Con los cultivos, los agricultores se adaptarán; siempre lo han hecho y siempre lo harán. Sin embargo, para ayudar a esta adaptación, un proyecto de investigación de Texas A&M AgriLife ha utilizado modelos de inteligencia artificial para determinar qué características de los cultivares necesitarán para tener éxito en condiciones climáticas cambiantes.
por Kay Ledbetter, Universidad Texas A&M
El otro objetivo del proyecto era ayudar a extender la vida útil del Acuífero Ogallala. Salvaguardar el acuífero requerirá comprender cómo los cultivos se adaptan a las prácticas de cultivo futuras, especialmente porque las predicciones del cambio climático indican que los veranos serán más cálidos y secos en el futuro.
Con estos objetivos, un equipo de Texas A&M AgriLife ha completado una evaluación de los impactos del cambio climático en el rendimiento del algodón y el uso del agua de riego. «Estrategias potenciales de adaptación al cambio climático basadas en genotipos para sostener la producción de algodón en las Altas Llanuras de Texas: un estudio de simulación» se publica en la revista internacional Field Crops Research.
La supervisión del proyecto estuvo a cargo de Srinivasulu Ale, Ph.D., hidrólogo geoespacial de Texas A&M AgriLife Research en Vernon, y profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Biológica y Agrícola de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida de Texas A&M.
«Sabemos que están disminuyendo los niveles de agua, y los distritos de conservación de agua subterránea ya están imponiendo restricciones sobre la cantidad que los agricultores pueden bombear y usar», dijo Ale. «Existe la preocupación de que los agricultores eventualmente tengan que pasar de la agricultura de regadío a la agricultura de secano para conservar el acuífero de Ogallala».
El equipo diseñó cultivares de algodón virtuales con mayor tolerancia a la sequía y al calor, mayor potencial de rendimiento y mayor madurez. Luego, estos cultivares virtuales se compararon con un cultivo de referencia para evaluar los impactos del cambio climático en el rendimiento del algodón, el uso del agua de riego y diferentes rasgos específicos del genotipo para la adaptación al cambio climático.
«El Dr. Ale tiene una reputación mundial como líder en agricultura resiliente en respuesta al cambio climático», dijo Rick Vierling, Ph.D., director del Centro de Investigación y Extensión Texas A&M AgriLife, Vernon. «Ha trabajado en muchas especies de cultivos, sorgo, trigo y algodón, lo que proporciona un programa de investigación mucho más amplio y resistente para la adaptabilidad climática».
Simulación de cultivares de algodón para conocimiento futuro
Ale dijo que el objetivo del equipo era mirar hacia el futuro, basándose en las proyecciones del modelo climático global, y determinar: ¿Cómo van a cambiar los rendimientos del algodón en los escenarios futuros? ¿Y cómo podrían variar esos rendimientos potenciales en las Altas Llanuras, de norte a sur?
Los modelos del proyecto describieron el crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos en función de las condiciones climáticas, las propiedades del suelo y las prácticas de manejo de los cultivos. Estos modelos dinámicos utilizan mecanismos fundamentales de los procesos de las plantas y el suelo para simular el crecimiento y desarrollo de los cultivos.
«Sabemos que la temperatura aumenta de norte a sur y la precipitación disminuye de este a oeste, por lo que estudiamos los cultivares que los productores están usando actualmente», dijo Ale. «Usamos un modelo de cultivo para ver cómo se comportarán los cultivares en condiciones futuras porque realizar experimentos de campo que simulen los impactos del cambio climático es muy difícil».
En el proyecto, se simuló el crecimiento y el rendimiento del algodón en condiciones de regadío y secano en tres lugares de la región de las Altas Llanuras (Bushland, Halfway y Lamesa) en 18 escenarios climáticos futuros.
Junto a Ale en el proyecto estaban su ex estudiante de posgrado Kritika Kothari, Ph.D., quien ahora está en la Universidad de Kentucky en Lexington; Jim Bordovsky, ingeniero agrícola de AgriLife Research, Halfway; Clyde Munster, Ph.D. y Vijay Singh, Ph.D., ambos en el Departamento de Ingeniería Biológica y Agrícola; John Nielsen-Gammon, Ph.D., climatólogo del estado de Texas, Bryan-College Station; y Gerrit Hoogenboom, Ph.D., Instituto de Sistemas Alimentarios Sostenibles y Departamento de Ingeniería Agrícola y Biológica, Universidad de Florida, Gainesville.
