Ciencia de los Pastos y otros Cultivos

Substancias húmicas que benefician el desarrollo de Arachis pintoi vc. Amarillo MG 100 (maní forrajero) cultivado en suelo degradado

0000-0002-8195-0053D.M. Oliveira¹  , 0000-0002-3564-7440C.C. Thiengo^{1  *}  , 0000-0002-2343-1773Lenita J. Bolzan¹  , 0000-0003-3284-7129E.S. Mendonça¹  , 0000-0002-6758-3517D.L. Burak¹ 

¹Department of Agronomy, Center for Agricultural Sciences and Engineering, Federal University of Espírito Santo, Alegre, 29500-000, Brazil.

Resumen

Las sustancias húmicas se utilizan cada vez más como bioestimulantes y pueden también beneficiar el desarrollo del maní forrajero (Arachis pintoi vc. Amarillo MG 100), una especie prometedora para la recuperación de pastos degradados. El objetivo del estudio fue evaluar el efecto de diferentes concentraciones de sustancias húmicas extraídas del vermicompost de estiércol de ganado en el crecimiento y contenido de nutrientes en plantas de maní forrajero inoculadas con Bradyrhizobium spp. El experimento se realizó en un invernadero, con un diseño de bloques al azar, cinco concentraciones de sustancia húmica y cinco réplicas. Se evaluó la materia seca del brote, la materia seca de la raíz, el número de nódulos, el contenido de macronutrientes en el brote, el contenido de clorofila total, la relación clorofila a/b y la eficiencia cuántica del fotosistema II. La adición de sustancias húmicas aumentó el rendimiento y la acumulación de nutrientes de las plantas de maní forrajero. La materia seca de los brotes respondió de forma cuadrática a la adición de sustancias húmicas. La concentración de 40 mg L^-1 de C aumentó en 45.85 % el número de nódulos en comparación con el control. Hubo mejoras en la eficiencia del fotosistema II y la acumulación de nitrógeno, potasio, calcio y magnesio hasta en 12 % (37.1 a 41.5 mg maceta^-1), 8.6 % (35.3 a 38.3 mg maceta^-1), 13.5 % (21.8 a 24.7 mg maceta^-1) y 7.5 % (9.8 a 10.53 mg maceta^-1), respectivamente, en el brote con la aplicación de sustancias húmicas, excepto en la acumulación de fósforo.

Palabras-clave: bioestimulantes; nodulación; suelo de baja fertilidad; fotosistema II; Bradyrhizobium

En el sistema de producción agrícola, las áreas con pasto están ocupadas predominantemente por plantas de la familia Poaceae, que requieren altas dosis de fertilizantes nitrogenados para mejorar su rendimiento. Sin embargo, el alto costo compromete el suministro de este insumo, lo que lleva a baja disponibilidad de nitrógeno (N) para el cultivo, que produce la degradación de los pastos (^{Canto et al. 2016} y ^{Vasques et al. 2019}). La recuperación del rendimiento en estas áreas requiere alternativas sostenibles (^{Dias-Filho 2017}). En este sentido, se pueden introducir leguminosas forrajeras asociadas a bioestimulantes para visualizar sistemas productivos con menor impacto en el ambiente.

Las leguminosas forrajeras, como el maní forrajero (A. pintoi vc. Amarillo MG 100), son eficientes en la fijación biológica de nitrógeno (FBN), tienen mejor calidad nutricional y pueden reducir los costos de producción debido a la adquisición y disponibilidad de N (^{Olivo et al. 2019}). Además, esta leguminosa estolonífera tiene buena adaptación a suelos ácidos, resistencia y tolerancia a plagas y enfermedades (^{Simeão et al. 2017}). La inoculación con bacterias diazotróficas del género Bradyrhizobium (BD) asegura una nodulación y fijación más eficiente, contribuyendo al rendimiento y estabilidad de los pastos (^{Terra et al. 2019}).

