Efecto de los polímeros súper absorbentes en la economía del agua para uso agrícola

Enrique Cisneros Zayas1, Reinaldo Cun González2, Julián Herrera Puebla3, Felicita González Robaina4, Stefani Cun Rodríguez5, Orlando Sarmiento García6

1) Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola. La Habana. Cuba. Correo electrónico: dptoriego1@iagric.cu
2) Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola. La Habana. Cuba. Correo electrónico: dptoriego3@iagric.cu
3) Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola. La Habana. Cuba. Correo electrónico: direccioninvest1@iagric.cu
4) Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola. La Habana. Cuba. Correo electrónico: dptoambiente4@iagric.cu
5) Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola. La Habana. Cuba
6) Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola. Estación experimental “Pulido”. Alquízar. La Habana. Cuba

Recibido: Octubre 2019; Aceptado: Noviembre 2019

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Cita (APA)

Cisneros Zayas, E., Cun González, R., Herrera Puebla, J., González Robaina, F., Cun Rodríguez, S., Sarmiento García, O. (2020). Efecto de los polímeros súper absorbentes en la economía del agua para uso agrícola. Revista Iberoamericana de Polímeros21(1), 1–13.

RESUMEN

El trabajo se desarrolló en la estación experimental, en Alquízar, provincia Artemisa con el objetivo de evaluar la influencia de los polímeros súper absorbentes en el desarrollo morfológico, el rendimiento y la eficiencia en el uso del agua para riego en el cultivo del maíz (Zea Mays L), sembrado en un suelo Ferralítico Rojo compactado. El diseño experimental empleado fue línea central de aspersores y los tratamientos consistieron en cultivar el maíz con presencia de hidrogel en el suelo con una dosis de 10 g por metro lineal, equivalente a 30 kg para el área de prueba (0,23 ha) y un testigo sin hidrogel. Los resultados obtenidos revelaron que la utilización del polímero incremento significativamente la altura de la planta, el número de hoja y los componentes del rendimiento evaluados (peso de la mazorca, número de granos por mazorcas, peso fresco de los granos y peso de 100 granos) todo lo cual condujo a un incremento significativo del rendimiento del tratamiento con polímeros que supero al testigo en un 14%. En el tratamiento 1, sin polímeros, para mantener el nivel de humedad en el suelo hubo que aplicar cuatro riegos más y el volumen de agua consumido fue superior en 984,0 m3·ha–1. La productividad agronómica del agua con polímeros fue de 2,98 kg·m–3 y sin polímeros de 1,77 kg·m–3. Desde el punto de vista económico se logra una mejor relación beneficio–costo cuando se aplicó polímeros con un valor de 3,89, evidenciando su posible aplicación en condiciones de producción.

ABSTRACT

The work was carried out in experimental station, in Alquízar, Artemisa province with the objective of evaluating the influence of super absorbent polymers in morphology development, yield and efficiency water use for irrigation in the corn cultivation (Zea Mays L), sown in a Ferralitic Red compact soil. The experimental design used was line source sprinkler laterals and the treatments consisted of growing the corn with the presence of wetting agent in the soil with a dose of 10 g for lineal meter, equivalent to 30 kg for the test area (0,23 ha) and a witness without wetting agent. The results obtained revealed that, the polymer use increment significantly the height of the plant, the leaf number and the yields components evaluated (cob weigh, number of grains by ears, fresh grains weight and 100 grains weight) yield all that which led to a significant increment of the yield of the treatment with polymers that I overcome the witness in 14%. In treatment 1 without polymers, to maintain the soil moisture level had to apply four irrigation more and the volume of water consumed was superior in 984,0 m3·ha–1. The water agronomic productivity with wetting agent was 2,98 kg·m–3 and without polymers 1,77 kg·m –3. From the economic point of view a better relationship benefit–cost is achieved was to apply polymers with a value of 3,89, evidencing its possible application under production conditions.

