentar el número de horas con temperatura arriba del umbral superior de temperatura y arriba del umbral superior de temperatura nocturna, las cuales reducen la polinización, y aumentan el aborto de flores y frutos pequeños.
Considerando los efectos del calentamiento global en los escenarios climáticos futuros en los RCP 4.5 y 8.5, la superficie con porcentaje de horas con temperatura dentro de los rangos óptimos de desarrollo va continuar aumentando hacia el futuro, pero limitada por el aumento de la superficie con temperatura horaria mayor a los umbrales superiores óptimos en los mismos escenarios, lo que repercutirá principalmente en la disminución del rendimiento debido al efecto negativo en los procesos de polinización y amarre de frutos.
Las zonas con alto potencial de rendimiento de chile en los estados de Zacatecas, San Luis Potosí, Aguascalientes y Guanajuato serán más afectadas que las de los estados de Durango y Chihuahua.