Introducción

El nitrógeno es uno de los nutrientes primarios que los cultivos requieren en mayores cantidades; sin embargo, su disponibilidad hacia las plantas es influenciada por varios procesos incluyendo la mineralización, inmovilización por plantas o microrganismos, nitrificación y desnitrificación (^{Tisdale et al., 2005}). Además, incrementa el tamaño de la células, área foliar y actividad fotosintética (^{Hashemi et al., 1994}). Por otro lado, su importancia radica en la contaminación ambiental que produce al acumularse en el sub-suelo; así como la generada debido a la desnitificación (^{Beukema and Van Der Zaag, 1990}). En los últimos 30 años el contenido de nitratos en agua de riego ha incrementado (^{Vahabzadeh et al., 2006}). Por tales motivos estudios realizados muestran el interés de incrementar la eficiencia del uso de nitrógeno para incrementar los rendimientos potenciales de los cultivos, incrementar la fertilidad del suelo y especialmente manejar de manera eficiente el agua de riego y del fertilizante nitrogenado reduciendo principalmente los daños potenciales al medio ambiente y a la economía del productor (^{llen et al., 2004}; ^{Muñoz y Hernández, 2004}).

En Estados Unidos de América, el cultivo de maíz utiliza la mayor fracción (37 a 51%) del nitrógeno total consumido anualmente, donde el 40-60% es tomado por el cultivo (^{Grassini and Casman, 2012}), una parte queda en el suelo y otra es sujeta a pérdidas potenciales al medio ambiente a través de procesos como volatilización de NH₃, NO₃ ^-, lixiviación, desnitrificación, escurrimiento, emisiones de N₂O (^{Snyder, C. S. 2012}). De acuerdo a ^{Shicheng Zhao and Ping He (2012)} la estrategia más lógica para incrementar la eficiencia de uso de nitrógeno es combinar aplicaciones de nitrógeno basal y de cobertura en las etapas de crecimiento más importantes y que a su vez coincidan con la demanda del cultivo y el suministro estacional por parte del suelo.

En México, la eficiencia de uso del fertilizante nitrogenado varía en forma general desde 40 hasta 80% debido a factores como textura o problemas de compactación, nivelación del terreno, incorporación y características de los residuos de cultivo, sistema de aplicación del agua, manejo del riego, época de aplicación y fuente de nitrógeno, magnitud de la precipitación, profundidad del sistema radical del cultivo y manejo en general incluido el fitosanitario (^{Castellanos, 2005}). En el norte de Sinaloa, México, las eficiencias de aplicación del riego en maíz son en promedio de 45%, encontrándose las mayores pérdidas por efecto de escurrimientos y percolación (^{Gutiérrez, 2004}; ^{Sifuentes et al., 2010}), lo que hace suponer una pérdida similar de nitrógeno con repercusiones en los costos de producción y contaminación de aguas superficiales y subterráneas (^{Sifuentes, 2007}).

De acuerdo a ^{Rimski et al. (2002)} el transporte de nitratos a través del perfil del suelo se encuentra influenciado no solo por las propiedades del mismo y las dosis de fertilización sino también por el tipo de cultivo y la aplicación de riego observándose las mayores pérdidas de nitrógeno en suelos con contenidos importantes de arenas finas o limos bajo condiciones de riego. Bajo el mismo criterio, ^{Spalding et al. (2001)} evaluaron durante seis años el impacto del mejoramiento del riego y las prácticas de nutrición (N-NO₃) en los cultivos de maíz y alfalfa utilizando cuatro sistemas de producción (riego convencional en surcos, riego intermitente, aspersión y pivote central) donde redujeron significativamente la lixiviación de N con reducciones menores al 6% en rendimiento.

Actualmente el problema más grave que enfrentan los agricultores es asegurarse que haya suficiente de cada elemento esencial para su utilización óptima en la planta y en sus etapas de desarrollo (^{Bowen y Bernard, 1990}) ya que de forma natural el N sufre transformaciones desde la atmósfera, suelo y planta acentuándose más las perdidas con prácticas irracionales como el sobre-riego y la sobre-fertilización nitrogenada; tal es el caso del N inmovilizado por microorganismos incorporando N orgánico en compuestos insolubles y por lo tanto no disponibles para las plantas (^{Tisdale, 2005}). Sin embargo, este problema se agrava en suelos altos en MO como los que se someten a labranza cero (^{Bowen y Bernard, 1990}). De tal manera, que el nitrógeno y el manejo del agua son complementarios, por consecuencia, las parcelas con bajas eficiencias de riego bajo altos suministros de nitrógeno pueden tener deficiencias de este elemento reduciéndose las producciones (^{SIAP, 2010}; ^{INIFAP, 2005}).

