Impacto de diferentes fechas de siembra y niveles de riego en la absorción de NPK, el rendimiento y la eficiencia en el uso del agua del maíz

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12956 (2023) Citar este artículo

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El Alto Egipto experimenta altas temperaturas durante el verano y bajas durante el invierno, lo que afecta significativamente las fechas de siembra del maíz en esta región. La productividad de los cultivos de maíz y la eficiencia en el uso del agua pueden verse muy afectadas por el estrés hídrico y las fechas de siembra (SD). Por lo tanto, es crucial determinar el nivel de riego óptimo y las DE en función de las condiciones locales. Para evaluar los efectos, se emplearon dos niveles de riego: (1) control (aplicación total del agua de riego) y (2) 70% del agua de riego. Los experimentos de campo se llevaron a cabo en la estación del complejo de investigación y estudios del agua del Centro Nacional de Investigación del Agua en Toshka. El objetivo era evaluar dos niveles de riego (riego total y limitado) en cinco SD (temprano: mediados de febrero y marzo, normal: mediados de junio y tardío: mediados de agosto y septiembre) tanto en 2019 como en 2020, con el fin de identificar la fecha ideal de siembra (SD) y el nivel de riego. La SD normal resultó en un aumento en la duración de la temporada de crecimiento entre la emergencia y la madurez de las plantas. Por el contrario, la SD tardía redujo el número de días hasta la madurez de la planta, lo que resultó en mayores rendimientos de grano y eficiencia en el uso del agua (UE). En particular, la SD en septiembre, junto con el nivel de riego del 70%, produjo la mayor productividad y UEA, con una productividad de 7014 kg ha-1 y una UEA de 0,9 kg m-3. Con base en los hallazgos, se recomienda que regiones con condiciones similares consideren cultivar semillas de maíz en septiembre, adoptando un nivel de riego del 70%, para lograr una absorción óptima de N, características de crecimiento (altura de la planta, longitud de las mazorcas, peso de las mazorcas, número de hileras por mazorca). , e índice de peso del grano), rendimiento y WUE.

El agua desempeña un papel fundamental en la producción agrícola y es uno de los recursos más valiosos, siendo la agricultura el mayor consumidor de agua1. El desafío del cambio climático afecta a diversos sectores de la sociedad, incluida la agricultura, los recursos hídricos y la demanda de agua de riego2,3. La agricultura, como fuente principal de alimentos sostenibles, se ve significativamente afectada por el cambio climático y los fenómenos meteorológicos extremos, como las fluctuaciones de temperatura, las precipitaciones irregulares y la escasez de agua4,5. Estos cambios tienen efectos adversos sobre la productividad, los recursos hídricos y la calidad nutricional de los productos agrícolas, provocando fluctuaciones en la producción de alimentos y planteando una amenaza a la producción constante y sostenible de alimentos a base de cereales6. Por lo tanto, Baum Mitch et al.7 señalaron que el cambio climático ha afectado la fecha óptima de siembra del maíz y un aumento de 1 °C en la temperatura promedio aumenta el período de la temporada de crecimiento en diez días mientras que la fecha óptima de siembra cambió de -2 a +6 días. , según el cultivar. Por lo tanto, las estrategias de adaptación de los sistemas agrícolas son esenciales para abordar las consecuencias del cambio climático en la demanda de agua de riego8.

El estrés hídrico es un factor inevitable que existe en diferentes entornos, sin tener en cuenta las fronteras y sin proporcionar advertencias claras. Obstaculiza el rendimiento, la calidad y la producción de biomasa de los cultivos9. El estrés hídrico tiene impactos perjudiciales en las plantas, incluido retraso en el crecimiento, reducción de la fotosíntesis e inhibición de procesos bioquímicos esenciales10. En respuesta al estrés hídrico, las plantas emplean diversas estrategias para protegerse, que van desde reacciones esenciales hasta reacciones auxiliares11. Estas respuestas permiten que las plantas se adapten a corto plazo para hacer frente al estrés hídrico temporal. Sin embargo, un estrés hídrico severo o prolongado puede afectar negativamente el crecimiento y el rendimiento de las plantas12. Además, los efectos del estrés hídrico en la agricultura se ven agravados por los recursos hídricos limitados y una creciente demanda mundial de alimentos debido al alarmante crecimiento demográfico13. En consecuencia, Soares et al.2 enfatizaron la necesidad de una producción sostenible para satisfacer las demandas de una población global en crecimiento. Investigadores anteriores estudiaron el impacto de varios niveles de riego en el rendimiento del maíz y la UEU14,15. Demostraron que la productividad del maíz estaba correlacionada negativamente con los niveles de riego. Donde, cantidades inadecuadas o excesivas de agua de riego limitarán el rendimiento del maíz y la UEU16,17. Elshamly15 observó que el régimen hídrico afectó negativamente la absorción de P, lo que resultó en una reducción de la eficiencia de las raíces, el crecimiento y otras características vegetativas y de rendimiento, mientras que el contenido de N, K y proteína aumentó. Por lo tanto, Kulczycki18 concluyó que “aunque el maíz como otra planta C4 es altamente eficiente en UEA, sigue siendo susceptible a los impactos de la disponibilidad de agua”.

