Racionalizar el uso de yeso mineral mediante compost de desechos sólidos municipales enriquecido con microbios para mejorar y recuperar el potencial de productividad de los suelos alcalinos degradados.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11816 (2023) Citar este artículo

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La recuperación de suelos alcalinos para aprovechar su potencial de productividad es más compleja debido a la presencia de un exceso de iones de sodio, una conductividad hidráulica y una tasa de infiltración deficientes, lo que resulta en un crecimiento deficiente de las plantas y una productividad de los cultivos. La recuperación de suelos sódicos utilizando mejoradores inorgánicos como yeso mineral o fosfoyeso está fuera del alcance de los agricultores pequeños y marginales que tienen suelos alcalinos debido a sus precios de mercado más altos y su escasez de disponibilidad. El uso conjunto de enmiendas orgánicas e inorgánicas puede ser una solución pragmática para mejorar las propiedades físico-químicas y biológicas del suelo y sostener la productividad de los cultivos. El compost de desechos sólidos municipales (MSWC, por sus siglas en inglés) disponible en cantidades abundantes, si se enriquece con el eficiente consorcio microbiano halófilo y se usa junto con una dosis reducida de yeso, puede ser un enfoque rentable para la recuperación sostenible de suelos alcalinos y aprovechar su potencial de productividad. Por lo tanto, durante 2018 se realizó un experimento de campo en un suelo con alto contenido de álcali (pH2 9,2 ± 0,10), conductividad eléctrica (CE) 1,14 ± 0,12 dS m-1, porcentaje de sodio intercambiable 48 ± 2,50 y carbono orgánico (0,30%). –19 a 2020–21 para estudiar el efecto combinado de las enmiendas inorgánicas y orgánicas (compost de residuos sólidos municipales enriquecidos (EMSWC)) sobre la mejora de los suelos alcalinos y el mantenimiento de la productividad del sistema de cultivo de arroz y trigo. La aplicación de yeso @ 25% GR + compost de RSU enriquecido @ 10 t ha-1 (T6) mostró una mejora significativa en las propiedades físico-químicas y biológicas del suelo con respecto a la aplicación exclusiva de orgánico (T3 y T4), inorgánico (T2) y control ( T1). Se registró una mejora significativa en el estado de fertilidad del suelo en términos de nitrógeno y micronutrientes disponibles, así como contenido de CO3, HCO3, Cl, Ca y Mg, con la aplicación combinada de enmiendas orgánicas e inorgánicas (T5 y T6) en lugar de la aplicación exclusiva de minerales. yeso. El carbono de la biomasa microbiana del suelo (MBC), el nitrógeno (MBN) y el fósforo (MBP) mejoraron significativamente debido a la aplicación de EMSWC con yeso en comparación con la aplicación de yeso únicamente. El rendimiento de grano de arroz y trigo aumentó significativamente (P < 0.05) debido a la aplicación de una dosis reducida de yeso (25% GR) y EMSWC @ 10 t ha-1 (T6) con valores de 5.55 y 3.83 t ha-1. respectivamente sobre el resto de los tratamientos. El análisis económico de tres años del estudio reveló que los tratamientos T6 y T5 dieron el mayor rendimiento neto positivo, mientras que fue el más bajo en el tratamiento T1 y negativo en el tratamiento T2. La mayor relación beneficio-costo (B:C) se obtuvo en los tratamientos T6 y T5, los cuales fueron significativamente mayores en comparación con el resto de los tratamientos.

