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Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10226 (2023) Citar este artículo

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El sistema de cultivo de mijo perla y garbanzo (PCCS) está surgiendo como una secuencia importante en las regiones semiáridas del sur de Asia debido a la menor necesidad de agua. Sin embargo, el garbanzo (cultivo de la estación seca) enfrenta un déficit de humedad del suelo comparativamente agudo en comparación con el mijo perla (cultivo de la estación húmeda), lo que limita la sostenibilidad general del PCCS. Por lo tanto, el manejo de la humedad (específicamente en los garbanzos) y la intensificación del sistema son muy esenciales para sostener el PCCS de manera holística. Desde entonces, la agricultura de conservación (AC) ha surgido como una importante estrategia climáticamente inteligente para combatir el estrés hídrico junto con otras vulnerabilidades de la producción. Por lo tanto, el estudio actual comprendió tres sistemas de labranza en parcelas principales, a saber, CA completa con retención de residuos (CAc), CA parcial sin retención de residuos (CAp) y labranza convencional (ConvTill) en tres sistemas de cultivo en subparcelas. -parcelas a saber, sistema de cultivo de mijo perla-garbanzos (PCCS) cultivado convencionalmente junto con dos sistemas intensificados, es decir, sistema de cultivo de mijo perla-garbanzos-forraje y mijo perla (PCFCS) y sistema de cultivo de mijo perla-garbanzos-frijol mungo (PCMCS) en diseño de parcelas divididas. Los resultados de la investigación centrada principalmente en el garbanzo (cultivo de estación seca) revelaron que, en promedio, hubo un aumento significativo en el rendimiento del grano de garbanzo bajo CAc por una suma de 27, 23,5 y 28,5% bajo PCCS, PCFCS y PCMCS, respectivamente durante ConvHasta. La absorción de NPK y la biofortificación de micronutrientes (Fe y Zn) en los granos de garbanzo fueron nuevamente significativamente mayores en parcelas CAc con triple labranza cero y retención de residuos; a lo que siguieron las parcelas CAp triples con labranza cero y sin retención de residuos y las parcelas ConvTill. Del mismo modo, CAc bajo PCMCS condujo a un aumento en el contenido relativo de agua foliar (RLW) en garbanzos en ~ 20,8% respecto a ConvTill bajo PCCS, mejorando así los efectos del estrés hídrico. Curiosamente, el manejo de CA y la intensificación del sistema mejoraron significativamente las propiedades bioquímicas de las plantas en los garbanzos, a saber, superóxido dismutasa, ascorbato peroxidasa, catalasa y glutatión reductasa; por lo tanto, indica su papel principal en la inducción de la capacidad de tolerancia al estrés hídrico en garbanzos privados de humedad. Las parcelas CAc con triple labranza cero también redujeron los flujos de N2O en los garbanzos, pero con emisiones de CO2 ligeramente mayores; sin embargo, redujeron las emisiones netas de GEI. Los sistemas de cultivo triples sin labranza (PCFCS y PCMCS), tanto bajo CAc como Cap, condujeron a una mejora significativa en la población microbiana del suelo y en las actividades de las enzimas del suelo (fosfatasa alcalina, diacetato de fluoresceína, deshidrogenasa). En general, el sistema PCCS de intensificación con frijol mungo (PCMCS) junto con la triple labranza cero con retención de residuos (CAc) puede mejorar ampliamente la productividad, la biofortificación de micronutrientes y la capacidad de tolerancia al estrés hídrico en los garbanzos, además de impulsar los beneficios ecológicos en condiciones agrícolas semiáridas. -ecologías. Sin embargo, los agricultores deben preservar un equilibrio al adoptar CAc o CAp donde el ganado compita por igual por forraje de calidad.

El sistema de cultivo de mijo perla y garbanzo (PCCS) es una secuencia de cultivos importante en las regiones semiáridas del sur de Asia debido a su menor necesidad de agua1. En las regiones áridas y semiáridas del sur de Asia, el mijo perla (Pennisetum glaucum L.) es el principal cultivo alimentario que se cultiva durante la estación húmeda en sistemas de mono o doble cultivo debido a su naturaleza resistente a las condiciones climáticas extremas2. Asimismo, el garbanzo (Cicer arietinum L.), un importante cultivo de leguminosas de estación seca (Rabi) que se cultiva con humedad residual del suelo, contribuye enormemente a la restauración de la fertilidad del suelo y la seguridad nutricional en esta región1,3,4. Sin embargo, el garbanzo (cultivo de la estación seca) enfrenta un déficit de humedad del suelo comparativamente agudo en la estación seca debido a la distribución errática de las precipitaciones sobre el mijo perla (cultivo de la estación húmeda), lo que limita la productividad y calidad del garbanzo. Estas vulnerabilidades de producción representan una gran amenaza para la sostenibilidad del sistema de cultivo de mijo perla y garbanzo (PCCS) en la región. Por lo tanto, prácticas apropiadas de conservación del suelo y la humedad pueden mitigar los desafíos antes mencionados en PCCS en ecologías tan vulnerables.