Liaqat et al.19 descubrieron que la SD influyó significativamente en la fenología del cultivo, específicamente en la formación de borlas y estrías. El momento de la siembra juega un papel crucial para maximizar el rendimiento del maíz y determinar la calidad del grano20, lo que ha llevado a una extensa investigación sobre la respuesta del rendimiento del maíz a diferentes SD21. Además, el entorno de cultivo también puede afectar la calidad y composición de los granos de maíz22. Djaman et al.23 observaron un efecto notable de la DS sobre el rendimiento del maíz y sus componentes. Donde la SD temprana mejora la productividad del grano y la calidad del maíz a medida que las plantas alcanzan su madurez fisiológica antes del inicio de las bajas temperaturas de otoño o invierno23. En las temporadas de kharif y verano, el retraso en la siembra dio lugar a una reducción de los días hasta la formación de espigas, la formación de estrías, la duración de la cosecha, la relación entre el peso fresco de las hojas y el peso total del ensilado y, en última instancia, el rendimiento del grano24. En este sentido, Parker et al.25 demostraron que la SD temprana del maíz se correlacionaba con condiciones climáticas y de suelo potencialmente óptimas, mientras que la SD tardía expone a las plantas de maíz a un período de crecimiento más corto, bajas temperaturas y radiación solar de bajos ingresos. Además, las condiciones ambientales subóptimas pueden limitar la producción de semillas a través de procesos asincrónicos (por ejemplo, impactos adversos en la tasa de crecimiento de los cultivos y la fenología, lo que dificulta la absorción de macronutrientes y los procesos de síntesis15,26).

En Egipto, el período de siembra recomendado para el maíz es entre el 20 de mayo y el 30 de mayo de 2019,27. De manera similar, estudios realizados por28,29,30 han indicado que el maíz sembrado durante la segunda semana de agosto en regiones áridas como el distrito de Toshka mejora positivamente el rendimiento del maíz y sus componentes.

Dada la escasez de agua en Egipto y la importancia del maíz como cultivo oleaginoso y forrajero, este estudio tiene como objetivo determinar los requisitos óptimos de agua y DS para el cultivo de maíz en zonas áridas.

En el sur de Egipto, se llevó a cabo un experimento de campo abierto en la granja experimental de la estación de investigación y estudios del agua, Egipto, durante las dos temporadas sucesivas de 2019 y 2020, para estudiar el efecto de definir la fecha óptima de siembra y el nivel de riego bajo condiciones extremadamente áridas. Las muestras de suelo se recolectaron a profundidades de 0 a 30 y de 30 a 60 cm. Las muestras de suelo se almacenaron en una caja y se llevaron al laboratorio, donde se secaron al aire a temperatura ambiente. Posteriormente, estas muestras de suelo se trituraron y tamizaron a través de un tamiz de 2 mm para eliminar la grava y los residuos vegetales gruesos y se prepararon para determinar las propiedades fisicoquímicas y el estado del agua. Utilizando el medidor de pH/CE/TDS/Salinidad Systronics 372 a 25 °C, se determinó el pH y la conductividad eléctrica (CE) del suelo siguiendo el protocolo elaborado por Janke et al.31. La distribución del tamaño de las partículas del suelo se determinó utilizando el método de la pipeta, mientras que las clases de textura del suelo se determinaron utilizando los métodos desarrollados por el personal de estudio de suelos del USDA32. La textura del suelo experimental es arenosa. Mientras que las muestras de suelo restantes se pasaron por un tamiz de 0,5 mm y se utilizaron para determinar el resto de las propiedades físicas y químicas que se dan en la Tabla 1, siguiendo métodos estandarizados Estefan et al.33. En el sitio experimental la fuente de agua de riego es agua subterránea a través de un pozo, según el análisis de calidad del agua se ha clasificado como C2S134.

La zona estudiada se encuentra en una zona hiperárida con un invierno suave y un verano caluroso (la temperatura media del mes más caluroso es de 18 a 34 °C), con las precipitaciones más bajas35. Las Tablas 2 y 3 presentan los promedios de los datos meteorológicos recopilados de la estación meteorológica de Toshka durante las temporadas de crecimiento.

Para cumplir con el propósito del presente estudio bajo sistema de riego por goteo, se optó por un diseño de parcela dividida con cinco repeticiones, siendo el SD temprano (mediados de febrero—fecha1), normal (marzo-fecha2 y mediados de junio—fecha3) y tardías (mediados de agosto—fecha4 y septiembre—fecha5) en 2019 y 2020) se asignaron en la parcela principal, y dos de los niveles de agua de riego, es decir, 100 y 70% de los requerimientos hídricos. Del instituto de cultivos extensivos del centro de investigación agrícola de Egipto se obtuvo un híbrido triple Giza 352 de semillas de maíz. Este cultivar se recomienda como cultivar comercial de alta producción. Además, este cultivar y los métodos implementados en la investigación actual cumplieron con las directrices y la legislación internacionales, nacionales e institucionales. El manejo de la fertilización y las prácticas de campo se implementaron según lo recomendado por el Ministerio de Agricultura de Egipto para los suelos recientemente recuperados. El cultivar de maíz era un híbrido resistente a la marchitez tardía y la cosecha se realiza entre 110 y 120 días después de la siembra. A razón de 35 kg ha-1, se sembraron dos semillas de maíz en colinas a un lado del chorro del gotero con una separación entre las plantas de maíz de unos 20 cm, mientras que la separación entre hileras fue de 50 cm, con una profundidad de 5 cm, y la longitud de las líneas laterales fue de 4 m. Después de 2 semanas de emergencia, las plantas se ralearon para mantener una planta por colina y una densidad de población de 10 plantas m-2 (100.000 plantas ha-1). El tamaño de la parcela fue de 5 × 3,5 m, por lo que el trabajo experimental involucró 50 parcelas {2 niveles de riego × 5 DE × 5 repeticiones}. Además, las unidades experimentales estaban delimitadas con una zona de amortiguamiento (2 m de ancho) para evitar interacciones. Las plantas de maíz se regaron mediante un sistema de riego por goteo y cada parcela de riego contó con una válvula manómetro para mantener la presión de funcionamiento en 1 bar. Se empleó un medidor de flujo con una descarga de 25 m3 h–1 para medir la cantidad objetivo de agua de riego para cada régimen de riego.

