Introducción

Los cambios climáticos y eventos naturales extremos de los últimos tiempos ponen en riesgo el desarrollo sostenible de la agricultura en el mundo. Existen factores que son la causa principal del exceso de humedad en los suelos (1): las precipitaciones altas en el suelo; es decir, el agua que entra de forma natural a los campos de cultivo; el manejo inadecuado de la irrigación, ya que muchas veces el agua aplicada no es la que necesitan los campos de cultivo; la topografía desfavorable, como terrenos ondulantes o planos y, por último, un mal drenaje superficial e interno.

El estrés hídrico por inundación es un factor limitante en la producción de algunos cultivos como el maíz (Zea mays L.) (2), el cual es uno de los cereales de mayor relevancia desde el punto de vista social, económico y alimenticio a nivel mundial. En Cuba, alrededor del 42 % de la superficie agrícola se encuentra afectada por problemas de mal drenaje (3), lo cual, combinado con las intensas lluvias, conlleva a que los cultivos se vean afectados por inundaciones.

Los problemas se presentan cuando las inundaciones asfixian a los cultivos, ya que el aire es reemplazado por el agua en los poros del suelo. Esto impide toda posibilidad de provisión de oxígeno, lo que afecta, tanto la actividad biológica, como la estructura del suelo. Además, internamente reduce el volumen de suelo disponible para las raíces, afectando la aireación y el desarrollo radicular, por lo que se disminuye la capacidad de absorción de agua y nutrientes de la mayoría de las plantas (4).

Si el ápice de la planta se encuentra por encima de la superficie del agua, estas pueden sobrevivir a una inundación que dure entre algunos días y varias semanas; sin embargo, se producen reducciones de rendimiento, debido a efectos directos e indirectos (5). Entre los directos están la muerte de células radicales y la descomposición de las raíces, entre los indirectos están las infecciones de patógenos, las pérdidas de nitrógeno y la sensibilidad de la planta al estrés por exceso de humedad (5).

Conocer el tiempo de inundación de los diferentes cultivos es un factor importante a la hora de diseñar obras de drenaje superficial. Este revela el tiempo que soporta la planta sometida a inundación, sin que sufra afectaciones en su rendimiento. De ahí que se desarrolle la presente investigación, con el objetivo de determinar el tiempo de inundación en el cultivo del maíz.

Materiales y métodos

El trabajo se desarrolló en la Estación Experimental “Pulido”, del Instituto de Ingeniería Agrícola, situado en el municipio Alquízar, provincia Artemisa, a los 22º45´N y los 82º27´O a 6 m sobre el nivel medio del mar.

Se utilizaron 20 recipientes de latón (considerados como macetas), con diámetro de 500 mm, altura 750 mm y volumen de 0,147 m³ a los que se les realizó una perforación con diámetro de 25 mm lateralmente, situado a 26 mm del fondo, por el cual se introdujo un tubo de PVC perforado con orificios de 5 mm, separados a 50 mm (Figura 1).

Los tubos se sellaron alrededor de la pared de contacto de la maceta para evitar pérdidas de agua. Se colocó otro tubo ranurado en el interior del recipiente perpendicular a la base, con una altura de 1128 mm, dejando 10 cm por encima de la superficie del suelo. Se colocó una capa de gravilla de 8 cm de altura como filtro para el drenaje y se rellenaron los recipientes con suelo Ferralítico Rojo de la estación experimental. A las macetas se les dejaron 10 cm libres, medidos desde el borde superior. La textura y otras propiedades físicas del suelo (6) se presentan en la Tabla 1.

El cultivo utilizado fue el maíz, variedad Tuzón. Previo a la ejecución del experimento se determinó que las semillas tenían un 91 % de germinación. La siembra se realizó en enero del 2019, ubicando tres semillas en dos nidos separados a 250 mm por maceta. Se aplicó una dosis de fertilizante por maceta (fórmula completa) de 3,75 g de N, 225 g de P2O5 y 2,25 g de K2O, fraccionada al 66 % en el momento de la siembra y el 33 % restante a los 30 días después de la germinación (7). Luego de la germinación se dejaron solo las plantas más saludables y a partir de la aparición de la segunda hoja, los tratamientos fueron regados cada dos días con una dosis de 5,59 L por maceta, hasta alcanzar el equivalente al 80 % de la capacidad de campo del suelo natural (medida con sonda electromagnética ML3) (8), para un total de 52 riegos y 290 L por maceta. La lluvia total fue de 199,8 mm durante el período de desarrollo del trabajo (enero-abril del 2019), distribuida en 14 eventos. La cosecha se realizó en abril 2019 (112 días).