La agricultura de secano ya aporta ~82% de la superficie cultivable mundial (1.223 millones de hectáreas) y alberga ~40% de la población mundial5. El aumento demográfico en el sur de Asia ejerce además una presión exorbitante para mejorar la producción de alimentos en las regiones áridas y semiáridas. Sin embargo, con la llegada de las variedades de mijo perla de corta duración, se ha hecho posible optar por sistemas de cultivo triple con prácticas adecuadas de manejo del suelo y la humedad. En este caso, el frijol mungo y el mijo perla forrajero pueden ser cultivos apropiados de corta duración para la temporada de verano para la intensificación de PCCS en regiones semiáridas para satisfacer las necesidades tanto de legumbres como de forraje, respectivamente6. Por lo tanto, el manejo adecuado de la humedad (específicamente en los garbanzos), junto con la intensificación del sistema, pueden desempeñar un papel importante en el mantenimiento del PCCS de manera holística. La agricultura de conservación (AC) ha surgido como una importante estrategia climáticamente inteligente para mitigar el estrés hídrico en agroecologías vulnerables, además de su impacto positivo en la productividad, la calidad, la tolerancia al estrés hídrico y la salud del suelo de los cultivos7,8,9.

La retención de residuos en la superficie del suelo bajo el manejo de AC previene la erosión del suelo y las pérdidas por evaporación, y regula la dinámica térmica del suelo que mantiene la humedad del suelo y, en consecuencia, mejora la eficiencia en el uso del agua y los nutrientes y la productividad de los cultivos10. Los sistemas de AC también reducen los requisitos de nutrientes (~ 30%), mano de obra (~ 50%) y combustible (~ 65%) en diversos cultivos11,12,13,14. La gestión de la AC también promueve el almacenamiento de carbono orgánico del suelo (COS), la estabilidad de los agregados y la actividad biológica del suelo durante la labranza intensiva1,15,16,17. Además, las propiedades fisicoquímicas y biológicas mejoradas del suelo y la modulación del microclima bajo el manejo de AC9,10,18,19 también pueden resultar útiles para inducir la capacidad de tolerancia al estrés hídrico en los cultivos de secano20. Por lo tanto, es obligatorio generar evidencia científica sólida para las intervenciones agronómicas basadas en AC para las regiones semiáridas con escasez de agua y también bajo sistemas de cultivo de labranza triple cero, ya que la mayor parte de la investigación hasta la fecha se limita en gran medida al arroz basado en riego. sistema de cultivo de trigo (RWCS) en el sur de Asia21. Además, el garbanzo de temporada Rabi es más vulnerable al estrés hídrico debido a la distribución escasa y errática de las precipitaciones5. Por lo tanto, estudiamos el impacto de las prácticas de AC y la intensificación del sistema en la productividad, la calidad y la capacidad de tolerancia al estrés hídrico del garbanzo privado de humedad como cultivo indicador bajo PCCS intensificado. Por lo tanto, la experimentación actual se basó en la hipótesis de que la intensificación del sistema de triple labranza cero de PCCS conduciría a una mayor productividad, biofortificación de micronutrientes y propiedades bioquímicas de las plantas con menores emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en el cultivo de garbanzos, además de una mejora de la población microbiana del suelo y del suelo. Actividades enzimáticas en agroecologías semiáridas del sur de Asia.

En el estudio actual, la población microbiana del suelo se vio afectada significativamente (p <0,05) por diversas prácticas de labranza y los sistemas de cultivo intensificados. Los recuentos de unidades formadoras de colonias (UFC) fueron significativamente mayores en la agricultura de conservación (CA) completa con retención de residuos (CAc) seguida de tratamientos de AC parcial sin retención de residuos (CAp) y labranza convencional (ConvTill), respectivamente (Fig. 1). El mayor número de bacterias, hongos y actinomicetos se observó en CAc seguido de CAp. En todas las prácticas de labranza, el sistema de cultivo de mijo perla, garbanzos y frijol mungo (PCMCS) tuvo un recuento de UFC microbianas significativamente mayor, seguido del sistema de cultivo de mijo perla-garbanzos (PCCS), mientras que el sistema de cultivo de mijo perla, garbanzos y forraje de mijo perla (PCFCS) informó la menor población microbiana. Entre varias combinaciones de tratamientos, los recuentos microbianos más altos de bacterias (82,2 × 104 UFC g-1 de suelo), hongos (63,2 × 102 UFC g-1 de suelo) y actinomicetos (49,5 × 104 UFC g-1 de suelo) se observaron en parcelas CAc con Sistema PCMCS (CAc_PCMCS) seguido de CAc con sistema PCCS (CAc_PCCS) y CAc con sistema PCFCS (CAc_PCFCS), respectivamente. La población más baja de bacterias (53,3 × 104 UFC g-1 de suelo), hongos (41,5 × 102 UFC g-1 de suelo) y actinomicetos (29,3 × 104 UFC g-1 de suelo) se percibieron bajo ConvTill_PCFCS, que fueron 35,2, 52,2 y 16,2%. inferior a la mejor combinación de tratamiento CAc_PCMCS. Esto puede deberse a que la alta adición de biomasa orgánica en las parcelas de CAc mejoró la estructura del suelo, la estabilidad de los agregados y la disponibilidad uniforme de humedad del suelo, lo que a su vez podría haber permitido que las poblaciones microbianas crecieran y se mantuvieran en la rizosfera15,16,17,18. 22. La combinación de la práctica de CAc con la intensificación de leguminosas también mejoró el aporte de COS debido a la adecuada caída de hojarasca y adiciones de biomasa de raíces de leguminosas con una estrecha relación C:N18,19; lo que a su vez mejoró la diversidad microbiana del suelo17,23,24,25. Las raíces de las leguminosas también liberan los exudados de las raíces que albergan la diversidad microbiana en la rizosfera4,20,26, es por eso que el sistema de leguminosas dobles, es decir, PCMCS, tuvo los recuentos microbianos más altos de bacterias, hongos y actenomicetos en el estudio actual.