Ingresando los datos meteorológicos obtenidos de la estación agrometeorológica de Toshka, en CROPWAT, que es un paquete de software que utiliza Fao Penman–Monteith36, para calcular la ETo diariamente a partir de los datos climáticos medidos. Luego se calculó la ETc de acuerdo con la siguiente ecuación:

donde ETc = la evapotranspiración del cultivo (mm). ETo = evapotranspiración de referencia (mm). kc = coeficiente de cultivo (que según37 equivalía a 0,24, 1,04 y 0,58 para Kcini, Kcmid y Kcend).

El cálculo de los requerimientos de agua de riego (100% Ir) fue según la ecuación de Abd El-Wahed y Ali38 de la siguiente manera

donde Ir = los requerimientos de agua de riego (mm). A = el área de la parcela (m2), Etc = la evapotranspiración del cultivo (mm). Ii = los intervalos entre riegos (día), Kr = el coeficiente de cobertura (Kr = (0,10 + Gc) ≤ 1) para Abd El-Mageed et al.39, Gc es la cobertura del suelo. Lf = factor de lixiviación 10% (dado que la conductividad eléctrica del suelo es baja, se despreció Lf). Ea = la eficiencia del sistema de riego se calculó para una profundidad de suelo de 60 cm según Hiekal40 como valores medios de los eventos de riego 3.º, 7.º, 17.º y 25.º según la ecuación

donde Ea = eficiencia de aplicación de agua (%). Ws = cantidad de agua almacenada en la zona radicular (m3 ha−1), la cual se calculó según Aiad41. Wf = cantidad de agua entregada a cada parcela (m3 ha−1).

Antes de iniciar el estudio, se midieron los parámetros hídricos del suelo mediante el método gravimétrico como lo menciona Vaz et al.42, luego se registraron las declinaciones en la humedad del suelo hasta llegar al 50% del agua disponible, lo que estudios previos demostraron que era el factor crítico. límite de rendimiento. En consecuencia, en base a este conocimiento el riego fue cada 2 días. Además, las cantidades de agua de riego aplicadas del tratamiento (70% Ir) se obtuvieron proporcionalmente del tratamiento (100% Ir). Las cantidades calculadas de ETc e Ir que se aplican a los cultivos de maíz en las diferentes etapas de crecimiento durante las temporadas de crecimiento de 2019 y 2020 se muestran en el Cuadro 4.

La WUE se calculó utilizando la siguiente fórmula:

donde WUE = eficiencia en el uso del agua (kg m-3), Y = rendimiento (kg ha-1) y ETc = evapotranspiración real estacional (m3 ha-1).

En la cosecha, se registraron las siguientes mediciones en cinco muestras seleccionadas al azar de cada parcela: Altura promedio de la planta (cm)—Longitud promedio de la mazorca (cm)—Número promedio de mazorcas planta-1—Peso promedio de la mazorca (g)—Número promedio de hilera de mazorca-1: índice de peso de grano promedio de 1000 (g) ajustado al contenido de humedad del 15,5 %; el rendimiento de grano se determinó para cada parcela y luego se convirtió a kg ha-1.

En la cosecha, tres granos de maíz de cada parcela se secaron a 65 °C en un horno de aire forzado durante 48 h y luego se molieron hasta obtener un polvo. Las muestras fueron digeridas por una mezcla de H2SO4/H2O2. Utilizando microequipos, Kjeldahl como se describe en 43. En contraste con la medición de P usando un espectrofotómetro UV-VIS y la determinación de K con un fotómetro de llama, como se describe en 44,45.

Los carbohidratos totales se determinaron según lo descrito por El-Katony et al.46. El porcentaje de proteína se estimó multiplicando el contenido de N en granos (%) con un coeficiente de 6,2547. La fibra se determinó según el procedimiento de 48. Por otro lado, el contenido de aceite en el grano de maíz se midió mediante la siguiente fórmula descrita por Bai et al.49:

Se estableció un análisis de varianza (ANOVA) para determinar las diferencias estadísticamente significativas utilizando el paquete Costat versión 6.303. Las medias se separaron mediante una prueba de diferencia mínima significativa (LSD) revisada al nivel de 0,05.