En las regiones áridas y semiáridas, la acumulación de sal en los suelos es un factor importante en la degradación de la tierra y en la reducción de la productividad de los cultivos1. Casi 1000 millones de hectáreas de suelo están teniendo algún grado de problema de salinización o sodificación en todo el mundo2. La mayoría de estos suelos tienen un crecimiento vegetal y una disponibilidad de nutrientes deficientes debido a la toxicidad iónica y el desequilibrio iónico, el bajo potencial osmótico, la humedad en la rizosfera, la conductividad del agua extremadamente pobre y el bajo rango de humedad disponible para las plantas3. La presencia de carga salina en dichos suelos también disminuye las actividades microbianas así como la biomasa microbiana4,5. En la India, alrededor de 6,73 millones de hectáreas son tierras afectadas por la sal, incluida la salinidad [dominante en cloruro y sulfatos de Na, Ca y Mg, pH < 8,5; conductividad eléctrica (CE) > 4 dS m-1; índice de adsorción de sodio (SAR) > 15], de los cuales alrededor de 3,77 millones de ha se reportan como suelo alcalino [dominante en carbonato, bicarbonato y silicatos de Na, pH > 8,5; porcentaje de sodio intercambiable (ESP) > 15 y CE < 4 dS m−1]6. Es de gran importancia mejorar las tierras alcalinas y aprovechar su potencial de productividad. El yeso (CaSO4·2H2O) se utiliza generalmente como mejorador químico para la recuperación de estos suelos. Diversos estudios han reportado que no hay mejora en las propiedades físicas y biológicas del suelo con el uso de enmiendas químicas solo debido a la baja conductividad hidráulica7 y también a su reducida disponibilidad en el escenario actual debido a sus usos no agrícolas y su alto costo de recuperación, restringe el uso de químicos. recuperación. Se han realizado algunos estudios para investigar la eficacia de las enmiendas orgánicas, como el estiércol de corral (FYM) y el lodo prensado (un subproducto de los ingenios azucareros) solos y en conjunto con enmiendas químicas para mejorar los suelos alcalinos y se encontró una mejora significativa. en sus propiedades físicas, químicas y biológicas y en la productividad de los cultivos8,9.

La eliminación de residuos sólidos municipales (RSU) generados como subproducto de procesos industriales, mineros, municipales y agrícolas es un desafío importante en las áreas urbanas. Cada año se generan alrededor de 1.300 millones de toneladas de RSU en todo el mundo. Para 2025, se espera que alcance los 2.200 millones de toneladas anuales10. Su eliminación en vertederos contribuye a la contaminación de las aguas subterráneas, la reproducción de insectos y la propagación de enfermedades. En la India se generan alrededor de 62 millones de toneladas de RSU al día11. La eliminación de cantidades cada vez mayores de RSU se está convirtiendo en un problema grave en todo el mundo. Se han elaborado varias estrategias para su utilización eficaz, pero no se ha explorado científicamente su eficacia en la recuperación de suelos alcalinos. El compostaje de RSU degradables y su utilización como fuente de materia orgánica es la mejor y más sencilla opción para su gestión. El compost de residuos sólidos urbanos (RSU), que tiene un alto contenido de materia orgánica y una baja concentración de contaminantes orgánicos e inorgánicos, ayuda a mejorar las propiedades físicas, químicas, bioquímicas y microbianas de los suelos afectados por la sal12. La aplicación de MSWC podría acelerar la lixiviación de sales, reducir el porcentaje de sodio intercambiable (ESP) y la conductividad eléctrica (CE), y aumentar la infiltración, la capacidad de retención de agua (WHC) y la estabilidad de los agregados13. Además, MSWC actúa como una fuente de nutrientes que pueden aumentar la fertilidad del suelo y ayudar a maximizar la productividad de los suelos afectados por la sal14,15. MSWC puede actuar como una fuente de nutrientes y carbono no convencional para reducir los efectos adversos de la alcalinidad en las propiedades del suelo. Los MSWC producidos por las plantas de tratamiento de residuos mediante procesos mecánicos son generalmente pobres en nutrientes para las plantas, por lo que se ha informado que su idoneidad para el uso agrícola es deficiente16. Los microbios halófilos promotores del crecimiento de las plantas (HPGPM) tienen posibilidades de biomejorar los suelos afectados por la sal17 ​​al mejorar la productividad y requieren un vehículo adecuado para su aplicación en el campo. Por lo tanto, el enriquecimiento del MSWC procesado mecánicamente con HPGPM ayudará a mejorar la calidad del compost. Dada la importancia nutricional y la calidad del compost, el presente estudio se realizó para enriquecer el MSWC con microbios promotores del crecimiento de plantas halófilas y su utilización junto con enmiendas inorgánicas para mejorar los suelos alcalinos y recuperar el potencial de productividad de los suelos alcalinos bajo arroz. sistema de cultivo de trigo.