INTRODUCCIÓN

La agricultura consume anualmente el 70% del agua disponible en el planeta; esto es debido a dos factores fundamentales; primero, la gran demanda de agua por unidad de producción que requieren los productos agrícolas, y segundo, las eficiencias globales en la aplicación de riego (Herrera et al., 2011). En Cuba los recursos hídricos no son abundantes, por lo que requieren de un uso cada vez más racional. Un análisis comparativo efectuado por Herrera et al. (2011) sobre la demanda de agua asignada para las actividades agrícolas de Cuba en el período comprendido entre el 2007 y el 2010 refleja que en el 2007 el agua total asignada para dichas actividades constituía el 36% (2.157,120 hm3) del total del país mientras que ya, en el 2010 y 2011 este porcentaje ascendió al 44 y 47%, respectivamente.

En la agricultura de regadío, la práctica de riego es uno de los procesos más complejos que debe realizar el agricultor debido a la multitud de factores implicados en el manejo del agua, requiriéndose de información técnica para el conocimiento preciso entre el agua usada y el rendimiento de los cultivos (García et al., 2009; Domínguez et al., 2012).

El cultivo del maíz está considerado como uno de los prioritarios en el programa de producción de granos para la sustitución de importaciones que lleva a cabo el estado cubano. En nuestro país se cultivan unas 130.000 ha de maíz con un rendimiento de grano de 1,2 t·ha–1 para el consumo, a pesar de contar con variedades e híbridos con adaptación climática y alto potencial de rendimiento (Rodríguez et al., 2013), aunque en condiciones experimentales se han logrado rendimientos entre 3,9 y 8,3 t·ha–1 según González et al. (2014). Esta especie puede sembrarse en cualquier época del año, aunque su mejor rendimiento se obtiene durante la estación seca.

Socorro et al. (1989) y Rodríguez et al. (2013), consideran que el consumo de agua del maíz varía según el sub período de desarrollo y resultan críticos los de germinación, brotación, floración y formación del grano, siendo este último donde más se acentúa el consumo diario de agua. Para lograr el máximo rendimiento de la planta se debe contar con el agua necesaria, no se deben producir ni exceso ni déficit en cuanto al riego.

Los hidrogeles o polímeros súper absorbentes han sido propuestos ampliamente en los últimos años para uso agrícola con el objetivo de mejorar la disponibilidad de agua para las plantas incrementando las propiedades de retención de agua siendo utilizada en diversos sectores, como la agricultura y la arquitectura paisajística, logrando reducir el consumo de agua hasta un 50%, Rivera y Mesías, (2017). Las dosis recomendadas varían de 5 a 25 kg·ha–1, en función del tipo de suelo, cultivo y clima, según el fabricante (SNF Inc., 2011). Adicional al efecto de retención del agua en el suelo, estos productos mantienen temperaturas que fomentan un mejor desarrollo de las plantas, con el consecuente efecto en rendimiento, como se ha mostrado experimentalmente en cultivos como acelga por Gutiérrez et al. (2008), plántulas forestales (Maldonado–Benítez et al., 2011), soya (Galeş et al., 2012), plantas forestales (Ríos–Saucedo et al., 2012), apio (Kosterna et al., 2012) y recientemente en tomate para condiciones de organopónico en Cuba por Cisneros et al. (2018).   

Teniendo en cuenta todo lo anterior el presente trabajo tiene como objetivo evaluar la influencia de los polímeros súper absorbentes en el desarrollo morfológico, el rendimiento y la eficiencia en el uso del agua para riego en el cultivo del maíz (Zea Mays L), plantado en un suelo Ferralítico Rojo compactado.

PARTE EXPERIMENTAL

El estudio se llevó a cabo en la estación experimental del Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), situada en el municipio Alquízar, con coordenadas: Latitud 22°46′ N y Longitud 82°37′ W, a 6 m sobre el nivel medio del mar a 9,81 km de la costa Sur. La zona presenta una temperatura media anual en el orden de los 23 a 25°C, con una velocidad del viento 1,2 m·s–1. La humedad relativa es del 80% y las precipitaciones tiene como promedio anual los 1 531 mm, de los cuales el 68% (1.044,4 mm) se distribuyen entre los meses de mayo y octubre, correspondientes al período lluvioso y el restante 32% (486,4 mm) corresponden al período seco, que se extiende desde el mes de noviembre hasta el mes de abril. Durante el período seco el balance de lluvia y evapotranspiración potencial de la zona es negativo por lo que el riego es imprescindible para la obtención de buenos rendimientos agrícolas

El suelo está clasificado como Ferralítico Rojo compactado (Instituto de Suelos, 1980) y el mismo ha sido ampliamente estudiado y caracterizado en cuanto a sus propiedades físicas y químicas por Cid et al. (2011). Destacándose hasta la profundidad de 0,60 m el Límite Superior de Agua Disponible (LSAD) en el suelo de 0,412 cm3 cm–3; la densidad real a capacidad de campo de 1,22 g cm–3 y la velocidad de infiltración básica de  4,9 m·día–1.