Efecto de las prácticas de labranza y los sistemas de cultivo sobre las poblaciones microbianas del suelo (muestras de suelo tomadas de una capa de suelo de 0 a 15 cm después del segundo año de ciclo de cultivo). Las barras verticales indican el LSD en p = 0,05. [Nota: PCCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzo; PCFCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzos-mijo perla forrajero; PCMCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzo-frijol mungo; CAc = Agricultura de conservación completa con retención de residuos; CAp = Agricultura de conservación parcial sin residuos; ConvTill = labranza convencional].

Diferentes prácticas de labranza tuvieron un efecto significativo (p <0,05) sobre las actividades de la fosfatasa ácida y alcalina, glucosidasa, deshidrogenasa y diacetato de fluoresceína (FDA) (Fig. 2). Estas actividades enzimáticas fueron significativamente (p <0,05) mayores con CAc seguida de CAp y ConvTill. En comparación con ConvTill, las actividades de fosfatasa ácida, fosfatasa alcalina, glucosidasa, deshidrogenasa y FDA fueron mayores en un 55,6, 64,3, 16,7, 105,3 y 83,8%, respectivamente, bajo CAc. La intensificación del sistema tuvo un efecto significativo sobre las actividades de la fosfatasa alcalina, la deshidrogenasa y la FDA. Las actividades más altas de fosfatasa alcalina (152 μmol p-nitrofenol g-1 h-1), deshidrogenasa (454 μg TPF g-1 24 h-1) y FDA (24,2 μg fluoresceína g-1 h-1) se observaron bajo PCMCS, mientras que PCFCS tuvo menos actividades de estas enzimas. Además, la inclusión de leguminosas mejora la MOS4,20,26, lo que da como resultado mayores actividades enzimáticas del suelo en el sistema PCMCS de doble leguminosa21,27. Del mismo modo, un mayor enriquecimiento de COS tanto en los sistemas de labranza basados ​​en AC como en la intensificación de leguminosas podría haber mejorado la actividad de la FDA en nuestro estudio16,21. Las prácticas de AC y la intervención con leguminosas también mejoraron la actividad deshidrogenasa debido a una mayor biodisponibilidad de nutrientes microbianos en la rizosfera16,28,29.

Efecto de las prácticas de labranza y los sistemas de cultivo sobre las actividades enzimáticas microbianas del suelo (muestras de suelo tomadas de una capa de suelo de 0 a 15 cm después del segundo año de ciclo de cultivo). Las barras verticales indican el LSD en p = 0,05. [Nota: PCCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzo; PCFCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzos-mijo perla forrajero; PCMCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzo-frijol mungo; CAc = Agricultura de conservación completa con retención de residuos; CAp = Agricultura de conservación parcial sin residuos; ConvTill = labranza convencional].

Diferentes prácticas de labranza y sistemas de cultivo tuvieron una influencia significativa (p < 0,05) en el número de vainas planta-1 durante ambos años (Cuadro 1). La planta de vainas-1 durante 2020-2021 fue un 19% menor que el año 2019-2020. Las mayores vainas planta-1 (40,5 y 32,8) se obtuvieron con CAc_PCMCS en comparación con el resto de las combinaciones de tratamientos durante ambos años donde ConvTill_PCFCS tuvo el menor recuento de vainas planta-1 (31,4 y 26,6). La retención de residuos de cultivos mejora la fertilidad del suelo y la capacidad de retención de humedad debido al enriquecimiento de la MOS y la biodisponibilidad de nutrientes después de la descomposición de la biomasa13,21,30, lo que acelera el crecimiento de las plantas y la acumulación de materia seca y, finalmente, el rendimiento económico31. Las prácticas de AC tienen como objetivo aumentar los aportes de carbono y la biodisponibilidad de nutrientes con una mejor rizoecología física (formación de agregados, permeabilidad a la humedad y conservación) que proliferan directamente la diversidad microbiana del suelo con mayores rendimientos de los cultivos13,16. De manera similar, la interacción labranza e inclusión de leguminosas (frijol mungo) mostró una mejora significativa (p < 0,05) en el rendimiento de grano y paja en garbanzo durante ambos años (Tabla 1). En general, el rendimiento de grano y paja de garbanzo fue comparativamente mayor durante 2019-2020 que en 2020-2021 debido a la distribución uniforme de las precipitaciones durante 2019-2020 en comparación con 2020-2021 (Fig. 6). Se registró un rendimiento significativamente más alto de grano (1,23; 0,74 t ha-1) y paja (3,6; 2,06 t ha-1) de garbanzo con la combinación de CAc con el sistema PCMCS en comparación con otras combinaciones durante 2019-2020 y 2020-2021, respectivamente. La práctica CAc en comparación con ConvTill tuvo un aumento respectivo en el rendimiento promedio de grano de ~ 27, 23,5 y 28,5 % y un aumento promedio en el rendimiento de paja de ~ 48,5, 47,5 y 56 % bajo PCCS, PCFCS y PCMCS en nuestro estudio. Nuevamente, el sistema PCFCS de labranza convencional tuvo menor rendimiento de grano y rastrojos que otros sistemas de cultivo. Además, la retención de residuos en las parcelas de CA fue muy efectiva para reducir las pérdidas por evaporación y conservar más humedad del suelo, lo que resultó en un mejor crecimiento y rendimiento de los cultivos en comparación con las parcelas de ConvTill13,14. Además, el garbanzo es un cultivo de raíces profundas, por lo que utilizó eficientemente la humedad conservada del suelo en las parcelas de AC para obtener mayores rendimientos4,32. Existió una correlación fuerte y positiva significativa entre la productividad de garbanzos y las vainas de la planta-1 durante 2019-2020 (R2 = 0,96) y 2020-2021 (R2 = 0,77) (Fig. 3). La mejora general en el rendimiento de garbanzos en parcelas de AC (CAc y CAp) podría atribuirse al papel fundamental de los residuos de cultivos en varios procesos fisiológicos, bioquímicos, químicos y físicos15,16,17,23,24,33.