Los experimentos de campo se llevaron a cabo en el Instituto Central de Investigación de Salinidad del Suelo ICAR, Estación de Investigación Regional, Granja de Investigación, Lucknow, India, ubicada a 26° 47′ 58″ N de latitud y 80° 46′ 24″ E de longitud y 120 m sobre el nivel medio del mar ( AMSL). Taxonómicamente el suelo experimental de la finca se clasificó como Typic Natrustalfs, de textura franco arenosa a franco arcillosa18. El suelo era pobre en propiedades físicas y estado de nutrientes debido a las malas relaciones agua y aire del suelo causadas por una mayor densidad aparente (> 1,6 g cm-3) y una mala conductividad hidráulica. El terreno agrícola tiene una pendiente suave en dirección NE hasta 97,6 m en dirección SW dentro de curvas de nivel de 99,0 m.

El clima del sitio experimental es semiárido, subtropical y monzónico con una precipitación promedio anual de 817 mm. La precipitación máxima recibida entre 23 y 40 semanas estándar (junio-octubre) fue de 394 mm, lo que representa el 91% de la precipitación total anual. El 9% restante se recibió entre 41 y 22 semanas estándar (noviembre-mayo). La tasa de evaporación promedio anual (1580 mm) varía con el aumento de la temperatura del aire y las demandas de agua atmosférica aumentaron gradualmente de 1 a 22 semanas (enero-junio). Durante la temporada de lluvias (junio-octubre), la tasa de evaporación disminuye gradualmente después de las lluvias monzónicas. Además, disminuyó gradualmente en el mes de diciembre debido a la reducción de la temperatura. Durante la temporada de lluvias (junio-septiembre), las tierras agrícolas mantienen un excedente de agua y en el período restante (noviembre-mayo) hay déficit de agua debido a una menor precipitación y una mayor tasa de evaporación. La temperatura máxima media (39 °C) se registró en junio y las temperaturas mínimas medias (7,1 °C) en enero. La temperatura media anual durante el período de estudio se registró como 24,6 °C (Fig. 1).

Características climáticas del sitio experimental. Las cifras proporcionadas son el promedio de 10 años de datos meteorológicos (2010-2020).

Las muestras de suelo se recolectaron del sitio experimental a una profundidad de suelo de 0 a 15 cm con una barrena. Una parte de la muestra se secó al aire, se molió en un mortero y se pasó a través de un tamiz de 2,0 mm y la otra parte se mantuvo en el refrigerador para análisis microbiano y bioquímico. Las muestras procesadas fueron analizadas para determinar sus propiedades fisicoquímicas y biológicas. Las diferentes fracciones del suelo a saber. Los contenidos de arena, limo y arcilla se determinaron siguiendo el Método Internacional de Pipeta19. Para la determinación de la densidad aparente, el suelo se extrajo con un muestreador de núcleo intacto de 10 cm de diámetro y 15 cm de longitud20, la tasa de infiltración en el suelo se estimó utilizando cilindros infiltrómetros dobles concéntricos de 60 cm de diámetro exterior y 30 cm de diámetro interior, y se midió la porosidad del suelo. se calculó como (1 − Densidad aparente/Densidad de partículas) × 10021. Para la determinación de la capacidad de intercambio catiónico (CIC) de la muestra de suelo, se empleó el método de sustitución de acetato de amonio-acetato de sodio21. El pH del suelo y la conductividad eléctrica (CE) se determinaron en una solución de suelo: agua 1:2 utilizando un medidor de pH digital con electrodo de vidrio (Systronics Tipo 361) y un medidor de conductividad TDS (Systronics Tipo 306), respectivamente. Se utilizó la concentración de sodio intercambiable (cmol kg-1)/capacidad de intercambio catiónico (cmol kg-1) × 100 para calcular el porcentaje de sodio intercambiable (ESP) del suelo. El contenido de carbono orgánico del suelo (COS) se analizó mediante el método de oxidación húmeda de titulación rápida de Walkley y Black22. El contenido de N, P y K disponible en muestras de suelo procesadas se estimó mediante destilación con KMnO4 y NaOH23, método de extracción con bicarbonato de sodio24 y método de extracción con acetato de sodio25, respectivamente. La concentración iónica de Na y K en el extracto de saturación del suelo se midió mediante fotometría de llama (Systronics, Tipo 128), mientras que los iones de Ca y Mg se midieron mediante el método de titulación Versenate26. Sin embargo, la concentración de iones carbonato (CO3-) y bicarbonato (HCO3-) se determinó mediante valoración con H2SO4 0,01 N utilizando indicadores de fenolftaleína y naranja de metilo. Para optimizar la dosis de yeso para el suelo del campo experimental, se determinó el requerimiento de yeso mineral (CaSO4·2H2O) (GR) utilizando el método modificado descrito por Schoonover27. Para analizar las propiedades biológicas del suelo, se utilizó el método habitual de recuento en placas de dilución en serie en agar nutritivo, agar de papa dextrosa y medios específicos de actinomicetos, para enumerar las respectivas poblaciones de bacterias, hongos y actinomicetos28, respectivamente. Para analizar el contenido de carbono (CBM) y nitrógeno (CBM) de la biomasa microbiana del suelo, se utilizó la técnica de extracción por fumigación con CHCl329. El fósforo de la biomasa microbiana del suelo (PBM) se midió mediante el método de extracción por fumigación con cloroformo30. Las propiedades bioquímicas del suelo, incluidas las actividades de ureasa y deshidrogenasa, se determinaron utilizando tampón fosfato y sustrato de urea31 y el método de cloruro de trifeniltetrazolio (TTC)32. Las propiedades iniciales del suelo experimental se presentan en la Tabla 1.