El agua utilizada para el riego es de origen subterráneo cársica, característica de la zona Sur de Artemisa. Según la Norma Cubana NC 1048 (2014), con valor de CE 0,83 dS·m–1, a una temperatura de 25°C, se clasifica como categoría I, para un suelo Ferralítico Rojo compactado no presentan restricciones ni limitaciones de uso.

Generalidades del cultivo a estudiar. El cultivo utilizado fue el maíz (Zea mays L), variedad Tuzón. La siembra se realizó en enero del 2019 y el marco de plantación utilizado fue de 0,90 m entre hileras y 0,25 m entre plantas. El área de la parcela experimental o zona de muestreo es de 5,40 m2.

Se aplicó una dosis de fertilizante de 150 kg de N, 90 kg de P2O5 y 100 kg de K2O adecuada a estas condiciones. A los 30 días se aplicó 1/3 de fertilizante nitrogenado, según Rodríguez (2013).

Las atenciones culturales se realizaron según lo planteado por Rodríguez (2013) en el Instructivo técnico para la producción de semillas de maíz.

El riego se aplicó cuando la humedad del suelo alcanzó el 85% de la capacidad de campo en valores de tensión 20 kPa, correspondiente a un suelo Ferralítico Rojo compactado (Herrera et al., 1986).

Tratamientos y diseño experimental. El diseño experimental utilizado fue la línea central de aspersores propuesto por Hanks et al. (1976) (citado por Roque et al., 1989). Roque (1995) utilizó este diseño para evaluar la respuesta al riego en la papa y los mismos plantean que la uniformidad a lo largo de las parcelas es, aproximadamente, el 10% del diámetro humedecido, aunque se puede utilizar hasta el 25%. En nuestro caso se utilizó un espaciamiento de 12·12 m que se corresponde con un solapamiento de 100% entre aspersores en la misma línea y una intensidad de aplicación de 7,7 mm·h–1 cuando el aspersor trabaja a una presión de 250 kPa. Los tratamientos consistieron en: T1 Testigo y T2 con polímero.

El área total donde se realizó el trabajo es de 0,46 ha, dividida en 2 áreas de 0,23 ha por tratamientos. El polímero utilizado es acrilato de potasio con una capacidad de absorber hasta 500 veces su peso en agua y su composición: 90% poliacrilamida, 10% aditivos (acrilatos de potasio y silicatos de aluminio humedad 5,87% (Aqua Warehouse, 2009) y se aplicó junto al fertilizante en la siembra del cultivo a razón de 10 g por metro lineal según indica el fabricante equivalente a 30 kg para el área de prueba (0,23 ha).

Para la comparación entre las medias se tomaron cuatro surcos en cada zona de muestreo y seis plantas por surcos. La selección de la zona dentro del lateral se realizó de forma aleatoria, a las cuales se les hicieron las mediciones fenológicas y se analizó el rendimiento con sus componentes.

En la Figura 1 se puede observar en el lateral las posiciones a evaluar:

  • Tratamiento 1 (testigo) los aspersores 3, 6, 9, y 10.
  • Tratamiento 2 (con polímeros) los aspersores 1, 3, 8, y 10.
Figura 1. Esquema del área de estudio con las posiciones a evaluar.
Figura 2. Foto tratamiento 1, sin polímeros
Figura 3. Foto tratamiento 2, con polímeros

Durante el desarrollo del cultivo se realizaron mediciones de altura de las plantas, diámetros de tallo, número de hojas, cada 7 días. La cosecha se realizó en mayo 2019, a los 130 días después de germinada, se determinó el rendimiento y sus componentes (peso de las mazorcas, diámetro, longitud, número de granos, peso de 100 granos, peso de los granos).