Correlación entre el rendimiento de grano de garbanzo y la planta de vainas-1 en diferentes sistemas de cultivo durante 2 años, es decir, 2019-2020 y 2020-21.

Los resultados experimentales revelaron que ambas prácticas de AC (CAc y CAp) mejoraron la absorción total de NPK (grano + rastrojo) en garbanzos en comparación con la labranza convencional (Tabla 2). Se obtuvo una absorción significativamente mayor (p < 0,05) de N total (73,3 l; 43 kg ha-1), P (7,5; 4,3 kg ha-1) y K (53,3; 30,2 kg ha-1) bajo CAc_PCMCS durante 2019-2020. y 2020-2021. Una mayor biodisponibilidad de nutrientes como resultado de condiciones óptimas de humedad en las parcelas de AC podría ser el factor principal para tales observaciones34. Una mayor absorción de NPK también puede contribuir a un mayor rendimiento bajo CAc debido a la mejora de las propiedades fisicoquímicas y biológicas del suelo9,10. La menor absorción de NPK se registró en ConvTill_PCFCS debido al crecimiento deficiente de los cultivos y la producción de biomasa en las parcelas ConvTill en comparación con CAc18,19,35. La mayor absorción de NPK bajo PCMCS también puede deberse a la inclusión de dos leguminosas (garbanzo y frijol mungo) en el sistema, lo que mejoró en gran medida la biofertilidad del suelo en comparación con los sistemas PCCS y PCFCS4.

Las prácticas de labranza y la intensificación del sistema tuvieron un efecto significativo (p < 0,05) sobre la biofortificación de micronutrientes (Zn, Fe) en granos de garbanzo y paja (Tabla 3). Entre los tratamientos de labranza, el contenido de micronutrientes significativamente mayor (p < 0,05) en los granos de garbanzo y en la paja se obtuvo con CAc y CAp seguidos de ConvTill. El contenido de Fe y Zn aumentó en ~ 2,5 y 1,56; y 8,3 y 10,1% en garbanzos en grano; y 3.4 y 3.8; y 3,7 y 6,2 % en paja durante 2019-2020 y 2020-2021, respectivamente, sobre ConvTill. La mejora en el contenido de micronutrientes bajo CAc puede atribuirse a una mayor actividad microbiana y a la liberación sincrónica de nutrientes durante el proceso de descomposición de la MOS de los residuos de cultivos16,24,36,37. Del mismo modo, el mayor contenido de micronutrientes (Zn, Fe) en los granos de garbanzo y la paja se observó en PCMCS debido a una mayor adquisición de nutrientes y productividad de biomasa bajo la influencia de dos leguminosas, es decir, garbanzo y frijol mungo4. Se encontró que una mejora significativa en los micronutrientes (promedio de 2 años) en diferentes sistemas de cultivo fue 1,60 y 1,80 (Fe); 3,9 y 3,5 (Zn) mg kg-1 en grano y rastrojo en PCCS y PCMCS, respectivamente, sobre PCFCS. Así, los sistemas integrados en leguminosas fijaron más N con suficientes adiciones de biomasa que tenían una relación C:N estrecha18,19; por lo tanto, se acelera la descomposición de la biomasa con más secuestro de C frente a una mayor adquisición de micronutrientes4,27. La MOS resultante también podría haber ayudado en la síntesis de ácidos orgánicos en la rizosfera27, que a su vez actuaron como quelatos de micronutrientes, influyendo en la translocación y removilización de micronutrientes37,38.

Varias combinaciones de tratamientos mejoraron significativamente (p <0,05) el contenido relativo de agua (RWC) en las hojas de garbanzo completamente expandidas en el momento de la floración (Fig. 4). El RWC más alto (86,3%) se logró bajo CAc en el sistema PCMCS. Esta combinación de tratamientos mejoró el RWC en aproximadamente un 20,76 % con respecto al sistema ConvTill_PCFCS. La mejora del RWC bajo CAc fue una consecuencia de una mayor retención de humedad y un estrés de humedad comparativamente menor en las parcelas de CAc retenidas con residuos9,10. Además, la intervención de leguminosas en las secuencias de cultivos mejora la capacidad de retención de agua debido a un mejor ambiente físico y biológico rizosférico, lo que resulta en relaciones favorables entre planta, suelo y agua con un mayor RWC18,21,25.

Efecto de las prácticas de labranza y los sistemas de cultivo sobre el contenido relativo de agua (RWC) en las hojas de garbanzo (media agrupada de 2 años). Las barras verticales indican el LSD en p = 0,05. [Nota: PCCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzo; PCFCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzos-mijo perla forrajero; PCMCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzo-frijol mungo; CAc = Agricultura de conservación completa con retención de residuos; CAp = Agricultura de conservación parcial sin residuos; ConvTill = labranza convencional].