Los campos donde se ha mejorado la eficiencia del riego requieren menos nitrógeno conservando rendimientos rentables, para lo cual es importante que la selección y manejo del riego sean las adecuadas (^{Bauder et al., 2007}). Debido a lo anterior, el presente trabajo consistió en estudiar diferentes técnicas de riego por superficie y su efecto en el uso eficiente del nitrógeno.

Materiales y métodos

El estudio se desarrolló durante los ciclos agrícolas otoño-invierno (OI) 2006-2007 y 2011-2012 en el Campo Experimental Valle del Fuerte (CEVAF) del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), ubicado en Juan José Ríos, Guasave Sinaloa, México en los 25° 46' 32" latitud norte y 108° 48' 10" longitud oeste a una altitud de 20 msnm, dentro del Distrito de Riego 075, Río Fuerte el más extenso de México. Esta zona tiene una precipitación anual de 200 a 350 mm, suelos de textura franco arcillosa (50% arcilla, 30% limo y 20% arena), bajos en materia orgánica (menos del 1%) y densidad aparente de 1.2 g cm^-3.

Durante el primer ciclo (2006-2007) se estableció una parcela de tres hectáreas en dos sistemas de riego de baja presión (multicompuertas), uno de tubería en PVC (MCPVC) y el otro de manguera Lay flat (MCLF), ambos de 6 pulgadas de diámetro y separación de compuertas de 0.75 m. El sistema se instaló de acuerdo a las condiciones topográficas del terreno y al método de siembra. Se adaptó una red de tuberías previamente, instalada en la parcela experimental la cual fue accionada por una motobomba con motor diésel y abastecida por un estanque alimentado directamente de un canal del módulo de riego Batequis. El testigo fue una parcela con riego convencional (RC) en surcos con separación de 0.76 m conectados en canales a cielo abierto. La longitud de los surcos de los dos sistemas de baja presión fue de 120 m, mientras que la de la parcela testigo fue de 100 m.

En las dos parcelas con los sistemas de baja presión se llevó a cabo un diseño de riego por gravedad mediante el programa RIGRAV (Rendón, 1995) para determinar el gasto de riego unitario óptimo (Qo) y tiempos de riego (Tr) que permitan obtener altas eficiencias de riego para lo cual fue necesario calibrar características hidráulicas del suelo. En el testigo no se realizó ningún diseño, solo se midieron las láminas de riego aplicadas por el regador seleccionando un surco al centro de cada tratamiento y tomando cinco puntos equidistantes a lo largo del surco donde se realizó un muestreo gravimétrico (usando barrena) en tres estratos de 0-30, 306- y 60-90 cm y posteriormente depositando las muestras en contenedores de aluminio las cuales fueron secadas y pesadas.

Para conocer el efecto de la eficiencia del riego en la eficiencia del N, se diseñó un programa de fertilización para cada tratamiento. Para los dos sistemas multicompuertas se usó la fórmula 360-60-60 y para el testigo la fórmula utilizada fue 430-60-60, es decir, 20% más unidades de N en el testigo que en el sistema tradicional, con el supuesto que al aumentar la eficiencia en el uso del agua aumentará la eficiencia del nitrógeno. En los tres tratamientos la aplicación de N y K se aplicó en forma fraccionada en cuatro eventos (25% en cada uno) mientras que las unidades de P totales fueron aplicadas al momento de la siembra (Cuadro 1). La variedad seleccionada fue DK 2020 y se sembró el 15 de diciembre de 2006.

Cuadro 1 Manejo y fuentes de fertilización utilizadas, ciclo otoño-invierno 2006-2007. 

Para el segundo ciclo (2011-2012) los tratamientos utilizados consistieron en tres técnicas de riego por superficie (surcos): 1) surcos alternos (SA) que consiste en regar un surco si y el otro no, el cual puede reducir las láminas brutas aplicadas sin afectar la producción del cultivo (Webber et al., 2006); 2) camas (CAM) que consisten en un bordo de 1.6 m de ancho y 0.20 m de alto; el cual permite un rápido mojado horizontal (Sifuentes, 2003); 3) reducción de gasto (RG) el cual consiste en reducir paso a paso el agua suministrada de tal manera que se eliminan las pérdidas por escorrentía al final del surco y las pérdidas por percolación en el inicio del surco se mantienen al mínimo (Lal y Pandya, 1970) y el testigo (TES). Este último corresponde al riego por surcos convencional. Cada tratamiento se estableció en una superficie de 0.27 hectáreas (36 surcos a 0.76 m con una longitud de 100 m). La variedad de maíz seleccionada fue Pioneer P3245W que se sembró el 02 de diciembre de 2011.

