Legumes crop for a sustainable agriculture: study of soil fertility, greenhouse gas emission, carbon sequestration and nutritional status of the crops

Abstract

[SPA] Gracias a su habilidad para fijar el nitrógeno atmosférico, los sistemas de cultivo basados en leguminosas son considerados como una estrategia sostenible para reducir el aporte externo de fertilizantes nitrogenados, disminuyendo así las emisiones de gases de efecto invernadero. Además, la inclusión de leguminosas en rotación puede dar como resultado la mejora de la calidad y fertilidad del suelo, y la mejora del rendimiento de los cultivos posteriores. Esta contribución depende de las especies de plantas, las propiedades del suelo, las condiciones climáticas o las prácticas de manejo. Además, la introducción de bacterias fijadoras de nitrógeno en el suelo podría ser una práctica efectiva para mejorar la eficiencia del nitrógeno, mientras que la inoculación con micorrizas está relacionada con el aumento del crecimiento de las plantas, la absorción de nutrientes inmóviles y la resistencia a patógenos. Estos efectos positivos de los cultivos de leguminosas pueden mejorar la rentabilidad de la agricultura orgánica, que tiende a tener rendimientos más bajos en comparación con la agricultura convencional. En base a rotaciones de cultivos basados en leguminosas, establecimos un experimento con tres objetivos diferentes. En primer lugar, nuestro objetivo fue evaluar el efecto de dos especies de leguminosas diferentes (caupí, poco común en el área de estudio, y haba, tradicional en el área de estudio) sobre el carbono orgánico del suelo (COS), la agregación del suelo, la fertilidad del suelo y los rendimientos de los cultivos posteriores de hortalizas (brócoli y melón, respectivamente) cultivados bajo prácticas de manejo convencionales y orgánicas después de dos ciclos de cultivo de rotación. Los resultados mostraron que el cultivo previo de caupí, en comparación con el cultivo de haba, era una alternativa más efectiva en términos de producción sostenible para aumentar el COS, la fertilidad del suelo y el rendimiento de los cultivos posteriores mediante procesos de rizodeposición. En el cultivo de brócoli, la práctica de manejo convencional se relacionó positivamente con los depósitos de carbono y nitrógeno. La práctica de manejo orgánico se relacionó con mejoras en la estructura del suelo, pero también con el rendimiento del cultivo. En segundo lugar, nuestro objetivo fue evaluar el efecto de dos cultivares de caupí (Feijão frade de fio preto y Feijão frade de fio claro) en la fertilidad del suelo, el rendimiento, la calidad del cultivo y la composición nutricional del cultivo de brócoli posterior cultivado bajo prácticas de manejo convencional y orgánica durante tres ciclos de rotación de cultivos, mientras que las tasas de fertilización se redujeron un 20% en comparación con el cultivo de brócoli. Los resultados mostraron que el cultivo de caupí era una buena estrategia para la diversificación de cultivos y para reducir la dependencia de fertilizantes nitrogenados, ya que contribuyó a un aumento del fósforo disponible del suelo mientras que mantuvo el rendimiento y la calidad del cultivo de brócoli después de tres rotaciones de cultivos bajo ambas prácticas de manejo. La práctica de manejo convencional aumentó el diámetro y los rendimientos de las pellas de brócoli. La práctica de manejo orgánico mejoró la estructura del suelo y la actividad microbiana. En tercer lugar, nuestro objetivo fue evaluar el efecto de diferentes especies de leguminosas (caupí, poco común en el área de estudio, y haba, tradicional en el área de estudio) en los depósitos de carbono en el suelo, el contenido de nitrógeno y actividades enzimáticas del suelo de los cultivos posteriores de hortalizas (brócoli y melón, respectivamente) cultivados bajo prácticas de manejo convencional y orgánica después de dos ciclos de rotación de cultivos. Los resultados mostraron que el cultivo previo de caupí en comparación con el cultivo de haba fue mejor para aumentar el COS, el nitrógeno y las actividades enzimáticas del suelo del cultivo posterior de hortalizas debido a procesos de rizodeposición. En el cultivo de brócoli, la práctica de manejo convencional aumentó el COS. La práctica de manejo orgánico se relacionó con un mayor secuestro de carbono. El cultivar de la leguminosa afectó el contenido de nitrógeno en el suelo y la actividad deshidrogenasa. Además, también evaluamos el efecto de un cultivo de leguminosa y no leguminosa (haba y brócoli) durante dos años sobre el rendimiento del cultivo, las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) (N2O, CO2 y CH4) y las actividades enzimáticas del suelo, cultivados bajo prácticas de manejo convencional y orgánica. El año de cultivo afectó las emisiones de GEI, el rendimiento de los cultivos y las actividades enzimáticas. El cultivo de haba mostró las mayores emisiones de GEI, mientras que el cultivo de brócoli mostró mayores actividades enzimáticas en el suelo. La práctica de manejo convencional resultó en mayores rendimientos para ambos cultivos, mientras que la práctica de manejo orgánico condujo a mayores emisiones de N2O y CO2 y actividades enzimáticas del suelo en ambos cultivos. El rendimiento de los cultivos estuvo relacionado con menores emisiones de GEI y mayor actividad enzimática. Finalmente, establecimos un experimento adicional para evaluar la efectividad de diferentes tratamientos de inoculación con los géneros Rhizobium y Burkholderia (BFN) y / o hongos micorrícicos arbusculares (HMA) a través de inoculación individual y dual en la nutrición vegetal, la fijación biológica de nitrógeno (FBN) y el rendimiento y calidad de dos cultivares de haba (Muchamiel y Palenca), con un 20% de disminución en la tasa de fertilización en comparación con los cultivos no inoculados durante dos años. Los resultados mostraron que la composición nutricional de la planta no se vio afectada por el tratamiento de inoculación o el menor aporte de fertilizantes. La FBN se vio afectada por el cultivar, con valores más altos en la parte aérea del cultivar Muchamiel. La inoculación dual en comparación con la inoculación individual mostró un mayor contenido de nitrógeno en la parte aérea de ambos cultivares de haba. La inoculación con bacterias pertenecientes al género Burkholderia (B. cenocepacia) en comparación con Rhizobium mostró un mayor contenido de nitrógeno en la raíz. Aunque no hubo diferencias en el contenido de nitrógeno en las partes aéreas con la inoculación, el contenido de proteína en el grano fue mayor después del tratamiento de inoculación, lo que sugiere una mayor eficacia en la asimilación de nitrógeno después de la inoculación.