Las condiciones climáticas diarias durante el período de experiencia 2019-2020 se muestran en las (Tablas 2 y 3). Las temperaturas máximas, mínimas y medias aumentaron a partir del 1 de enero de 2019, valores máximos en junio y valores mínimos a finales de diciembre de 2019 a principios de enero de 2020. Una tendencia similar se observó en 2020. La temperatura media mensual del aire osciló entre 16,58 ° C (enero de 2019-2020) a 35,2 °C y 33,14 °C (julio de 2019-2020). La humedad relativa más baja se registró en mayo de 2019, donde registró 15.3%, mientras que su valor más bajo se registró en 2020 en el mismo mes, la humedad relativa más alta se registró en septiembre de 2019, donde registró 40.6%, mientras que su valor de altura fue registrado en 2020 en el mismo mes que fue del 43,4%. La velocidad del viento más alta y más baja en 2019 se registró en septiembre y noviembre y fue de 3,70 y 2,70 ms-1, respectivamente, mientras que las velocidades del viento más baja y más alta se registraron en 2020 en febrero y agosto, fueron 2,75 y 3,48 ms-1. , respectivamente. La temperatura promedio disminuyó durante febrero, luego este promedio aumentó durante marzo para alcanzar el grado más alto durante junio, luego comenzó a disminuir en agosto y septiembre de 2019. Lo mismo ocurrió en 2020, pero las temperaturas promedio más altas se registraron en agosto. La temperatura media del aire de febrero de 2019 a febrero de 2020 fue de 15,95 °C y 17,27,6 °C, respectivamente. Mientras que las temperaturas promedio del aire en septiembre de 2019 y 2020 fueron de 30,65 y 31,65 °C, respectivamente. La temperatura del aire en mayo de 2020 fue un 47,2% más alta que en mayo de 2019. La fecha5 también se caracterizó por temperaturas del suelo más altas que el resto del SD.

La Tabla 4 representa el efecto de la SD sobre la ETc, Ir y la duración de la temporada de crecimiento. La adopción de varias SD en este estudio afectó la ETc, Ir y la duración de la temporada de crecimiento. En cuanto a varios SD, la siembra de semillas de maíz en la fecha 2 SD aumentó la duración de la temporada de crecimiento a (115 días). Mientras que la duración más corta de la temporada de crecimiento se observó en la fecha 5 (101 días).

Los valores de ETc e Ir disminuyeron en las DE tempranas o tardías del maíz (fecha 1, fecha 4 y fecha 5) y luego aumentaron gradualmente hasta alcanzar los valores más altos en las DE normales (fecha 2 y fecha 3). Los valores máximos de ETc e Ir se observaron para la fecha 3 (1319,6 y 1584,0 mm para ETc e Ir, respectivamente). Y los valores mínimos se observaron para la fecha1 (639,6 y 752,4 mm para ETc e Ir, respectivamente). En general, está claro que la siembra de semillas de maíz a finales de los SD disminuyó gradualmente la ETc, la Ir y la duración de la temporada de crecimiento.

Como se puede observar en (Fig. 1A), los contenidos de N en el grano de maíz bajo diferentes SD fueron fecha2 > fecha3 > fecha5 > fecha4 > fecha1. El resultado mostró que cuando las DE fueron más tempranas (fecha1), las concentraciones de N en el grano de maíz disminuyeron. Por otro lado, los contenidos de N no cambiaron significativamente con el nivel de estrés por sequía en varios DE.

El impacto interactivo de las fechas de siembra y los niveles de riego sobre el nitrógeno (A), el fósforo (B) y el potasio (C). Las barras verticales representan ± error estándar (SE) de las medias (n = 5). Las barras con letras diferentes son estadísticamente significativas en p ≤ 0,05. Abreviaturas: fecha 1 (febrero); fecha 2 (marzo); fecha 3 (abril); fecha 4 (agosto) fecha 5 (septiembre). IR100% (aplicando el 100% de los requisitos de agua de riego; representa el nivel de riego total); IR 70 % (aplicando el 70 % de los requisitos de agua de riego; representa un nivel de riego limitado).

Por otro lado, al comparar la DE bajo diferentes niveles de riego, se obtuvieron mayores contenidos de N con la fecha de implementación 2 bajo los niveles de riego Ir100 e Ir70, aunque eso igualó significativamente la implementación de la fecha 3 bajo Ir100 e Ir70 o la fecha de adopción 5 x la adopción del nivel de riego Ir70. Asimismo, los contenidos de N más bajos se obtuvieron al implementar la fecha1 bajo niveles de riego Ir100 e Ir70.

En (Fig. 1B), al comparar la DE bajo diferentes niveles de riego, se obtuvieron mayores contenidos de P con la fecha de implementación 3 y la fecha 4 bajo niveles de riego Ir70. Asimismo, los contenidos de P más bajos se obtuvieron al implementar la fecha 5 bajo los niveles de riego Ir100 e Ir70, aunque eso igualó significativamente la implementación de la fecha 1 bajo los niveles de riego Ir100 e Ir70 o la fecha de adopción2 bajo Ir100.

Por otro lado, al comparar la DE bajo diferentes niveles de riego, se obtuvieron mayores contenidos de K con la fecha de implementación3 bajo niveles de riego Ir100 e Ir70. Asimismo, los contenidos de K más bajos se obtuvieron al implementar la fecha 1 bajo el nivel de riego Ir70 (Fig. 1C).