Los datos fueron procesados mediante análisis de varianza (ANOVA). Las diferencias entre las medias de los tratamientos estudiados se determinaron según la prueba de comparación múltiple de Tukey HSD con un 95% de confiabilidad.

La productividad agronómica del agua de determinó según Molden et al., (2003): mediante la expresión:

Ecuación 1

donde WPI es la  productividad agronómica del agua utilizada por riego (I) (kg·m–3); I elriego aplicado (m3) y R el rendimiento (kg).

Para el análisis económico se utilizó la relación beneficio/costo (B/C) propuesta porMuños (2007), como indicador muy útil para recomendar la pertinencia de la utilización de los polímeros en condiciones de producción (expresión 2) se calcula utilizando la expresión

Ecuación 2

donde B·b es el beneficio bruto marginal (peso·ha–1) = Rendimiento agrícola marginal (t·ha–1)· precio unitario del producto, y C·R el costo por riego (peso·ha–1) = Sumatoria de los gastos (agua, energía, salario y precio del polímero).

Para la determinación de las partidas diferenciales y los importes obtenidos durante la fase experimental se utilizaron las siguientes fuentes y en todas se tomó como unidad la hectárea.

El precio del polímero es 21 €/kg–1 (tasa de cambio 1,0886 CUC, vigente 27/5 – 28/5/2019) equivalente a 571,5 CUP·kg–1, el precio del agua subterránea es 0,29 CUP por la capacidad instalada, según Resolución 421/2015. Nuevas tarifas de agua en el Sector Estatal del Ministerio de Finanzas y Precios, el precio unitario del maíz consumo es 150,0 peso qq–1 equivalente a 3.300 peso·t–1 según Resolución No. 27/2017 del Ministerio de Finanzas y Precios. El valor energía equivalente (0,29 pesos/kw·h–1). Departamento de Energía Minag (2014), y el Salario, se consideró las jornadas dedicadas por los participantes según sus salarios básicos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Comportamiento de la dinámica de humedad en el suelo para ambos tratamientos. Con la finalidad de conocer la dinámica de humedad en el suelo durante el desarrollo de la investigación se realizaron lecturas con tensiómetros a diferentes profundidades de 0,15; 0,30, y 0,45 m; en la Figura 4, se puede apreciar que, para el tratamiento con polímeros, la misma se mantuvo entre el límite superior de agua disponible (LSAD) 0,412 cm3·cm–3 y el límite inferior de agua disponible (LIAD) 0,284 cm3·cm–3, teniendo en cuenta que el mismo se fijó al 85% del LSAD. En este tratamiento se ejecutaron 9 riegos con norma parcial neta de 246,0 m3·ha–1 y norma total de 2.214,0 m3·ha–1, el intervalo de riego promedio fue de 6 días.

En trabajos realizados por Reza y Mojaddam (2015), donde examinan el efecto que en el intervalo de riego tienen los polímeros, informan que estos aumentan en función de la cantidad aplicada y que el mayor intervalo se obtiene cuando aplican 150 kg por hectárea, resultando una función económica aceptable. Similar influencia obtuvieron Shekariet al. (2015) valorando el efecto de los polímeros súper absorbentes en el rendimiento y sus componentes en semillas de colza, donde plantean que el intervalo de riego aumenta con la cantidad aplicada de hidrogel. En trabajo más reciente efectuado por Güneşet al. (2016) en Turquía, evaluando el efecto de diferentes niveles de fertilización, aplicación de polímeros y contenidos de agua en el suelo para el cultivo del maíz, encontraron diferencias significativas en cuanto al contenido de agua disponible en el suelo y el intervalo de riego e informan que se incrementa hasta 11 días el intervalo de riego con respecto al control, donde se logra además  una mejor respuesta al rendimiento del cultivo, con una evidente economía en el uso del agua para el riego.

Figura 4. Comportamiento de la humedad en el tratamiento con polímeros (T2).
Figura 5. Foto de Tensiómetros en tratamiento 1.
Figura 6. Foto de Tensiómetros en tratamiento 2.