[ENG] Thanks to their ability to fix atmospheric N, legume-based cropping systems are considered as a sustainable approach to reduce external input of N fertilizers, decreasing overall greenhouse gas emissions. Furthermore, inclusion of legumes in multiple cropping can result in the improvement of soil quality and fertility and the enhancement of the yield of subsequent crops. This contribution depends on plant species, soil properties, climatic conditions or management practices. In addition, the inclusion of N-fixing bacteria to the soil could be an effective practice to improve N efficiency while mycorrhiza inoculation is linked to plant growth increase, the uptake of immobile nutrients and the resistance to pathogens. These positive effects of legume crops can enhance the profitability of organic farming, which tends to have lower yields compared to conventional farming. Using legume-based multiple cropping, we established one experiment with three different objectives. Firstly, we aimed to assess the effect of two different legume species (cowpea -unusual in the study area- and fava bean –traditional in the study area) on soil organic carbon (SOC), soil aggregation, soil fertility and crop yields of subsequent vegetable crops (broccoli and melon, respectively) grown under conventional and organic management practices after two multiple cropping cycles. The results showed that previous cowpea, compared to fava bean crop, was a more effective alternative in terms of sustainable production for increasing SOC, soil fertility and crop yield of the subsequent vegetable crop by rhizodeposition processes. In broccoli crop, conventional management practice was positively linked to C and N pools. Organic management practice was linked to improvements is soil structure but also crop yield. Secondly, we aimed to assess the effect of two cowpea cultivars (Feijão frade de fio preto and Feijão frade de fio claro) on soil fertility, yield, crop quality and nutritional composition of subsequent broccoli crop grown under conventional and organic management practices during three multiple cropping cycles, while fertilization rates were reduced 20% compared to broccoli crop. The results showed that cowpea crop was a good strategy for crop diversification and for reducing N fertilizer dependency, since it contributed to an increase of soil available P while it maintained crop yield and quality in broccoli crop after three multiple cropping under both management practices. Conventional management practice increased broccoli head diameter and yields. Organic management practice improved soil structure and microbial activity. Thirdly, we aimed to evaluate the effect of different legume species (cowpea -unusual in the study area- and fava bean –traditional in the study area) on soil C pools, N content and soil enzyme activities of subsequent vegetable crops (broccoli and melon, respectively) grown under conventional and organic management practices after two multiple cropping cycles. The results showed that previous cowpea compared to fava bean crop was better for increasing soil organic C (SOC), N and soil enzyme activities of the subsequent vegetable crop due to rhizodeposition processes. In broccoli crop, conventional management practice increased SOC. Organic management practice was linked to higher C sequestration. Legume cultivar affected soil N content and dehydrogenase activity. In addition, we also assessed the effect of a legume and non-legume crop (fava bean and broccoli) during two years on crop yield, GHG emissions (N22 422 O, COand CH) and soil enzyme activities, grown under conventional or organic management practices. Crop year affected GHG emissions, crop yield and enzyme activities. Fava bean crop showed the highest GHG emissions, while broccoli crop showed higher soil enzyme activities. Conventional management practice resulted in higher crop yields for both crops, while organic management practice led to higher NO and COemissions and soil enzyme activities in both crops. Crop yield was related to lower GHG emissions and higher enzyme activities. Finally, we established an additional experiment to assess the effectiveness of different inoculation treatment with Rhizobium and Burkholderia genera (NFB) and/or arbuscular mycorrhiza fungi (AMF) through individual and dual inoculation on plant nutrition, BNF, and crop yield and quality of two fava bean cultivars (Muchamiel and Palenca), with 20% decrease in fertilization rate compared to non-inoculated crop during two seasons. The results showed that nutritional composition of plant was not affected by inoculation treatment or lower input of fertilizers. BNF was affected by cultivar, with higher values in shoot of Muchamiel cultivar. Dual compared to individual inoculation showed higher N content in shoot for both fava bean cultivars. Inoculation with bacteria belonging to Burkholderia genus (B. cenocepacia) compared to Rhizobium showed a higher N content in root. Although there was no difference in N content in shoots with inoculation, protein content in grain was higher after inoculation treatment, suggesting higher efficiency in N assimilation after inoculation.