Las sustancias húmicas (SH) parecen ser prometedoras para estimular el crecimiento de las plantas como complemento de los efectos del BD asociado con el maní forrajero. Este beneficio puede deberse a la señalización hormonal que resulta en sistemas radiculares más estructurados y, por lo tanto, una mayor absorción de nutrientes y rendimiento final (^{dos Santos et al. 2021}). Además, también actúan en la regulación osmótica y promueven mejores tasas de fotosíntesis (^{Du Jardin 2015}).

Este estudio se basa en la premisa de que la aplicación de SH beneficia el desarrollo del maní forrajero cuando se cultiva en suelo en estado de degradación. Teniendo en cuenta lo anterior, los autores tuvieron como objetivo la evaluación del rendimiento, indicadores nutricionales y fisiológicos en estas plantas cuando se sometieron a la aplicación de diferentes concentraciones de SH.

Materiales y Métodos

El suelo utilizado fue representativo de una situación de pastos degradados en la región de Jerônimo Monteiro-ES, recolectado en la capa 0-20 cm y clasificado como ultisol (argisol rojo-amarillo distrófico, Sistema de Clasificación Brasileño) (^{Santos et al. 2013}). Posteriormente, el suelo se secó al aire y se tamizó a través de una malla de 2.0 mm para obtener el suelo fino secado al aire, así como su caracterización física y química (^{Teixeira et al. 2017}) (tabla 1).

Table 1 Physical and chemical characterization of the soil used in the experiment 

pH	P	K	Ca	Mg	Al	H+Al	SB	CEC	ECE	OM
(H2O)	ppm		cmolc kg^-1							%
4.10	0.25	0.06	0.23	0.08	0.8	5.5	0.38	5.88	1.18	0.74
BS	m	S	B	Fe	Cu	Mn	Zn	Sand	Silt	Clay
%		ppm						%
6.46	67.8	24.8	0.55	48.73	0.15	1.74	0.66	54.36	2.96	42.68

SB - sum of bases (SB = Ca +Mg + K); CEC - cation exchange capacity (at pH 7.0); ECEC - effective cation exchange capacity; OM - organic matter; BS - base saturation; m - aluminum saturation.

El experimento se realizó en un invernadero de la Universidad Federal de Espírito Santo (20° 45 ‘S y 41° 29’ W) en el período de enero a marzo de 2019. Se registraron valores diarios de temperatura máxima y mínima dentro del invernadero. Las temperaturas máximas diarias alcanzaron los 38.0 °C, con una media de 34.7 °C, y las mínimas diarias promediaron los 20.9 °C. La humedad media en este mismo período osciló entre 57 % (mínimo) y 78 % (máximo).

El diseño experimental fue en bloques al azar, con cinco concentraciones de SH (0, 20, 40, 60 y 80 mg L^-1 de C) y cinco réplicas, para un total de 25 unidades experimentales. Las plántulas se obtuvieron mediante semillas germinadas en bandeja. Diez días después de la emergencia (DDE), se trasplantaron seis plántulas, las cuales presentaron mayor homogeneidad en fuerza y tamaño para cada maceta definitiva (con una capacidad de 5 dm³). La humedad del suelo se mantuvo al 60 % de la capacidad máxima de almacenamiento (predeterminada por el método de análisis gravimétrico), basado en la diferencia de peso mediante una balanza de precisión y se aplicó agua desionizada a las macetas diariamente.

Las semillas se desinfectaron según ^{Hungria et al. (2010)} después de extirpar el pericarpio. Para la inoculación con Bradyrhizobium spp. BR1433 (SEMIA 6440) realizado en todos los tratamientos, los autores siguieron la recomendación de ^{Purcino et al. (2000)} para una mejor adherencia de los inoculantes a las semillas, que posteriormente se secaron a la sombra durante 15 minutos.

Los SH se extrajeron de vermicompost (^{Canellas et al. 2002}) y presentaron pH (H2O): 6.29; C: 60.4 g kg^-1; P: 987.50 mg dm^-3; para K, Ca, Mg, Al y H + Al, se encontraron 2.57, 7.71, 8.25, 0 y 1.80 cmolc dm^-3, respectivamente; suma de bases (SB): 18.52 cmolc dm^-3 y capacidad de intercambio catiónico (CIC): 20.32 cmolc dm^-3. Las concentraciones de SH se basaron en el contenido de carbono (C). El fraccionamiento químico de sustancias húmicas se realizó según el método adaptado de ^{Swif (1996)}. Los porcentajes encontrados a través del fraccionamiento químico de las sustancias húmicas del vermicompost correspondieron al 67 % y 33 % en la fracción ácidos fúlvicos y ácidos húmicos, respectivamente.