En valores de tensión el cultivo del maíz se mantuvo, en valores de tensión entre 0 y 20 kPa a la profundidad de 0,30 m, profundidad que indicaba el momento de riego por ser donde se concentra el mayor porcentaje de raíces activas del cultivo. En esta zona el agua se encuentra a una menor tensión lo que implica un menor esfuerzo por la planta para extraer la necesaria y poder desarrollar todas sus funciones vitales, en estudios similares realizados por Cannazza et al. (2014) demostraron que estos valores de tensión se corresponden con contenidos de agua en este tipo de suelo que favorecen el crecimiento y desarrollo del cultivo al existir una mayor disponibilidad de agua para las plantas.

El agua es esencial para el crecimiento, la actividad metabólica y la supervivencia de las plantas. Muchos organismos, entre ellos los vegetales, dependen para sobrevivir del agua disponible más que de cualquier otro factor ambiental, y su déficit incide negativamente en los bajos rendimientos de los cultivos (Taiz y Zeiger, 2006). En la Figura 7, tratamiento sin polímeros ocurre algo similar, el contenido de agua en el suelo se mantuvo entre el LSAD y el LIAD. En valores de tensión también a la profundidad de 0,30m la humedad en el suelo estuvo en tensiones entre 0 y 20 kPa o Cbar. Para dicho tratamiento se ejecutaron 13 riegos con norma parcial neta de 246,0 m3·ha–1 y norma total de 3.198,0 m3·ha–1, el intervalo de riego promedio fue de 4 días.

Figura 7. Comportamiento de la humedad en el tratamiento sin polímeros (T1).

Al comparar ambos tratamientos se tiene que para el tratamiento 1 (testigo) fue necesario aplicar cuatro riegos más para mantener el mismo nivel de agua en el suelo favorable para el desarrollo cultivo, que en el tratamiento 2 (con polímeros), además  la frecuencia de riego es mayor (cada 2 días) y el volumen de agua consumido también es superior en 984,0 m3·ha–1, lo que confirma las bondades del hidrogel para un uso eficiente del agua. Resultados similares fueron obtenidos en sorgo, maíz y frijol por Najafinezhad et al. (2014), Dehkordi (2015) y Satriani et al. (2018), respectivamente.  

Según Palacios (2009), la capacidad de usar la humedad presente en el suelo, que de otra manera no sería disponible para las plantas, es una de las mayores ventajas del uso de los polímeros. Los suelos arcillosos, por ejemplo, retienen una gran parte del agua, pero menos de la mitad de ésta es disponible para las raíces, con estos productos más del 95% del agua retenida por el hidrogel está disponible para las raíces. El hidrogel absorbente funciona en cualquier tipo de suelo. De hecho, varios estudios han demostrado que se puede cultivar directamente en el hidrogel sin usar tierra o sustrato.

 Efecto del hidrogel en el desarrollo morfológico del cultivo por tratamientos. En la  Tabla 1 se muestra el efecto del hidrogel en el desarrollo morfológico del cultivo por tratamientos, en la misma puede observarse el incremento significativo  en cuanto a la altura de la planta y número de hojas a favor del tratamiento donde se aplicó el hidrogel, mientras que en  diámetro del tallo no se encontró diferencia significativa. Lo anterior indica el efecto positivo del hidrogel en la morfología de la planta, asociado a un efecto del mismo sobre la conservación de la humedad en el suelo. Lobell y Field (2007) y Reza y Arjmandinejad (2010) han señalado al déficit de humedad en el suelo como  uno de los factores más significativos que limita la producción del cultivo del maíz. La sequía puede afectar al conjunto de funciones fisiológicas de las plantas como son: fotosíntesis, nutrición mineral, morfogénesis, entre otras. Las respuestas de las plantas al estrés por sequía son mecanismos complejos que incluyen cambios moleculares y se extienden a todo el metabolismo de las plantas influyendo en la morfología y fenología de éstas.

Tabla 1. Comportamiento de las variables morfológicas por tratamientos.

En trabajo realizado por Anderson (2009) comenta que un contenido de humedad en el suelo adecuado influye en el crecimiento de las plantas, porque el agua y los nutrientes se encuentran disponibles en la zona de las raíces para una óptima absorción.

Figura 8. Foto Maíz sin polímeros.
Figura 9. Foto maíz con polímeros.