Los tratamientos se aplicaron cuando las plantas alcanzaron alrededor del 80 % del estado de floración, lo que ocurrió 60 días después de la germinación, lo cual es un estado muy sensible para el cultivo (9).

Los tratamientos fueron los siguientes:

Al momento de la inundación se colocó un tapón en el tubo de drenaje, el cual fue retirado una vez que se consiguió el tiempo de inundación previsto para cada tratamiento. Se utilizó un diseño experimental de bloques al azar, con cuatro réplicas.

Se determinó el rendimiento y sus componentes (peso de las mazorcas, peso de 100 granos, peso de todos los granos), número de mazorcas por planta y cantidad de granos por mazorca, diámetro y longitud de las mazorcas. Además, se analizó la relación entre las horas de inundación y la producción relativa de granos frescos (3).

Los datos fueron procesados mediante análisis de varianza de clasificación doble, utilizando el software Statgraphics Plus 5. 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.

Resultados y discusión

El suelo en las macetas siempre se mantuvo por encima del 80 % de la capacidad de campo (Figura 2). Los valores de humedad volumétrica variaron entre 33,49 y 39,4 %, siendo estos adecuados para este tipo de suelo (6).

En la Tabla 2 se puede observar que después de aplicado el estrés por inundación en el momento de la evaluación, el mayor peso de las mazorcas se alcanzó en el tratamiento en que no se inundó, disminuyendo a medida en que aumentan las horas de inundación, revelando reducciones desde un 10 % (24 h), hasta un 39 % (144 h). No se observaron diferencias significativas entre los tratamientos en cuanto al diámetro de las mazorcas y el peso de 100 granos; sin embargo, la cantidad media de granos por mazorcas y la longitud de las mazorcas presentaron diferencias significativas a medida que aumentaron las horas de inundación. Resultados similares fueron obtenidos en los cultivos de maíz y girasol (10-12).

Al revisar el efecto del mal drenaje sobre la producción agrícola en Cuba, se ha señalado que las pérdidas de rendimiento en los principales cultivos agrícolas del país, producto del sobre humedecimiento de los suelos, podrían variar entre el 30 y el 80 %. Esto ocurre debido a que disminuye la aireación y, por lo tanto, la concentración de oxígeno, que puede llegar hasta un 2 % (13).

Los macro poros, donde normalmente existe aire, son ocupados por agua provocando un efecto directo sobre la respiración de las raíces e indirecto al modificar la acción microbiana (14,15). Además, esta deficiencia de oxígeno ocasiona que la planta cambie su metabolismo de respiración aeróbica a la vía de fermentación, como un mecanismo adaptativo, viéndose notablemente afectado el desarrollo de la misma.

La Figura 3 muestra una disminución de la producción de granos, a medida que aumentan las horas de inundación desde 24 h hasta 144 h en la fase de floración del cultivo, revelando una reducción de un 0,31 % por cada hora de inundación y se alcanza una pérdida de un 50 %, aproximadamente, con 70 horas de exceso de humedad, en este caso el cultivo muestra un umbral mínimo (tolerancia al sobre humedecimiento de los cultivos) de 0,0, por lo que la reducción en el rendimiento y sus componentes se registró inmediatamente al comenzar la inundación.

Al revisar la literatura internacional, el cultivo del maíz disminuye su rendimiento entre 9,2 y 11,3 % por cada día de sobre humedecimiento y alcanza una disminución del 50 % de su rendimiento potencial entre tres a cinco días de exceso de humedad en el suelo (3).

Conclusiones

Introduction

Climate changes and extreme natural events in recent times are jeopardizing the sustainable development of agriculture in the world. There are factors that are the main cause of excess moisture in soils (1): high precipitation in the soil; that is, the water that enters the crop fields naturally; inadequate irrigation management, since the water applied is often not what the crop fields need; unfavorable topography, such as undulating or flat terrain; and, finally, poor surface and internal drainage.

Water stress due to flooding is a limiting factor in the production of some crops such as corn (Zea mays L.) (2), which is one of the most relevant cereals from the social, economic and nutritional point of view worldwide. In Cuba, about 42 % of the agricultural area is affected by poor drainage problems (3), which, combined with heavy rains, leads to flooding of crops.

Problems occur when flooding suffocates crops, as air is replaced by water in the soil pores. This prevents any possibility of oxygen supply, which affects both biological activity and soil structure. In addition, internally it reduces the volume of soil available to roots, affecting aeration and root development, thus reducing the water and nutrient absorption capacity of most plants (4).

If the plant apex is above the water surface, plants can survive a flood that lasts from a few days to several weeks; however, yield reductions occur due to direct and indirect effects (5). Direct effects include root cell death and root decomposition; indirect effects include pathogen infections, nitrogen losses and plant sensitivity to excess moisture stress (5).