La primera aplicación de SH se realizó a los 20 DDE y la segunda a los 40 DDE, entre las 6 y las 7 p.m. Se utilizó un pulverizador de presión manual con una boquilla ajustable. Las plantas recibieron 2.0 mL en la primera aplicación y 4.0 mL en la segunda (mayor materia seca del brote) por planta. Esta cantidad se estandarizó, con el objetivo de cubrir la totalidad de las hojas durante los períodos de aplicación.

A los 60 DDE, se estimó el contenido total de clorofila (Chl t), clorofila a (Chl a) y clorofila b (Chl b) en hojas completamente expandidas (2 hojas/planta) mediante el medidor de clorofila portátil, ClorofiLOG (Falker Agricultural Automation, Brasil), entre las 8 y las 11 a.m. Se determinó la altura total (cm), y luego de la recolección y lavado de raíces, se contaron los nódulos activos (colores rosáceos) en cada maceta (NN). No se observó una alta frecuencia de nódulos inactivos.

Las determinaciones de la fluorescencia de la clorofila a se cuantificaron con un fluorómetro de luz modulada portátil (PSI FluorPen, modelo FP 100, Drasov, República Checa), a partir del cual se obtuvo el rendimiento cuántico máximo del fotosistema II (PSII) (FV/FM) después de la adaptación de las hojas a la oscuridad por 15 minutos. Las mediciones se realizaron simultáneamente y en las mismas hojas en las que se leyó el contenido de clorofila.

Las plantas se separaron en raíces y brotes, se almacenaron en bolsas de papel y se colocaron en una estufa a 65 °C durante 72 horas (hasta alcanzar peso constante) para determinar la materia seca del brote (MSB) y la materia seca de la raíz (MSR). Las muestras se trituraron en un molino de cuchillas para posterior determinación de nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), calcio (Ca) y magnesio (Mg).

Para el análisis químico del N foliar, se realizó digestión sulfúrica, seguida de destilación Kjeldahl, según ^{Carmo et al. (2000)}. Para el análisis químico foliar de los demás nutrientes se realizó la digestión nítrica y la lectura se realizó según ^{Malavolta et al. (1997)}.

Los datos se analizaron para determinar la normalidad (Shapiro-Wilk) y la homogeneidad de la varianza (ANOVA). Se realizó un análisis de regresión para los factores cuantitativos, donde los modelos se eligieron en función de la significación de los coeficientes de regresión mediante la prueba t de Student al nivel de significancia del 5 % y el coeficiente de determinación (R²). Para trazar los gráficos, se utilizó el software SigmaPlot®, versión 10 (^{Systat Software Inc 2006}).

Resultados y Discusión

La aplicación de diferentes concentraciones de SH en maní forrajero aumentó la MSB en alrededor de 10.98 % (p≤ 0.05). Se estimó que el rendimiento máximo de MSB se obtendría con la concentración de 31 mg L^-1 de C (figura 1).

Figure 1 Shoot dry matter [SDM] (a) and root dry matter [RDM] (b) of forage peanut plants according to the application of HS concentrations. * p ≤ 0.05; ns: not significant 

Las sustancias húmicas actúan de manera similar a las hormonas o alcamidas. También estimulan una mayor actividad de las H ⁺ -ATPasas en la membrana plasmática, lo que genera un gradiente electroquímico con la extrusión de H+, y, por tanto, mayor permeabilidad de la pared celular (^{Canellas et al. 2015} y ^{Zandonadi et al. 2019}). Además, promueven una mayor emisión de pelo radicular y raíces laterales delgadas, lo que aumenta la superficie del sistema radicular y exuda ácidos orgánicos de bajo peso molecular (^{dos Santos et al. 2021}). Esta actividad mejora el ambiente de la rizosfera y aumenta la absorción de nutrientes (^{Du Jardin 2015}).