Diversas combinaciones de tratamientos de sistemas de cultivo y labranza afectaron notablemente el contenido de humedad del suelo (perfil del suelo de 0 a 15 cm), a intervalos mensuales durante ambas temporadas de crecimiento de garbanzos (Fig. 5). Las diferencias en el contenido de humedad del suelo fueron relativamente menores durante el período de cosecha 2019-20, ya que la cosecha recibió 336,7 mm de lluvia, en comparación con el segundo año, cuando la lluvia de la temporada de invierno fue de solo 73,7 mm. El contenido máximo de humedad del suelo se registró en sistemas agrícolas de conservación, específicamente en parcelas CAc. Mientras que, bajo los tratamientos ConvTill, la humedad del suelo se mantuvo más baja. Las menores pérdidas de humedad debido a una menor evaporación y una mayor retención de humedad en las parcelas retenidas con residuos de cultivos podrían haber resultado en una mayor disponibilidad de humedad en los sistemas de AC2,10. Del mismo modo, el componente de leguminosas en PCMCS bajo diferentes sistemas de labranza podría haber mejorado la capacidad de retención de agua debido a un mejor ambiente rizosférico físico y biológico, dando como resultado un mayor contenido de humedad en el perfil del suelo18,21.

Contenido de humedad del suelo en intervalo mensual durante el período de crecimiento del cultivo de garbanzo en el perfil de suelo de 0 a 15 cm correspondiente al año (A) 2019-20 y (B) 2020-21. [Nota: PCCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzo; PCFCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzos-mijo perla forrajero; PCMCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzo-frijol mungo; CAc = Agricultura de conservación completa con retención de residuos; CAp = Agricultura de conservación parcial sin residuos; ConvTill = labranza convencional].

Las prácticas de labranza y la intensificación del sistema tuvieron una influencia significativa (p <0,05) en las propiedades bioquímicas frente a la capacidad de tolerancia al estrés hídrico del garbanzo (Fig. 6), excepto la actividad de ascorbato peroxidasa (APX) y catalasa (CAT). Los tratamientos, CAc_PCMCS (22,9%), una combinación de CA completo y un sistema de cultivo integrado de leguminosas dobles exhibieron el mayor contenido de proteína del grano (Fig. 6A), con un contenido de proteína ~ 3,6% mayor en comparación con ConvTill_PCCS. El mayor contenido de N en garbanzos bajo CAc_PCMCS puede atribuirse a una mayor biodisponibilidad de N en el suelo debido a la doble inclusión de leguminosas1,4,18. Una mayor tasa de descomposición de los residuos de cultivos en el sistema CAc también podría haber mejorado la adquisición de N y el contenido de proteínas en las plantas18,39. El contenido de proteína del grano fue menor en ConvTill_PCFCS debido a la extensa eliminación de N por parte de dos componentes del cereal en el sistema9,10. Se encontró que el contenido de prolina estaba inversamente relacionado con RWC. Los máximos de contenido de prolina (9,5 μmol g-1 FW) se obtuvieron bajo ConvTill_PCFCS (Fig. 6B). Esta combinación de tratamiento se mantuvo a la par con ConvTill_PCCS (7,98 μmol g-1 FW) y ConvTill_PCMCS (6,84 μmol g-1 FW) y CAp_PCFCS (7,15 μmol g-1 FW). El contenido menos prolino se observó en CAc_PCMCS y CAc_PCCS. Los niveles reducidos de prolina en las hojas de garbanzo en CAc podrían deberse a la mayor retención de humedad debajo de los residuos de cultivos, lo que resultó en un bajo estrés hídrico de las plantas25,40. De manera similar, las plantas de garbanzo cultivadas con prácticas de AC en PCMCS mostraron propiedades bioquímicas significativamente más altas, como la actividad de superóxido dismutasa (SOD) (28,9 Ug-1 FW-1) y la actividad de glutatión reductasa (GR) (0,63 U mg-1 proteína-1 min- 1) que fueron ~ 11 y 30 % más altos que ConvTill_PCCS (Fig. 6C,D). Se observó un aumento estadísticamente no significativo en las actividades CAT y APX bajo CAc (Fig. 6E, F). Los valores más bajos de prolina y más altos de actividad de SOD, GR, CAT y APX en garbanzos bajo CAc indican la capacidad del manejo de CA en la tolerancia al estrés por humedad en el estudio actual2,18. De varios estudios se desprende que el estrés por humedad o sequía causa estrés oxidativo al disminuir la conductividad estomática en las plantas, lo que confina el flujo de CO2 a las hojas40. Por tanto, hay una reducción del CO2 interno de la hoja, provocando la formación de especies reactivas de oxígeno (ROS) principalmente en las células vegetales, mitocondrias, cloroplastos y peroxisomas41. En nuestro estudio, hubo mayor producción de actividad SOD, GR, CAT y APX en garbanzos bajo CAc. Además, una mayor producción de ROS induce un impacto nocivo en las células vegetales; el sistema de defensa de la planta se activa contra ROS42; y libera antioxidantes no enzimáticos (prolina) y enzimas antioxidantes (como CAT, SOD) y enzimas del ciclo ascorbato-glutatión (AsA-GSH) (como GR y APX) para la desintoxicación de ROS y la protección de las células vegetales40,41,42,43. Indica que las actividades mejoradas de SOD, GR, CAT y APX bajo CAc inducen la capacidad de tolerancia al estrés por sequía en plantas de garbanzo en ambientes semiáridos.