El modelo se entrenó utilizando los conjuntos de datos de Bordovsky de datos históricos recopilados desde 2011. Los modelos de crecimiento de cultivos son complementarios a los experimentos de campo y deben evaluarse en función de los datos medidos en el campo antes de que puedan usarse en cualquier aplicación.
Evaluados en este estudio, en relación con el cultivar de referencia, fueron:
- Dos tipos de cultivares tolerantes a la sequía con propiedades físicas de raíces e hidráulicas del suelo modificadas.
- Dos cultivares tolerantes al calor con mayor rango de temperaturas óptimas para la adición de cápsulas y la división de cápsulas.
- Una variedad de alto potencial de rendimiento con hojas más grandes y una mayor partición para el crecimiento de semillas.
- Una variedad de madurez más larga con una floración más temprana y una fase reproductiva más prolongada.
El modelo de cultivo permite agregar archivos de entrada sobre los cultivares y la oportunidad de cambiar los parámetros. Por ejemplo, una forma de mejorar la tolerancia a la sequía sería modificando las características de las raíces en el modelo. En condiciones más secas, una planta hambrienta de agua enviará sus raíces más profundamente en el suelo para obtener agua. Entonces, el modelo puede examinar qué diferencia hace la expansión del sistema de raíces para resistir el estrés por sequía.
«Digamos que estábamos tratando de ver cómo se pueden mejorar las características del cultivo enfocadas en la resistencia a la sequía para superar los efectos negativos del cambio climático. ¿Lo hará mejor una variedad de alto rendimiento o una que sea tolerante al calor? Usamos las capacidades del modelo y simule hipotéticamente esos cultivares virtuales y luego intente ver su rendimiento en comparación con el cultivar de referencia «, dijo Kothari.
Resultados de la simulación
Las simulaciones ayudaron a los investigadores a realizar las siguientes proyecciones:
- Bajo el cambio climático proyectado, la producción de algodón de regadío podría aumentar debido a la fertilización con dióxido de carbono si las temperaturas de la temporada de crecimiento se mantienen por debajo de los límites óptimos.
- Se proyectó que el uso de agua de riego estacional aumentará en la mayoría de los modelos climáticos, dependiendo de las proyecciones de lluvia.
- En las condiciones de las tierras secas, los efectos beneficiosos de la fertilización con dióxido de carbono fueron suprimidos por el estrés por temperatura y por el estrés hídrico.
«Probamos seis cultivares virtuales para determinar su resistencia al cambio climático en función de su rendimiento y el uso de agua de riego estacional en relación con el cultivar de referencia», dijo Kothari.
El cultivar de alto rendimiento, caracterizado por un mayor tamaño potencial de las hojas y una mayor partición entre la semilla y la cáscara, era deseable para la producción de algodón de regadío. El cultivar de larga madurez, con floración más temprana y mayor duración reproductiva, resultó adecuado para la producción de algodón de tierras secas. Los cultivares tolerantes al calor serían otra opción segura, especialmente para la región más cálida de las Altas Llanuras del sur.
Planificando para el futuro
Los modelos evaluados pueden ayudar a evaluar los impactos del cambio climático en aspectos de la producción de cultivos, como el rendimiento de los cultivos, las necesidades de agua de riego y la eficiencia en el uso del agua. Los criadores pueden usar esa información para trabajar hacia el futuro.
«Este estudio es útil para los criadores a medida que desarrollan nuevos cultivares», dijo Ale. «Pueden tomar estas pautas y luego enfocarse en los cultivares que se espera que obtengan mejores resultados en los escenarios climáticos futuros».
Además, dijo, desde el punto de vista del productor, esta información es útil para planificar recursos con los impactos del cambio climático en mente. Por ejemplo, en la región sur, donde están los suelos más arenosos, el rendimiento de los cultivos es ligeramente diferente al de las áreas norteñas de producción de algodón , y los mejoradores pueden comenzar a hacer esos ajustes.
Los resultados del estudio también son aplicables a la agronomía. Por ejemplo, los productores pueden programar su siembra para que las etapas críticas de las plantas no ocurran durante los momentos de mayor temperatura.
«Hay incertidumbres involucradas en las simulaciones, pero estas ideas darán a los obtentores y productores alguna orientación, alguna idea sobre cómo será la agricultura en el futuro y qué podemos hacer para adaptarnos a ella», dijo Ale.