Para cuantificar la dosis de yeso mineral a aplicar en cada tratamiento, se analizó su composición química mediante procedimientos estándar. El yeso mineral (CaSO4·2H2O) constituyó un 18,3% Ca y un 16,1% azufre. La cantidad calculada de yeso se esparció según el tratamiento durante el mes de junio en la capa superficial superior del suelo (hasta 10 a 12 cm de profundidad) y se mezcló con una cultivadora mecánica (Fig. 2). Se estanqueron aproximadamente 10 cm de agua durante al menos 10 días para desplazar el NaSO4 como producto de reacción del intercambio Ca-Na más allá de la zona de las raíces según el protocolo estándar de recuperación de suelos sódicos. Según el tratamiento, se aplicaron fuentes orgánicas de enmiendas como compost de RSU no enriquecido y compost de RSU enriquecido a 10 t ha-1 y se mezclaron en 15 cm de suelo superficial. En la Fig. 3 se presenta el enfoque adaptado para el compostaje de RSU en granjas y su utilización para la producción de cultivos en suelos sódicos para racionalizar la enmienda de yeso.

Plan de trazado e imposición de tratamientos en el campo experimental.

El enfoque adaptado para el compostaje de RSU en granjas y su utilización para la producción de cultivos en suelos sódicos para racionalizar la enmienda de yeso.

Se realizó un experimento de campo en suelo sódico que constituyó seis tratamientos a saber. T1: control (sin enmienda del suelo), T2: yeso a 50 % GR, T3: abono de RSU no enriquecido a 10 t ha-1, T4: abono de RSU enriquecido a 10 t ha-1, T5: yeso a 25 % GR + abono de RSU no enriquecido a 10 t ha-1, T6: yeso a 25 % GR + abono de RSU enriquecido a 10 t ha-1 durante 2018-19 a 2020-21 con cultivos de arroz y trigo en un diseño de bloques aleatorios y el Los tratamientos se replicaron cuatro veces. El protocolo de recuperación que incluye terraplenes, nivelación, aplicación de yeso y lixiviación de sales se siguió estrictamente antes de la aplicación de enmiendas orgánicas en los tratamientos.

Las variedades tolerantes a la sal de arroz 'CSR36' y trigo 'KRL210' se cultivaron durante tres años como cultivo de prueba en las temporadas de lluvias e invierno, respectivamente. La dosis recomendada de fertilizantes (150 kg N:60 kg P2O5:40 kg K2O:25 kg ZnSO4 ha-1) se aplicó uniformemente en ambos cultivos a través de urea, fosfato diamónico (DAP), muriato de potasa (MOP) y sulfato de zinc. . Se aplicó como basal la mitad de la cantidad de fertilizante nitrogenado y una dosis completa de fósforo, potasa y zinc de manera uniforme en todos los tratamientos. El 50% restante del fertilizante N se aplicó en dos fracciones iguales a los 30 días después del trasplante (DAT) de arroz y siembra de trigo y en las etapas de iniciación de panícula en ambos cultivos. Las plántulas de arroz de la variedad tolerante a la sal 'CSR 36' se trasplantaron a 20 × 15 cm entre hileras y con un espaciamiento de planta a planta en la segunda semana de julio y se cosecharon en la primera semana de noviembre. Se sembró una variedad de trigo tolerante a la sal 'KRL 210' después de la cosecha de arroz en el mes de noviembre con los mismos tratamientos y se cosechó en abril. Otras prácticas de manejo del cultivo según sea necesario se mantuvieron iguales en todos los tratamientos. Los rendimientos de grano y paja de ambos cultivos se calcularon después de la cosecha en cada área neta de parcela (8 mx 7 m) y se expresaron en t ha-1.