Efecto de las prácticas de labranza y los sistemas de cultivo sobre las propiedades bioquímicas del garbanzo (media agrupada de 2 años), (A) Contenido de proteína; (B) Contenido de prolina; (C) Superóxido dismutasa (SOD); (D) ascorbato peroxidasa (APX); (E) Catalasa (CAT) y (F) Glutatión reductasa (GR). Las barras verticales indican el LSD en p = 0,05. [Nota: PCCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzo; PCFCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzos-mijo perla forrajero; PCMCS = Sistema de cultivo de mijo perla-garbanzo-frijol mungo; CAc = Agricultura de conservación completa con retención de residuos; CAp = Agricultura de conservación parcial sin residuos; ConvTill = labranza convencional; Las barras verticales indican el LSD en p = 0,05].

En el estudio actual, las emisiones de CO2 y N2O oscilaron entre 1757 y 2246 kg ha-1 y 332-345 kg ha-1, respectivamente, bajo varios tratamientos de labranza (Tabla 4). El sistema CAc emitió una cantidad relativamente mayor de CO2, seguido de CAp y ConvTill. El CAp y el ConvTill se mantuvieron estadísticamente a la par en términos de emisiones de CO2. A diferencia del CO2, la emisión de N2O fue mayor en las parcelas ConvTill y más baja en las parcelas CAc; sin embargo, las emisiones netas de GEI fueron menores con CAc en comparación con ConvTill. Asimismo, la intensificación del sistema (PCMCS y PCFCS) provocó un ligero aumento de las emisiones de CO2, que se mantuvieron estadísticamente a la par. Los cultivos intensivos (PCMCS/PCFCS) no afectaron las emisiones de N2O, donde todos los sistemas de cultivo se comportaron estadísticamente de manera similar. La labranza cero con retención de residuos en sistemas de cultivo intensivo aumentó la disponibilidad de carbono orgánico, lo que podría haber resultado en una mejor respiración del suelo y liberación de CO244,45. La presencia de una cubierta de residuos reduce las emisiones de N2O46 y, por lo tanto, se observó un flujo de N2O ligeramente menor en los sistemas CA47.

En el estudio actual, la intensificación del sistema basado en triple labranza cero junto con la retención de residuos (CAc) puede mejorar el rendimiento del grano de garbanzo en aproximadamente un 25% en comparación con los sistemas de labranza convencionales (ConvTill) en las ecologías semiáridas con escasez de humedad. Del mismo modo, el sistema de cultivo triple ligado a leguminosas dobles, es decir, el sistema de cultivo de mijo perla, garbanzo y frijol mungo (PCMCS) bajo CAc mejoró significativamente el contenido relativo de agua de las hojas (~ 21%), la absorción total de NPK, el contenido de proteínas y la biofortificación de micronutrientes (Fe, Zn). Población microbiana del suelo y actividades enzimáticas del suelo en comparación con ConvTill. La biofortificación de micronutrientes (Fe, Zn) en granos de garbanzo siguió la tendencia CAc > Cap > ConvTill. Las emisiones de N2O no se vieron afectadas por los diferentes sistemas de cultivo. Curiosamente, la gestión de CAc redujo los flujos de N2O pero con emisiones de CO2 ligeramente mayores, sin embargo, restringió las emisiones netas de GEI. Los sistemas de triple cultivo y el manejo de la AC influyeron significativamente en las entidades bioquímicas de las plantas en el garbanzo, a saber. contenido de prolina, superóxido dismutasa, ascorbato peroxidasa, catalasa y glutatión reductasa. Los valores más bajos de prolina y más altos de actividad de superóxido dismutasa, glutatión reductasa, catalasa y ascorbato peroxidasa en garbanzos bajo CAc indican la capacidad del manejo de CA en la tolerancia al estrés hídrico en ecologías semiáridas. En general, la intensificación del sistema de cultivo de mijo perla y garbanzos mediante el frijol mungo (PCMCS), junto con la triple labranza cero y la retención de residuos (CAc), puede mejorar la productividad de los garbanzos, la biofortificación de micronutrientes, la tolerancia al estrés hídrico y la salud del suelo con una reducción de la productividad. Emisiones de GEI en las condiciones semiáridas predominantes en el sur de Asia. Sin embargo, los pequeños agricultores todavía tienen que mantener un equilibrio al adoptar CAc o CAp, donde la cría de ganado compite por igual por forrajes de calidad.

El presente experimento se llevó a cabo durante 2019-2020 y 2020-2021 en una granja de investigación del ICAR-Instituto Indio de Investigación Agrícola, Nueva Delhi [Latitud 28°4′N; Longitud 77°12′E; Altitud 228,6 m]. La región tiene un clima semiárido con inviernos severos y veranos calurosos y secos. Casi el 70-80% de la lluvia anual (~ 652 mm) se recibe durante julio-septiembre y el resto entre el 20-30% durante octubre-mayo2. La lluvia total recibida durante la temporada de crecimiento del garbanzo fue de 336,7 mm (2019-2020) y 73,7 mm (2020-2021) (Fig. 7). El suelo del experimento fue de textura franco arenosa (Inceptisol), de reacción ligeramente alcalina, pobre en carbono orgánico del suelo (COS) y N disponible y medio en P y K disponibles. Las propiedades físico-químicas iniciales detalladas del suelo experimental se enumeran en la Tabla 5.

Datos meteorológicos de Nueva Delhi, India para la temporada de cultivo de garbanzos (temporada Rabi) correspondiente al año (A) 2019–20 y (B) 2020–21. [Nota: Tmáx. = Temperatura Máxima; Tmín. = Temperatura Mínima; HR = Humedad relativa; RF = Precipitación; SS = Horas de sol; EVP = Evaporación del recipiente, WS = Velocidad del viento].