En los cuatro tratamientos se aplicó una fertilización base previa a la siembra de 300 kg ha^-1 de la mezcla física 30-1012; la fertilización complementaria considerando el aporte del suelo (108 kg ha^-1) y la eficiencia de riego proyectada (CAM 65, SA 70, RG 80 y TES 45%) para cada tratamiento se realizó a base de urea resultando un total de N aplicado de 329, 305, 268 y 475 kg ha^-1.

Para determinar la dosis de fertilización nitrogenada en ambos ciclos fue indispensable conocer los requerimientos nutrimentales del cultivo según la etapa de desarrollo y su potencial productivo, así como las características de su sistema radicular, contenido de nitratos en el suelo, contenido de material orgánica y sobre todo el manejo del agua de riego. Por tales motivos en cada ciclo agrícola se realizaron análisis de textura, salinidad y fertilidad y así proceder con una adecuada nutrición del cultivo, calculando las dosis de los nutrimentos con la siguiente ecuación.

Donde: demanda, representa la demanda diaria de cada nutrimento (kg ha^-1 día); suministro se refiere al aporte nutrimental del suelo en (kg ha^-1), estimado a partir del análisis del mismo y la eficiencia al grado de aprovechamiento del nutrimento que depende del sistema de riego, suelo, fuente de fertilizantes, entre otras y su valor escila de 0 a 100%.

Los cultivos se sembraron en seco con una densidad de siembra de 105 000 semillas ha^-1 separadas a 12.04 cm y aplicando el riego de germinación en forma inmediata. Cuando el maíz alcanzó 40 cm de altura, se procedió a cultivar y abrir surco en forma simultánea.

La programación del riego para todos los tratamientos se realizó con el método del balance hídrico a través del software irrimodel (Sifuentes et al., 2012), utilizando un modelo integral de programación del riego calibrado localmente para el cultivo del maíz, el cual estima la variación de la humedad del suelo en la zona radical integrando parámetros de suelo, planta y clima utilizando el concepto de grados día crecimiento. Por otro lado, también se estimó el grado de uso del nitrógeno mediante la siguiente ecuación:

Donde: EXT es la extracción total del nutrimento por el cultivo (kg ha^-1) y el nitrógeno total representa el aporte del suelo y la cantidad de fertilizante agregado (kg ha^-1).

Resultados y discusión

El diseño de riego (inicial y auxilios) durante el primer ciclo (2006-2007) se realizó con el programa RIGRAV donde se simulo la duración del tiempo de riego (Tr), gasto de riego unitario (q_u), coeficiente de uniformidad de Christiansen (CUC), lámina bruta (Lb), eficiencia de aplicación (Ea) y eficiencia de riego (Er), considerando los parámetros que se muestran en el Cuadro 2. En la práctica estos valores pueden ser diferentes a los valores reales de una parcela con la misma textura. Debido a esto, el diseño del riego obtenido con el método directo o simplificado puede implicar que en la práctica el riego se aplique con eficiencias más bajas que las obtenidas por el diseño. Para incrementar estas eficiencias se debe ajustar el diseño en el campo durante la primera "puesta del riego" midiendo el tiempo de avance. Estos valores fueron generados con la calendarización del riego y a las características físicas del suelo. Cabe mencionar que para fines de evaluación las recomendaciones del programa solo fueron aplicadas en los sistemas de baja presión.

Cuadro 2 Parámetros de diseño de riego por gravedad calibrados (RIGRAV). 

Además de estos datos generados por el programa RIGRAV se compararon los tiempos de riego modelados con los tiempos de riego realizados y eficiencias de aplicación las cuales estuvieron dentro del rango recomendado con eficiencias de aplicación fluctuando entre 88 y 90%. El Cuadro 3 muestra las eficiencias obtenidas para dichos tratamientos considerando que al incrementar esta también aumentaría la eficiencia en el uso del nitrógeno.

Cuadro 3 Láminas de riego totales y eficiencias de aplicación promedio para los tratamientos. 

El calendario usado en dicho estudio consistió en cuatro riegos distribuidos en un riego de germinación (riego 1) y tres auxilios en las etapas sexta hoja verdadera (V6), grano acuoso (R2) y grano lechoso (R3) (Cuadro 4).

Cuadro 4 Calendario de riego 2006-2007. 

Con el propósito de conocer el grado de uso de los principales nutrimentos, al cultivo se les realizó análisis de crecimiento a cada parte de la planta para observar la interacción y respuesta a la adición de nutrientes agregados. Se observa que una interacción ocurre cuando la respuesta de uno o más insumos agregados en combinación en este caso agua y dosis de fertilizantes es desigual en comparación a la suma de sus respuestas individuales; por tal motivo, antes de la cosecha se determinó la concentración nutrimental en paja y grano para posteriormente estimar las extracciones totales de nutrimentos y proyectar la productividad de dichos nutrientes en la producción de grano ya que de manera general se encontró una diferencia importante en dichas extracciones como se puede observar en los Cuadros 5 y ⁶.