Knowing the flooding time of different crops is an important factor when designing surface drainage works. This reveals the time that the plant can withstand flooding without suffering any effect on its yield. Hence, the present research was developed with the objective of determining the time of flooding in the corn crop.

Materials and methods

The work was carried out at the "Pulido" Experimental Station of the Institute of Agricultural Engineering, located in Alquízar municipality, Artemisa province, at 22º45'N and 82º27'W at 6 m a.s.l. Twenty brass containers were used (considered as pots), with a diameter of 500 mm, height 750 mm and volume of 0.147 m³ to which a perforation was made with a diameter of 25 mm laterally, located 26 mm from the bottom, through which a perforated PVC tube with holes of 5 mm was introduced, separated at 50 mm (Figure 1).

The tubes were sealed around the contact wall of the pot to avoid water losses. Another slotted tube was placed inside the container perpendicular to the base, with a height of 1128 mm, leaving 10 cm above the soil surface. A layer of gravel 8 cm high was placed as a filter for drainage and the containers were filled with Ferrallitic Red soil from the experimental station. The pots were left 10 cm free, measured from the top edge. The texture and other physical properties of the soil (6) are presented in Table 1.

The crop used was corn, variety Tuzón. Prior to the execution of the experiment, it was determined that the seeds had 91 % germination. Sowing was carried out in January 2019, placing three seeds in two nests separated at 250 mm per pot. A fertilizer dose per pot (complete formula) of 3.75 g N, 225 g P2O5 and 2.25 g K2O was applied, fractionated 66 % at the time of sowing and the remaining 33 % 30 days after germination (7). After germination, only the healthiest plants were left and from the appearance of the second leaf, the treatments were irrigated every two days with a dose of 5.59 L per pot, until reaching the equivalent of 80 % of the field capacity of the natural soil (measured with electromagnetic probe ML3) (8), for a total of 52 irrigations and 290 L per pot. Total rainfall was 199.8 mm during the period of work development (January-April 2019), distributed in 14 events. Harvesting took place in April 2019 (112 days).

Treatments were applied when the plants reached about 80 % of flowering stage, which occurred 60 days after germination, which is a very sensitive stage for the crop (9).

The treatments were as follows:

At the flooding time, a plug was placed in the drainage tube, which was removed once the expected flooding time was achieved for each treatment. A randomized block experimental design was used, with four replications.

Yield and its components (weight of ears, weight of 100 grains, weight of all grains), number of ears per plant and quantity of grains per cob, diameter and length of cobs were determined. In addition, the relationship between hours of flooding and relative fresh grain yield was analyzed (3).

Data were processed by double ranked analysis of variance using Statgraphics Plus 5 software. Differences between treatment studied means of they were determined according to the Tukey HSD multiple comparison test with 95 % reliability.

Results and discussion

The soil in the pots was always maintained above 80 % of field capacity (Figure 2). The volumetric moisture values varied between 33.49 and 39.4 %, being adequate for this type of soil (6).

Table 2 shows that after flooding stress was applied at the time of evaluation, the highest cob weight was reached in the non-flooded treatment, decreasing with increasing hours of flooding, revealing reductions from 10 % (24 h) to 39 % (144 h). No significant differences were observed among treatments for ear diameter and 100 kernel weight; however, the mean number of kernels per ear and ear length showed significant differences as flooding hours increased. Similar results were obtained in maize and sunflower crops (10-12).

When reviewing the effect of poor drainage on agricultural production in Cuba, it has been pointed out that yield losses in the main agricultural crops of the country, as a result of soil over-wetting, could vary between 30 and 80 %. This occurs because aeration decreases and, therefore, the concentration of oxygen, which can reach up to 2 % (13).

The macro pores, where air normally exists, are occupied by water, causing a direct effect on root respiration and an indirect effect by modifying microbial action (14,15). In addition, this oxygen deficiency causes the plant to change its metabolism from aerobic respiration to fermentation, as an adaptive mechanism, which significantly affects plant development.

Figure 3 shows a decrease in grain yield, as the hours of flooding increase from 24 h to 144 h in the flowering stage of the crop, revealing a reduction of 0.31 % for each hour of flooding and a loss of approximately 50 % is reached with 70 hours of excess moisture, in this case the crop shows a minimum threshold (tolerance to over-wetting of crops) of 0.0, so the reduction in yield and its components was recorded immediately at the beginning of flooding.

In reviewing the international literature, the corn crop decreases its yield between 9.2 and 11.3 % for each day of over-wetting and reaches a decrease of 50 % of its potential yield between three to five days of excess soil moisture (3).

Conclusions