El experimento se planteó en un diseño de parcelas divididas con tres repeticiones. En las parcelas principales se utilizaron prácticas de labranza y manejo de residuos, mientras que en las subparcelas se asignaron diversos sistemas de cultivo (Cuadro 6). La variedad de garbanzo 'Pusa-1103' se sembró en la 2da semana de octubre durante ambos años, a 45 cm de espaciamiento entre hileras y utilizando 80 kg de semilla ha-1. Las operaciones de relleno y raleo se realizaron dentro de los 20 días posteriores a la siembra. El cultivo se fertilizó con 20 kg N + 40 kg P2O5 + 40 kg K2O por ha. Nutrientes vegetales; N, P y K se aplicaron a través de urea (46% N), superfosfato simple (16% P2O5) y muriato de potasa (60% K2O), respectivamente. La cantidad total de fertilizantes NPK se aplicó como basal en el momento de la siembra del garbanzo. Todos los cultivos, incluido el garbanzo, se cultivaron enteramente en condiciones de secano con humedad del suelo conservada. Para controlar las malezas, se realizó una aplicación preemergente de pendimetalina usando 0,75 kg de ia ha-1 en 400 L ha-1 de solución de pulverización. En parcelas de AC, después de la cosecha del cultivo anterior, se aplicaron 0,75 kg de ia ha-1 de paraquate utilizando 400 L de agua ha-1 como solución de pulverización. Todos los cultivos se cultivaron utilizando un paquete estándar de prácticas excepto los respectivos planes de tratamiento51,56.

La experimentación actual se realizó en un experimento a largo plazo. Se recolectaron muestras de suelo fresco y húmedo de 0 a 15 cm de profundidad inmediatamente después de completar dos años de rotaciones de cultivos del experimento realizado durante 2019-2020 y 2020-2021, es decir, el tercer y cuarto año del experimento a largo plazo. Luego, estas muestras fueron trasladadas al laboratorio para su análisis microbiano. La población bacteriana total se contó mediante el método de siembra en placas Pour57, en el que las muestras se incubaron en medio de agar nutritivo durante 3 días a 32 °C. El recuento de hongos totales se realizó después de incubar la placa de cultivo de hongos a 30 °C durante 5 días en medio agar rosa de bengala suplementado con estreptomicina (30 µg ml-1)58. Asimismo, el recuento total de actinomicetos se realizó utilizando placas de agar de aislamiento de actinomicetos (AIA) con 50 mg ml-1 de ácido nalidíxico59, donde las placas de AIA se incubaron durante 7 días a 28 °C. Los resultados de las lecturas por triplicado se presentaron como UFC g-1 de suelo seco. Las actividades enzimáticas de la fosfatasa ácida y alcalina del suelo se determinaron utilizando fosfato de para (p)-nitrofenilo 16 mM como sustrato60 y se informaron como μmol de p-nitrofenol g-1 h-1. Asimismo, la actividad glucosidasa se estimó utilizando p-nitrofenol-β-D-glucopiranósido 25 mM como sustrato61 y se expresó como μmol p-nitrofenol g-1 h-1. La actividad deshidrogenasa se determinó mediante la tasa de reducción del cloruro de trifeniltetrazolio a trifenilformazán51 y se expresó como μg TPF g-1 24 h-1. La actividad microbiana del suelo expresada como hidrólisis FDA se determinó siguiendo el método desarrollado por Green et al.62.

Se contaron las vainas de la planta-1 de 10 plantas de garbanzos seleccionadas al azar y se tomó el promedio. El rendimiento de grano se registró (con un contenido de humedad del 14%) del área neta de la parcela y se expresó en t ha-1 siguiendo la metodología de Rana et al.51.

Se recolectaron muestras de plantas de garbanzo (grano y paja) después de la cosecha durante ambos años (2019-20 y 2020-21) y luego se secaron en horno a 60 ± 2 °C durante 72 h. Posteriormente, las muestras fueron molidas en Willey-Mill equipado con piezas de acero inoxidable y pasadas por un tamiz de 1 mm. Las concentraciones de nitrógeno en estas muestras se estimaron mediante el método de Micro-Kjeldahl55, y el P y K total se determinaron utilizando un digesto de ácido sulfúrico-nítrico-perclórico51. La absorción de nutrientes se calculó multiplicando las respectivas concentraciones de nutrientes por el rendimiento de grano y paja y se expresó en kg ha-1. El contenido de micronutrientes (Fe, Zn) en el grano y en la paja se determinó mediante un método de digestión con diácidos utilizando espectrofotometría de absorción atómica51.

El contenido relativo de agua (RWC) de la hoja de garbanzo se determinó a partir de la primera hoja superior completamente expandida de las plantas en la etapa de floración. El peso fresco de la hoja se registró inmediatamente y luego la hoja se incubó en agua destilada durante al menos 4 h a 40 °C en la oscuridad, se secó y se midió su peso turgente. Finalmente, se determinó el peso seco luego de secarlo a 80 °C durante 48 h en estufa. El RWC se calculó con la siguiente fórmula63:

Donde Fw es el peso fresco, Dw es el peso seco y Tw es el peso turgente.

El contenido de humedad del suelo se determinó a intervalos mensuales durante el período de crecimiento del cultivo de garbanzos de 0 a 15 cm de perfil del suelo durante los años de estudio, es decir, 2019-20 y 2020-21, utilizando procedimientos estándar51.