La regresión no fue significativa (p> 0.05) para la MSR. ^{Rosa et al. (2009)} evaluaron la misma especie y encontraron crecimiento del sistema radicular al aplicar concentraciones de SH de carbón mineral en la solución nutritiva. Se puede inferir que la composición, así como las concentraciones de SH, inducen diferentes estímulos. Se ha observado la presencia de pelos radicales con la aplicación de SH. Sin embargo, dicha modificación es difícil de medir a partir de la materia seca.

Hubo aumento en NN (figura 2) hasta la concentración de C de 40 mg L^-1 (52.8 nódulos maceta^-1), alrededor de 25.41 a 45.85 % en comparación con el tratamiento control (36.2 nódulos maceta^-1). Nótese que la variación obtenida en este parámetro está altamente relacionada con las concentraciones de SH (R² = 0.968). ^{Capstaff et al. (2020)} demostraron, a través del análisis de ARN transcripcional, que los forrajes leguminosos tratados con ácido húmico tienen una regulación positiva de muchos genes importantes en la nodulación.

Figure 2 Plant height (c) and number of nodules (d) of forage peanut plants according to the application of HS concentrations p ≤ 0.01 

El modelo cuadrático (R² = 0.90; p ≤ 0.01) (figura 2) revela que la concentración de 55 mg L^-1 de C de SH proporciona el mejor resultado de altura de planta. Este resultado puede estar asociado con el efecto hormonal de SH cuando se aplica en concentraciones bajas. Se observó reducción en la altura de la planta a la concentración de SH de 80 mg L^-1 de C, y esta se clasificó como inhibidora del crecimiento de la planta.

^{Rosa et al. (2009)}, al aplicar 11 mg L^-1 de C en Phaseolus vulgaris L. (Fabaceae), observaron un aumento en la MSB. ^{Pinheiro et al. (2018)} encontraron aumento del 44 % en la altura de la planta y del 196% en la producción de MSB a partir de Urochloa decumbens (Poaceae) cuando se aplicaron 60 mg L^-1 de C. Según ^{Gao et al. (2015)}, SH estimula el metabolismo celular y el transporte de nutrientes, generando una mayor densidad celular de Bradyrhizobium spp., además de promover la expresión de proteínas relacionadas con FBN.

Las concentraciones de SH fueron significativas en el análisis de regresión para N y Ca (p≤0.01) y K y Mg (p ≤ 0.05) (figura 3). No hubo ajuste a los modelos lineal y cuadrático para P.

Figure 3 Accumulation of N (a), P (b), K (c), Ca (d), and Mg (e) in the shoot of forage peanut plants according to the HS concentrations (0, 20, 40, 60 and 80 mg L^-1 C). Significant * p ≤ 0.05; ** p ≤ 0.01; ns: not significant. 

Las concentraciones aplicadas de SH aumentaron el contenido de nutrientes en el brote de las plantas de maní forrajero en comparación con el control. Se encontraron incrementos de 12 % de N (37.1 a 41.5 mg maceta^-1), 8.6 % de K (35.3 a 38.3 mg maceta^-1), 13.5 % de Ca (21.8 a 247 mg maceta^-1) y 7.5 % de Mg (9.8 a 10.53 mg maceta^-1) (figura 3). Los mayores valores en la acumulación de N y K, basados en el ajuste de regresión, se obtendrían en concentraciones de C de 43 y 41 mg L^-1, respectivamente. La concentración de 38 mg L^-1 de C sería la mejor para la acumulación de Ca y Mg

Las SH maximizan la absorción de nutrientes, incluso a bajas concentraciones en el suelo. ^{Pinheiro et al. (2010)} encontraron que la acumulación de N mostró un comportamiento cuadrático como respuesta a la aplicación de diferentes concentraciones de ácido húmico en plántulas de eucalipto (Myrtaceae). ^{Savita y Girijesh (2018)} también informaron el aumento del contenido de macronutrientes, quienes estudiaron la soya (Glycine max L.) (Fabaceae) y, ^{Júnior et al. (2019)} en plantas de mangostán (Garcinia mangostana) (Clusiaceae) cuando se aplica ácido húmico.