En (Fig. 2A), al comparar la SD bajo diferentes niveles de riego, se obtuvo una altura de planta más alta con la implementación de la fecha 1 bajo los niveles de riego Ir100 e Ir70, la fecha 2 y la fecha 4 bajo los niveles de riego Ir100, respectivamente, aunque eso igualó significativamente la implementación de la fecha 5 bajo Ir70. Asimismo, la altura más baja de la planta se obtuvo al implementar Date3 bajo niveles de riego Ir100 e Ir70.

El impacto interactivo de las fechas de siembra y los niveles de riego en la altura de la planta de maíz (A), la longitud de la mazorca (B) y el número de granos por mazorca (C). Las barras verticales representan ± error estándar (SE) de las medias (n = 5). Las barras con letras diferentes son estadísticamente significativas en p ≤ 0,05. Abreviaturas: fecha 1 (febrero); fecha 2 (marzo); fecha 3 (abril); fecha 4 (agosto) fecha 5 (septiembre). IR100% (aplicando el 100% de los requisitos de agua de riego; representa el nivel de riego total); IR 70 % (aplicando el 70 % de los requisitos de agua de riego; representa un nivel de riego limitado).

Como se ilustra en (Fig. 2B), los resultados mostraron que al comparar la DE bajo diferentes niveles de riego, la adopción de los niveles de riego Ir100 e Ir70 × (fecha 2 y fecha 5) igualó significativamente la adopción del nivel de riego Ir100 x (fecha 1 y fecha 4). , para lograr la mayor longitud de mazorca en el maíz. Si bien los datos indicaron que la longitud de mazorca más baja se registró al adoptar los niveles de riego Ir100 e Ir70 × fecha3.

Al comparar la DE bajo diferentes niveles de riego, se obtuvo un mayor número de granos con la fecha de implementación1 bajo el nivel de riego Ir100. Asimismo, el menor número de granos se obtuvo al implementar date3 bajo el nivel de riego Ir70 (Fig. 2C).

Como se puede ver en (Fig. 3A), para obtener el mejor número de hileras por mazorca de maíz, es igualmente efectivo adoptar los niveles de riego Ir100 e Ir70 × fecha de implementación2, que igualaron significativamente el nivel de riego Ir100 × fecha de implementación1. y fecha4 o nivel de riego Ir70 × fecha5.

El impacto interactivo de las fechas de siembra y los niveles de riego en el número de hileras por mazorca (A), el índice de grano (B) y el peso de la mazorca (C). Las barras verticales representan ± error estándar (SE) de las medias (n = 5). Las barras con letras diferentes son estadísticamente significativas en p ≤ 0,05. Abreviaturas: fecha 1 (febrero); fecha 2 (marzo); fecha 3 (abril); fecha 4 (agosto) fecha 5 (septiembre) IR100% (aplicando el 100% de los requisitos de agua de riego; representa el nivel de riego total); IR 70 % (aplicando el 70 % de los requisitos de agua de riego; representa un nivel de riego limitado).

Los resultados obtenidos en (Fig. 3B), indicaron que el índice máximo de grano se logró adoptando el nivel de riego Ir70 × (fecha4 y fecha5). Asimismo, el menor índice de grano se obtuvo al implementar date1 bajo niveles de riego Ir100 e Ir70.

Por otro lado, los resultados obtenidos indicaron que al comparar el Ir examinado como se ve en (Fig. 3C), se encontró que los niveles de irrigación Ir100 e Ir70 × fecha5 alcanzaron significativamente el mayor peso de la oreja, mientras que el aumento mínimo del peso de la oreja fue observado por la adopción del nivel de riego Ir100 × fecha1.

Los efectos de los niveles de SD y agua sobre el contenido de proteínas, carbohidratos totales, fibra y aceite se presentan en la (Fig. 4). En general, hubo una diferencia significativa en el contenido de proteína en la fecha 1 y la fecha 5 bajo el tratamiento Ir100 e Ir70, pero no en la fecha 2, la fecha 3 y la fecha 4 bajo el tratamiento Ir100 e Ir70 (Fig. 4A). Los resultados mostraron que la adopción de la fecha SD5 condujo a una disminución en el contenido de proteínas bajo el tratamiento con Ir70. Sin embargo, la adopción de SD date2 y date3 y la aplicación del tratamiento Ir100 e Ir70 dieron como resultado el mayor aumento en el contenido de proteína, aunque este aumento solo fue significativamente igual a la adopción de date5 + Ir70.

El impacto interactivo de las fechas de siembra y los niveles de riego sobre el contenido de proteína (A), carbohidratos totales (B), fibra (C) y aceite (D) en las semillas de maíz. Las barras verticales representan ± error estándar (SE) de las medias (n = 5). Las barras con letras diferentes son estadísticamente significativas en p ≤ 0,05. Abreviaturas: fecha 1 (febrero); fecha 2 (marzo); fecha 3 (abril); fecha 4 (agosto) fecha 5 (septiembre) IR100% (aplicando el 100% de los requisitos de agua de riego; representa el nivel de riego total); IR 70 % (aplicando el 70 % de los requisitos de agua de riego; representa un nivel de riego limitado).