Comparación entre el rendimiento y sus componentes del maíz en los diferentes tratamientos. Como se puede observar en la Tabla 2, no existen diferencias desde el punto de vista estadístico entre los tratamientos en cuanto a la cantidad de mazorcas por plantas, diámetro de la mazorca, longitud de las mazorcas. Con la presencia de hidrogel en el suelo el peso de la mazorca fue mayor en un 21%. El número de granos por mazorca, el peso fresco de los granos y el peso de 100 granos fueron superiores también.

Tabla 2. Resumen de los componentes del rendimiento entre los tratamientos.

Resultados obtenidos por Khodadadi (2015), utilizando la variedad de maíz SCKaroun701, muestran que el cultivo responde de manera negativa en el rendimiento cuando es sometido a estrés hídrico debido al efecto del cierre de las estomas para reducir el proceso bioquímico de absorción de CO2 lo que redujo también la fotosíntesis y por lo tanto el número de granos en la mazorca, el peso de mil semillas y el rendimiento total.

Con los valores mostrados en la Tabla 3 se puede apreciar que con la aplicación de polímeros súper absorbentes se logra un rendimiento estimado de 6,59 t·ha–1, superior en 0,93 t·ha–1 al testigo, mostrando su posible aplicabilidad en las condiciones de la agricultura cubana.

Tabla 3. Rendimiento estimado del cultivo por tratamientos.

Desde el punto de vista de productividad agronómica del agua se tiene que en el caso del tratamiento T1 (testigo) la misma es de 1,77 kg·m–3, mientras que para el tratamiento T2, donde se aplicó el polímero la misma alcanza un valor de 2,98 kg·m–3, valores similares fueron obtenidos por González et al. (2015) donde informa como valor potencial 2,68 kg·m–3 para el maíz en experimentos de campo llevados a cabo en Cuba en el periodo 1971–2007.

Figura 10. Foto producción sin polímeros.
Figura 11. Foto producción con polímeros.

Análisis económico para definir la pertinencia de la aplicación del polímero a través de la relación beneficio – costo (B/C). Al analizar la pertinencia de la utilización del polímero para las condiciones de estudio se muestra en la Tabla 4, que con la aplicación del hidrogel se logra una mejor relación beneficio–costo con respecto al tratamiento sin hidrogel lo que confirma desde el punto de vista económico la viabilidad de su utilización.

Tabla 4. Relación beneficio–costo por tratamientos.

Resultados similares fueron informado por Cisneros et al. (2018) en un estudio realizado con polímeros en condiciones de organopónicos donde obtuvo relaciones beneficio–costo entre 3,89 y 3,54 para los tratamientos donde se aplicó el producto. Por su parte, González et al. (2015a) estudiando estrategias de eficiencia del riego en el maíz, informan que con la estrategia de máxima eficiencia del riego se logra una relación beneficio–costo estimada de 3,38, superior en 2,5% a la estrategia de maximizar la producción por unidad de superficie.

CONCLUSIONES

  1. Los polímeros ejercen un marcado efecto en el desarrollo morfológico del maíz al lograrse una mayor altura de la planta y número de hojas, en el tratamiento 2, con respecto al testigo.
  2. En cuanto a los componentes del rendimiento se encontraron diferencias significativas en el peso de la mazorca, número de granos por mazorcas, peso fresco de los granos y peso de 100 granos a favor del tratamiento 2, lo que condujo a un incremento del rendimiento en 14%.
  3. El incremento de rendimiento alcanzado en el tratamiento 2 se obtuvo con la aplicación de 4 riegos menos en relación al tratamiento testigo, un intervalo de riego de 6 días, ahorro de agua del 28%, propiciando una productividad agronómica del agua 40% superior.
  4. La relación beneficio–costo a favor del tratamiento con polímeros súper absorbentes de 3,89 en comparación al tratamiento sin polímeros de 2,12; muestra la viabilidad de su aplicación en condiciones de agricultura convencional.

Agradecimientos. A todos los técnicos y obreros de la estación experimental del Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric) por el apoyo prestado en las diferentes actividades desarrolladas durante el trabajo investigativo.
A Luciano Vidal de AZCUBA por facilitar el polímero utilizado en la investigación desarrollada.

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