Los ácidos húmicos actúan en la interacción suelo-microbiota-planta, principalmente en la disponibilidad y asimilación de nutrientes (^{Hayes y Swift 2020}). La contribución de FBN al maní forrajero puede cubrir casi la totalidad de su demanda nutricional de N (^{Longhini et al. 2021}). La mayor tasa de nodulación y acumulación de N puede estar correlacionada. Esto se debe a la estimulación de la emisión de pelos radiculares que resulta de la adición de SH. Además, ^{Quaggiotti (2004)} muestra que la aplicación de ácidos húmicos aumenta la absorción de NO₃^- en el maíz debido a la regulación del ARNm de su principal H⁺ -ATPasa.

La acumulación de K aumentó con concentraciones crecientes de SH hasta 40 mg L^-1 de C, en contraste con ^{Rosa et al. (2009)}, quienes observaron una disminución en las tasas de absorción de este elemento en frijoles. Aunque el contenido de Ca y Mg fue bajo en el suelo, la aplicación de SH elevó su tasa de absorción, según ^{Pinheiro et al. (2010)}.

Hubo ligera disminución en la acumulación de P en comparación con el control, que varió de 2.71 a 7.42 % dependiendo de la concentración de SH aplicada. Estas reducciones fueron más expresivas en las concentraciones de C de 20 y 40 mg L^-1 y aumentaron en la concentración de C de 80 mg L^-1. Estos hallazgos se pueden atribuir a las diluciones de estos nutrientes debido a una mayor MSB en las concentraciones referidas, además del bajo contenido de P disponible en el suelo.

Las concentraciones de SH tuvieron efecto solo para FV/FM, entre los parámetros fisiológicos evaluados (figura 4). Los valores que se encuentran fuera del rango de 0.75-0.85 indican daño por fotoinhibición en el centro de reacción del PSII (^{Guidi et al. 2019}).

Figure 4 Quantum yield of photosystem II (a), total chlorophyll (b), chlorophyll a (c), chlorophyll b (d), and chlorophyll a/b ratio (e) of forage peanut plants according to the application of HS concentrations ** p ≤ 0.01; ns: not significant 

Los valores de FV/FM variaron de 0.802 a 0.834, y las concentraciones de SH promovieron un incremento promedio de 2.99 % respecto al control (0.802), destacando las aplicaciones de 80 mg L^-1 de C (0.834). Solo alrededor del 10 % de la variabilidad FV/FM no se atribuyó al efecto de las concentraciones de SH (R²=0.89; p≤0.01) (figura 4). Independientemente del tratamiento, no hubo daños en el centro de reacción del PSII.

Además, se demostró durante el estudio que mayor MSB produce mejor absorción de nutrientes. Este estado nutricional mejorado puede culminar en plantas que son menos susceptibles al estrés (> FV/FM) (^{Fan et al. 2014}). Probablemente los análisis de enzimas antioxidantes podrían explorar este punto mejor que el contenido de clorofila.

Los valores de la relación Chl t, Chl a, Chl b y Chl a/Chl b no se ajustaron a los modelos de regresión evaluados (p> 0.05), los cuales mostraron un leve incremento debido a las aplicaciones de HS (3.53; 3.91 y 3.58 %, respectivamente) en comparación con el control. El contenido de clorofila se correlacionó positivamente con el contenido de N (r=0.75), lo que demostró que el aumento en las concentraciones de SH condujo a un mayor aporte de este elemento y mayores niveles de clorofila.

Conclusiones

La aplicación de sustancias húmicas extraídas del vermicompost aumentó la materia seca del brote, la altura de la planta y el número de nódulos, así como el rendimiento cuántico máximo de las plantas de Arachis pintoi vc. Amarillo MG 100, que indica mejoras en el centro de reacción de PSII.

Se recomienda la aplicación de 40 mg L^-1 de sustancias húmicas para obtener la máxima absorción de N, K, Ca y Mg en plantas de maní forrajero.

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Recibido: 14 de Junio de 2021; Aprobado: 08 de Octubre de 2021

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