Como se muestra en (Fig. 4B), la adopción de la fecha 2 + Ir100 e Ir70 o la fecha 3 bajo el nivel de Ir70 coincidió significativamente con la adopción de un nivel de agua Ir70 y la implementación de la fecha SD5 para lograr los carbohidratos totales más altos en las semillas de maíz. Asimismo, los contenidos de carbohidratos totales más bajos se registraron en fecha1 y la aplicación de Ir100 e Ir70, lo que igualó significativamente la adopción del nivel de fecha5 × Ir100.

Para reducir el contenido de fibra en las semillas de maíz, plantar semillas de maíz en la SD tardía (fecha 5) bajo Ir100 e Ir70 o plantar semillas de maíz en la fecha 4 fue efectivo bajo el nivel Ir100 (Fig. 4C). Los contenidos de fibra más altos se observaron al adoptar date3 y los niveles Ir100 e Ir70, aunque este aumento solo fue significativamente igual a la adopción de date1 × Ir100 o date2 bajo Ir70.

Por otro lado, los resultados indicaron que el tratamiento Date1 con Ir70 dio como resultado valores significativamente más bajos de contenido de aceite, como se ve en la (Fig. 4D). El aumento máximo en el contenido de aceite se observó cuando se adoptó la fecha 5 con la implementación de Ir100 e Ir70, aunque este aumento fue significativamente igual a la adopción de la fecha 4 + Ir70.

Los datos obtenidos que se ilustran en (Fig. 5A) demostraron que al comparar la DE bajo diferentes niveles de riego, se obtuvo un mayor rendimiento de grano con la fecha de implementación5 bajo niveles de riego Ir100 e Ir70. Asimismo, el menor rendimiento de grano se obtuvo al implementar fecha3 bajo nivel de riego Ir70.

El impacto interactivo de las fechas de siembra y los niveles de riego en el rendimiento del grano de maíz (A) y la eficiencia en el uso del agua (B). Las barras verticales representan ± error estándar (SE) de las medias (n = 5). Las barras con letras diferentes son estadísticamente significativas en p ≤ 0,05. Abreviaturas: fecha 1 (febrero); fecha 2 (marzo); fecha 3 (abril); fecha 4 (agosto) fecha 5 (septiembre) IR 100% (aplicando el 100% de los requisitos brutos de agua de riego; representa el nivel de riego total); IR 70 % (aplicando el 70 % de los requisitos brutos de agua de riego; representa un nivel de riego limitado).

Como se puede observar en (Fig. 5B), para obtener la mejor WUE del maíz, es igualmente efectivo adoptar niveles de riego Ir100 e Ir70 x fecha5. Sin embargo, la implementación de los niveles de riego Ir100 e Ir70 × fecha3, provocó las menores disminuciones en la UEA del maíz.

Este manuscrito es un artículo original y no ha sido publicado en otras revistas. Los autores acordaron mantener la regla de derechos de autor.

La DE es un factor crucial que limita el rendimiento del cultivo de maíz y juega un papel importante en la determinación del rendimiento general. Por lo tanto, determinar la DE óptima es fundamental para la producción agrícola, especialmente considerando el impacto del aumento de las temperaturas en el rendimiento de los cultivos debido a temporadas de crecimiento más cortas50.

Los resultados obtenidos en este estudio revelaron que la siembra de semillas de maíz en fecha 2 y fecha 3, con la aplicación de Ir100 e Ir70, resultó en la mayor acumulación de contenido de N. Además, la siembra de semillas de maíz en la fecha 5 bajo Ir70 produjo un contenido de N significativamente similar en comparación con el tratamiento anterior. El valor de N acumulado más bajo se observó cuando las semillas de maíz se sembraron en la fecha 1 bajo Ir100 e Ir70. Esto podría atribuirse al estrés severo, incluido el estrés hídrico y las altas temperaturas, que experimentan las plantas de maíz, particularmente durante la etapa de llenado. En el caso de los SD (fecha2 y fecha3), las plantas alcanzaron la etapa de llenado durante los meses más calurosos, como junio y agosto. Como resultado, las plantas estuvieron expuestas a altas temperaturas y estrés hídrico, lo que las impulsó a aumentar la absorción y acumulación de N para facilitar la producción de componentes de alto peso molecular. Esto puede verse como un mecanismo de protección contra el estrés y permitió a las plantas completar su ciclo de vida rápidamente. Estos hallazgos se alinean con estudios previos18,51. De manera similar, Dupont et al.52 demostraron que el porcentaje de proteína (N) del grano era menor bajo temperaturas moderadas en comparación con los granos producidos bajo temperaturas más altas, lo cual es consistente con nuestros hallazgos. Sin embargo, esta respuesta parece tener una limitación crítica, ya que cruzar un cierto umbral puede generar impactos negativos. En este contexto, Klimenko et al.53 demostraron que la absorción y translocación de N en los granos de trigo disminuyeron con temperaturas más altas debido a una disminución en la actividad de la nitrato reductasa en las plantas. En tales condiciones, las plantas tienden a aumentar la absorción de otros nutrientes como P, K, azufre y sodio, que ayudan a mantener y proteger las membranas celulares, mejorar el sistema de defensa antioxidante y mejorar el potencial osmótico, mejorando en última instancia la tasa fotosintética54. Sin embargo, la reducción del crecimiento de las raíces en condiciones de mayor temperatura generalmente tiene una influencia adversa en los procesos de absorción, asimilación y translocación de la mayoría de los nutrientes55. Por lo tanto, cuando las semillas de maíz se siembran en la fecha 1, alcanzando la etapa de llenado alrededor de abril y principios de mayo, las condiciones permiten que las plantas de maíz prioricen el crecimiento vegetativo sobre el crecimiento de la productividad. Este retraso en la aceleración de los procesos de absorción y translocación de N ocurre después de completar el crecimiento vegetativo, cuando las plantas enfrentan condiciones de temperatura desfavorables, lo que finalmente resulta en la menor acumulación de N en los granos de maíz.