Cuadro 5 Extracción nutrimental del maíz bajo diferentes métodos de riego (2006-2007). 

Cuadro 6 Extracción nutrimental unitaria del maíz bajo diferentes métodos de riego (2006-2007). 

El nitrógeno está ligado al movimiento del agua en el suelo, ya que a medida que se incrementa la eficiencia de aplicación del riego también incrementa la eficiencia del uso del nitrógeno (Figura 1 y Cuadro 6) como lo señalan ^{Castellanos et al. (2005)}. El grado de uso del nitrógeno se estimó tomando en cuenta el aporte del suelo que para este caso fue de 70 kg y el suministrado por el fertilizante fue de 360 kg. Con respecto al rendimiento obtenido para los tres tratamientos, se observó que fue mayor en el sistema de MC-lay flat con 10.5 t ha^-1, seguido del sistema MCPVC con 10 t ha^-1 y el menor rendimiento fue en el sistema convencional con 8.67 t ha^-1, lo cual fue debido principalmente a las condiciones de humedad proporcionada en la zona activa radicular. Estos datos además indican que se puede incrementar el potencial productivo del cultivo y ahorrar en costos de insumos así como reducir potencialmente la contaminación de aguas subterráneas ya que las pérdidas de N lixiviado se hacen mayor en el riego convencional como resultado de incrementar la lámina bruta aplicada y que son ampliamente adoptadas resultando en un aumento gradual de la concentración de nitratos en el agua subterránea.

Figura 1 Eficiencia del riego y nitrógeno en dos sistemas de riego de baja presión (MCLF y MCPVC) y en riego convencional (RC) en maíz. 

Para el segundo ciclo 2011-2012 se evaluaron las técnicas de riego por superficie anteriormente mencionadas, utilizando los mismos criterios de diseño y calendarización del riego del estudio previo. El Cuadro 7, muestra un resumen de los riegos aplicados para cada técnica de riego utilizada con sus respectivas etapas fenológicas coincidiendo con las etapas criticas del cultivo y grados día crecimiento que permitirieron predecir de forma anticipada los requerimientos hídricos y nutrimentales; mientras que en el Cuadro 8 se puede observar las láminas requeridas por el cultivo y las aplicadas así como las eficiencias obtenidas.

Cuadro 7 Calendario de riegos aplicados 2011-2012. 

Cuadro 8 Requerimientos hídricos y eficiencias de aplicación. 

A continuación, el Cuadro 9 muestra las extracciones totales de diferentes nutrimentos al final del ciclo mismos que fueron utilizados para determinar el grado de uso del fertilizante. De la misma manera en la Figura 2 se pueden observar las eficiencias en el grado de uso del nitrógeno considerando un aporte del suelo de 108 kg y diferentes suministros del fertilizante. El diseño de camas con una dosis de 329, surcos alternos 305, riego deficitario 268 y riego convencional 475 kg ha^-1 respectivamente y el rendimiento final fue de 13.31, 13.11, 13.17 y 14.6 t ha^-1 en el mismo orden.

Cuadro 9 Extracción nutrimental del maíz bajo diferentes técnicas de riego superficial 2011-2012. 

Figura 2 Eficiencia de aplicación del riego y grado de uso de nitrógeno en tres técnicas parcelarias de riego por superficie. 

Conclusiones

Con el uso de los sistemas de riego de baja presión multicompuertas MC-PVC y MC-Lay Flat se obtuvieron eficiencias de aplicación en promedio de 80% respectivamente. Además, los resultaron mostraron que exceso de agua aplicados en los riegos disminuye drásticamente la eficiencia del nitrógeno incrementando las perdidas por percolación, mismas que aumentan el grado de contaminación de aguas subterráneas, estos resultados fueron consistentes a estudios previos realizados por Pacheco (1998).

Los sistemas de riego de baja presión mostraron ser una buena alternativa para la tecnificación del riego a nivel parcelario ya que permite la conducción y distribución del agua de riego dentro del lote mediante tuberías livianas, fáciles de transportar y conectar que trabajan a baja presión a menos de un metro de desnivel y válvulas que permiten regular los caudales de entrega en los surcos y con ello mejorar la eficiencia del riego. Además de estar al alcance de la economía de los productores ya que la mayoría establecen cultivos en superficies mayores a 10 hectáreas, a partir de la cual la inversión tiende a ser menor de $5 000.00 pesos por hectárea. Con respecto al uso de diferentes técnicas de riego por superficie también se demostró incrementar la eficiencia del riego a nivel parcelario, no obstante reduciendo significativamente las pérdidas de nutrientes fuera de la zona activa radicular como el nitrógeno. También se concluyó que el volumen de agua ahorrado en el uso de estas técnicas puede usarse en escenarios de baja disponibilidad de agua.