Se determinaron las actividades de proteína, contenido de prolina, superóxido dismutasa, ascorbato peroxidasa, catalasa y glutatión reductasa a partir de muestras de plantas de garbanzo en la etapa de floración utilizando la metodología estándar de Lowry et al.64, Bates et al.65, Beauchamp y Fridovich66, Nakano y Asada67, Aebi68. y Foyer et al.69, respectivamente.

Los flujos de gases de efecto invernadero (GEI), es decir, CO2 y N2O, se midieron durante ambas temporadas de crecimiento de garbanzos (de octubre a marzo), utilizando el método de cámara estática70,71 y durante 7 días continuos después de la fertilización y la lluvia. Para el muestreo de gases se utilizaron cámaras acrílicas de 15 cm × 15 cm × 100 cm, equipadas con termómetro, ventilador que funciona con baterías y septos de goma en la parte superior. Las muestras se recogieron una vez por semana entre las 9 y las 11 a. m. utilizando una jeringa de 20 ml equipada con una llave de paso de 3 vías, a los 0, 30 y 60 minutos después del cierre de la cámara. Para cada tratamiento el muestreo se realizó por triplicado. Las concentraciones de CO2 y N2O en la muestra recolectada se analizaron mediante cromatógrafo de gases (GC: Hewlett Packard 5890)70 que tiene una columna de acero inoxidable equipada con un detector de ionización de llama y captura de electrones. La cantidad acumulada de emisiones de CO2 y N2O se determinó mediante interpolación lineal de dos intervalos adyacentes de mediciones realizadas en los días de muestreo, suponiendo que las emisiones de GEI siguieron una tendencia lineal durante los períodos en los que no se tomó muestra72,73.

Las emisiones de CO2 y N2O del suelo se calcularon mediante la siguiente ecuación:

Aquí F es el flujo de CO2/N2O, ρ es la densidad del gas, \(V\) es el volumen de la cámara cerrada (m3), \(A\) es el área de superficie de la cámara cerrada (m2), \( \frac{\mathrm{\Delta c}}{\mathrm{\Delta t}}\) representa la tasa de aumento de la concentración de gas CO2/N2O en la cámara (mg/μg m−3 h−1) y T ( temperatura absoluta) se calcula como 273 + temperatura media (°C) de la cámara. El flujo total de CO2/N2O para todo el período de cultivo se calculó mediante interpolación lineal utilizando la siguiente ecuación. 74:

donde \({R}_{i}\) es el flujo de emisión de CO2/N2O (gm−2 d−1) en el iésimo intervalo de muestreo, \({D}_{i}\) representa el número de días en el i-ésimo intervalo de muestreo, y n es el número de intervalos de muestreo.

Los datos relacionados con cada parámetro se analizaron según el procedimiento de análisis de varianza (ANOVA) para determinar los efectos del tratamiento mediante la prueba de diferencia honestamente significativa de Tukey como prueba de separación de medias post hoc (p < 0,05) utilizando el software SAS 9.1 (SAS Institute, Cary, Carolina del Norte). Se utilizó el procedimiento de Tukey cuando se encontró que ANOVA era significativo.

Se afirma que las investigaciones experimentales actuales sobre las plantas cumplen con las directrices y legislación institucional, nacional e internacional pertinente. También se afirma que se han obtenido los permisos pertinentes cuando fue necesario, para la recolección de especímenes vegetales. También se afirma que los autores cumplen con la 'Declaración de Política de la UICN sobre Investigación de Especies en Riesgo de Extinción' y la 'Convención sobre el Comercio de Especies Amenazadas de Fauna y Flora Silvestres'.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores agradecen al ICAR – Instituto Indio de Investigación Agrícola, Nueva Delhi, por proporcionar las instalaciones necesarias durante la realización del estudio para publicar esta valiosa publicación.

ICAR-Instituto Indio de Investigación Agrícola, Nueva Delhi, 110012, India

Ram Swaroop Bana, Mukhtar Ahmad Faiz, Seema Sangwan, Anil K. Choudhary, Shanti D. Bamboriya y Ravi Chandrabhan Nirmal

Universidad Nacional de Ciencias y Tecnología Agrícolas de Afganistán (ANASTU), Kandahar, Afganistán

Mukhtar Ahmad Faiz

ICAR-Instituto Central de Investigación de la Papa, Shimla, Himachal Pradesh, 171001, India

Anil K. Choudhary

ICAR-Instituto Indio de Investigación del Maíz, Ludhiana, Punjab, 141004, India

Shanti D. Bamboriya

ICAR-Instituto de Investigación de Estadísticas Agrícolas de la India, Nueva Delhi, 110012, India

Samarth Godara

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RSB y AKC conceptualizaron, diseñaron y realizaron el estudio de investigación, realizaron análisis bioquímicos y escribieron, revisaron y editaron el manuscrito. MAF realizó el estudio de investigación y realizó análisis de suelo. SS realizó análisis microbianos y escribió, revisó y editó el manuscrito. SDB, SG y RCN reunieron los datos, prepararon figuras y tablas, editaron y validaron los resultados.

Correspondencia a Mukhtar Ahmad Faiz o Anil K. Choudhary.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Bana, RS, Faiz, MA, Sangwan, S. et al. La labranza triple cero y la intensificación del sistema conducen a una mayor productividad, biofortificación de micronutrientes y capacidad de tolerancia al estrés hídrico en los garbanzos en un sistema de cultivo de mijo perla y garbanzos en un clima semiárido. Representante científico 13, 10226 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36044-0

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Recibido: 18 de enero de 2023

Aceptado: 28 de mayo de 2023

Publicado: 23 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36044-0

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