Además de la acumulación de contenido de N, la acumulación de P en las semillas de maíz parece estar más correlacionada con la DE que con los regímenes de agua de riego utilizados. Observamos que las mayores acumulaciones de P se lograron con Ir70 y el cultivo de semillas de maíz en las fechas 3 y 4. Por el contrario, los valores más bajos de P acumulado se observaron en la fecha 5, aunque fueron comparables a los valores obtenidos de semillas de maíz plantadas en la fecha 1 y la fecha 2 bajo Ir100. En este contexto, planteamos la hipótesis de que, según las DE de las fechas 3 y 4, las plantas de maíz experimentaron condiciones de temperatura del aire y del suelo más altas durante la mayoría de las etapas de crecimiento, lo que contribuyó a un contenido de humedad del suelo desfavorable. En condiciones de estrés hídrico, las plantas de maíz se someten a diferentes mecanismos para afrontar la reducción del riego aplicado. Uno de estos mecanismos es la activación de un sistema radicular efectivo, que implica la penetración del sistema radicular dentro del perfil del suelo, la modificación de la arquitectura radicular así como la acumulación de producción de exudado radicular, lo cual concuerda con estudios previos56,57, 58. Sin embargo, con aplicaciones reducidas de agua (Ir70), el pH del suelo aumentó posteriormente afectando negativamente la disponibilidad de P59. Las plantas emplean exudados radiculares cada vez mayores para disminuir el pH del suelo y permitir que los sistemas radiculares aumenten la absorción de P. Una mayor acumulación de P en los granos mejora la síntesis de carbohidratos. Conduce a una disminución del potencial hídrico, mejorando así la absorción de agua por las raíces y mejorando el estado hídrico de la planta. Además, en condiciones de estrés hídrico (Ir70), se puede suponer que las partes aéreas vegetativas de las plantas son menos activas, lo que lleva a reducciones en varios procesos fisiológicos como la transpiración. En consecuencia, el sistema radicular se convierte en el principal impulsor de las actividades, priorizando la absorción y el almacenamiento de nutrientes. Estos mecanismos, junto con otros mecanismos de protección adoptados por las plantas de maíz, contribuyen a su tolerancia y desempeño general en condiciones de estrés hídrico. Además, parece que la temperatura del suelo fue más alta en las fechas 3 y 4, lo que resultó en una mayor absorción de P de la rizosfera en condiciones de temperatura más altas en comparación con las fechas 1 y 5 (baja temperatura). Este hallazgo se alinea con estudios previos60.

Por otro lado, los resultados mostraron que la acumulación de K en las semillas de maíz alcanzó sus valores más altos cuando se combinó la fecha 3 con Ir100 e Ir70, mientras que el valor de K acumulado más bajo se observó cuando las semillas de maíz se sembraron en la fecha 1 y la fecha 2. Nuestra hipótesis es que las condiciones severas de temperatura y evaporación afectan el crecimiento de las plantas a partir de la fecha 3. Como estrategia protectora, las plantas aumentan la absorción y acumulación de K para hacer frente a estas condiciones. K tiene varias características que pueden mejorar el estado hídrico de las plantas en condiciones de estrés hídrico y térmico. Esto es evidente en la mayor acumulación de K observada en la fecha 3 bajo Ir100 e Ir70. Se han informado observaciones similares en estudios previos61,62,63, aunque la relación entre la absorción de K y la temperatura tiene un punto umbral. Por ejemplo64, mencionaron que el punto umbral estaba en 25 °C y que, con mayores aumentos de temperatura, la absorción de K disminuía. Además65, informaron que las plantas tienen la capacidad de modificar la absorción y acumulación de nutrientes en función de las condiciones de temperatura a las que están expuestas sus partes aéreas o raíces.

Con base en los hallazgos del estudio actual, es crucial determinar el propósito previsto para las semillas de maíz. Si el objetivo es abordar la desnutrición, cultivar semillas de maíz en la fecha 3 bajo Ir70 da como resultado una mejor calidad de las semillas con los valores más altos de N, P, K, proteínas y carbohidratos totales. Por otro lado, si el objetivo es lograr el máximo rendimiento, los resultados demuestran que plantar semillas de maíz en la fecha 5 bajo Ir70 conduce al mayor rendimiento de maíz y WUE. De los resultados, concluimos que en la fecha5 cuando el maíz adopta el nivel de riego limitado, las plantas están expuestas a algún grado de estrés hídrico que ha contribuido a una serie de impactos sucesivos. Fisiológicamente, esto conduce a una disminución de la humedad del suelo alrededor de las raíces, lo que conduce a un aumento en la penetración y la actividad de absorción de las raíces. En consecuencia, el agua, los macronutrientes (N) y la fotosíntesis mejoraron, lo que resultó en características de crecimiento mejoradas (altura de la planta, longitud de la mazorca, peso de la mazorca, número de hileras por mazorca e índice de peso del grano), proteína, contenido de aceite y rendimiento en estas condiciones ( Cai y Ahmed66. Además, este enfoque resulta beneficioso para mitigar los impactos del estrés hídrico y conservar cantidades significativas de agua de riego y aumentar la UEA en condiciones climáticas áridas. Estos hallazgos se alinean con estudios anteriores14,59,67, que han informado mejoras similares en el rendimiento. características.