El pozo entubado utilizado para el riego del campo experimental estaba situado a unos 100 m de distancia del campo experimental. Antes de utilizar esta agua para riego se analizó su calidad en el laboratorio siguiendo métodos estándar. Tiene una baja concentración de electrolitos y los valores de CE correspondientes oscilaron entre 0,78 y 0,90 dS m-1. Entre los cationes, el Na domina sobre el Ca y el Mg, seguido del K y los aniones como los bicarbonatos más carbonatos dominan sobre el calcio, mientras que los sulfatos estuvieron ausentes. Esta agua tenía una alcalinidad residual de entre 1,3 y 1,5 meq l-1, lo que era inofensivo para regar los cultivos cultivados en suelos afectados por la sal.

El abono de RSU para este estudio recolectado de una planta de tratamiento de desechos sólidos municipal cercana se enriqueció con consorcios de microbios eficientes promotores del crecimiento de plantas halófilas que incluyen Azotobacter, fosfobacterias y Bacillus sp. bacterias. El compost de RSU enriquecido con microbios se preparó como bloques enriquecedores de compost para facilitar su transporte y adopción por parte de los agricultores para su aplicación en el campo. Se analizó sus propiedades bioquímicas y microbiológicas después de la estabilización. La composición bioquímica del compost de RSU enriquecido y no enriquecido se proporciona en la Tabla 2.

Se recolectaron muestras de suelo de 0 a 15 cm de profundidad de todas las parcelas de tratamiento, después de tres años del experimento. Las muestras se secaron al aire a la sombra, se molieron con un mortero de madera y se tamizaron con un tamiz de 2 mm para el análisis de las propiedades químicas siguiendo los métodos utilizados para analizar las propiedades iniciales del suelo. Parte de las muestras de suelo (aproximadamente 100 g) se almacenaron en refrigerador a 4 °C en bolsas de polietileno para el análisis de las propiedades biológicas del suelo.

Los datos generados se analizaron estadísticamente empleando MSTAT-C versión 2.1. Para probar la significancia (p < 0,05) del efecto del tratamiento, se utilizó la prueba de diferencia menos significativa (LSD) con un nivel de significancia del 5%33 de probabilidad. Los datos analizados se presentan como un valor promedio de cuatro replicaciones con error estándar (±).

La configuración bioquímica del compost de RSU enriquecido y no enriquecido se muestra en la Tabla 2. La mayoría de las propiedades biofísicas y químicas del compost mejoraron después del enriquecimiento con formulaciones microbianas. La densidad aparente y el contenido de humedad después del enriquecimiento aumentaron al nivel de 14,10 y 20,48%, respectivamente. Los datos revelaron que hubo un ligero aumento en el pH y la CE del compost, pero no se observó mucha variación en la capacidad de intercambio catiónico (CIC) entre los compost enriquecidos y no enriquecidos. Se observó una reducción significativa en la relación C/N (54,32%) después del enriquecimiento del compost de RSU. El estado de los nutrientes, incluido el P, K, Ca, Mg y Zn totales, aumentó sustancialmente con el enriquecimiento del compost de RSU. La población de bacterias, hongos y solubilizadoras de fosfato aumentó notablemente con el enriquecimiento del compost de RSU. El contenido de metales pesados ​​disminuyó con el compost enriquecido con microbios.