Además, planteamos la hipótesis de que exponer las plantas de maíz al estrés hídrico en la fecha5 implica factores interconectados que mitigan parcialmente los efectos de estas condiciones. Uno de estos factores es la duración relativamente corta del estrés hídrico que experimentan las plantas de maíz. Al sembrar semillas de maíz en la fecha5 bajo Ir70, a pesar de la reducción del agua de riego aplicada, no se observan impactos adversos graves. Al respecto68, ha indicado que las plantas tienen la capacidad de ajustar su fenología vegetativa y reproductiva en respuesta a la reducción de agua, dependiendo del período más favorable. Además, plantar semillas de maíz en la fecha5 bajo Ir70 motiva a las plantas a mejorar el proceso de producción debido al período de crecimiento más corto, típicamente alrededor de 100 a 102 días (promedio de 101 días), como se muestra en la Tabla 4. Además, la presencia de factores de estrés combinados, como la temperatura y la sequía, acelera la absorción y acumulación de N, lo que conduce a un aumento de la fotosíntesis, la producción de proteínas y el crecimiento de las plantas.

Los hallazgos de este estudio demuestran claramente la influencia significativa de los cambios climáticos actuales en la producción de maíz, la absorción de nutrientes y el rendimiento en condiciones áridas. Sin embargo, los impactos específicos variaron según el patrón de estrés hídrico implementado. Es posible que la determinación de las fechas óptimas de siembra no siempre coincida con la implementación práctica, ya que depende de factores como la tierra no cultivada disponible y los beneficios para los agricultores.

Sin embargo, si el objetivo es aumentar las concentraciones de nitrógeno, fósforo, potasio, proteínas y carbohidratos totales en las semillas de maíz, las fechas de siembra más tempranas pueden ser ventajosas para beneficiarse de una mayor calidad de las semillas y crear una ventana adecuada para cultivar un cultivo de invierno. Por otro lado, los resultados resaltan la importancia de someter al maíz a un determinado nivel de estrés hídrico. Sin embargo, se necesitan más investigaciones para observar los impactos de esta práctica en diferentes regiones.

Teniendo en cuenta los cambios climáticos actuales, sembrar semillas de maíz en septiembre con menos del 70% de las necesidades de agua de riego parece ser el enfoque más favorable para lograr una absorción óptima de N, características de crecimiento (altura de la planta, longitud de las mazorcas, peso de las mazorcas, número de hileras por mazorca y peso del índice de grano), rendimiento de granos y eficiencia en el uso del agua de riego en condiciones áridas de riego. Además, estas prácticas resultan beneficiosas para mitigar los impactos del estrés hídrico y conservar cantidades significativas de agua de riego en zonas áridas.

Los conjuntos de datos presentados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Los autores desean agradecer a la Estación del Complejo de Investigación y Estudios del Agua (WSRC) y al Centro Nacional de Investigación del Agua (NWRC) por su apoyo financiero para realizar este trabajo. Además, los autores extienden su agradecimiento a los investigadores que respaldan el proyecto número (RSP2023R173), Universidad King Saud, Riyadh, Arabia Saudita.

Complejo de Investigación y Estudios del Agua, Centro Nacional de Investigación del Agua, El Cairo, Egipto

Ahmed SD Abaza y Ayman MS Elshamly

Departamento de Botánica y Microbiología, Facultad de Ciencias, Universidad Rey Saud, 11451, Riad, Arabia Saudita

Mona S. Alwahibi y Mohamed S. Elshikh

Departamento de Ciencias Ambientales, Universidad Shaheed Benazir Bhutto Sheringal Dir (U), Dir Upper, KPK, Pakistán

Allah Ditta

Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad de Australia Occidental, Perth, WA, 6009, Australia

Allah Ditta

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Todos los autores contribuyeron a la concepción y diseño del estudio. La preparación de materiales, software y recursos por [MSA y MSE], visualización y supervisión por [AD], la recolección de datos fue realizada por [AD]; AMSE contribuyó con las secciones de análisis estadístico. El primer borrador del manuscrito fue escrito por [Ahmed Dahab] y todos los autores comentaron las versiones anteriores del manuscrito. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Ahmed SD Abaza.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Abaza, ASD, Elshamly, AMS, Alwahibi, MS et al. Impacto de diferentes fechas de siembra y niveles de riego en la absorción de NPK, el rendimiento y la eficiencia en el uso del agua del maíz. Informe científico 13, 12956 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40032-9

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Recibido: 16 de marzo de 2023

Aceptado: 03 de agosto de 2023

Publicado: 10 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40032-9

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