Los datos proporcionados en la Tabla 3 mostraron que la densidad aparente del suelo en la capa superficial (0–15 cm) y subsuperficial (15–30 cm) se redujo significativamente cuando se aplicaron enmiendas orgánicas en combinación con enmiendas inorgánicas sobre el control (T1) y aplicación únicamente de enmienda inorgánica (T2). La caída máxima en el valor de la densidad aparente se observó en el tratamiento T6 donde se aplicó EMSWC y una dosis reducida de yeso (25 % GR) de forma combinada. Se observó una densidad aparente mínima en el tratamiento control (T1) y T2 (Tabla 3). El tratamiento T6 (Yeso @ 25% GR + EMSWC @ 10 t ha-1) también ejerció una mejora significativa en la conductividad hidráulica con un valor de 0,077 cm h-1 sobre el tratamiento T1 (0,046 cm h-1) y T2 (0,055 cm h-1). 1). Esto fue seguido de cerca por T4 (compost de RSU enriquecido a 10 t ha-1) y T5 (yeso a 25% GR + abono de RSU no enriquecido a 10 t ha-1). La tasa de infiltración aumentó en 224, 89 y 356% con la aplicación de EMSWC (T6) sobre T1, T2 y los valores iniciales, respectivamente (Tabla 3).

Los datos del análisis del suelo presentados en la Tabla 4 demostraron que el uso de EMSWC junto con una dosis más baja de yeso disminuyó el pH del suelo, la conductividad eléctrica (CE) y el porcentaje de sodio intercambiable (ESP), al tiempo que aumentó el carbono orgánico del suelo (COS). El uso combinado de yeso reducido y EMSWC (T6) registró una reducción significativa en el pH del suelo con un valor de 8,5 sobre los tratamientos T1, T3 y T4 pero a la par con T2 y T5. De manera similar, la CE y la ESP con valores de 0,47 dS m-1 y 35 se redujeron significativamente con el tratamiento T6 sobre el tratamiento T1, T3 y T4 y a la par con T2 y T5. La cantidad reducida de yeso junto con el compost de RSU enriquecido o no enriquecido mejoró el contenido de COS en suelos alcalinos en comparación con el uso exclusivo de yeso. La máxima mejora en el SOC con un valor de 3,90 g kg-1 se registró en el tratamiento T6, que fue significativamente mayor que el resto de los tratamientos y mostró 25,80, 21,87, 21,87, 14,70 y 5,40% sobre T1, T2, T3, T4 y T5. , respectivamente. El contenido de N disponible bajo diferentes tratamientos varía de 123,5 a 155,2 kg ha-1. El efecto de EMSWC sobre el contenido de N disponible se muestra en la Tabla 4. La mayor mejora en el N disponible (155,2 kg ha-1) se registró en el tratamiento T6, que fue significativamente mayor que el resto de los tratamientos. Los tratamientos en los que se utilizaron EMSWC y yeso en modo combinado reportaron un mayor contenido de P disponible que la aplicación de yeso solo. Las parcelas tratadas con dosis reducida de yeso y EMSWC (25%GR + EMSWC) dieron como resultado un aumento de 43 y 36% en P disponible sobre el control (T1) y 50% GR (T2), respectivamente. De manera similar, el K disponible aumentó un 33 y un 14 % en el tratamiento T6 respecto a T1 y T2, respectivamente. Los datos proporcionados en la Tabla 4 revelaron un mayor incremento en los contenidos de Mg2+ y K+ en el extracto de suelo en el tratamiento T6 que el resto de los tratamientos, mientras que la máxima reducción en Na+ y el incremento en Ca2+ se registraron en el tratamiento T2.

Los datos proporcionados en la Tabla 5 mostraron que la población microbiana aumentó con la aplicación de enmiendas orgánicas. La población de bacterias y hongos aumentó notablemente en suelos donde se utilizaron yeso mineral y compost de EMSW de forma conjunta y se cultivaron variedades de arroz y trigo tolerantes a la sal. La población bacteriana más alta (8.46 × 104 ufc g-1) se contó en el tratamiento T6 (yeso @ 25% GR + EMSWC @ 10 t ha-1) y fue seguida por el tratamiento T5, T4 y T3 y la más baja en T1. . Se observó una tendencia similar en el caso de la población de hongos. La aplicación de compost enriquecido de RSU como enmienda orgánica junto con yeso mineral aumentó la población de hongos en aproximadamente un 98 % con respecto a la única aplicación de yeso (Tabla 5). De manera similar, la población de actinomicetos aumentó significativamente con el uso conjunto de compost de RSU enriquecido y dosis racionales de yeso. Sin embargo, las poblaciones microbianas fueron inestables durante la temporada de cultivo. El mayor contenido de carbono de biomasa microbiana (CBM), N de biomasa microbiana (MBN) y fósforo de biomasa microbiana (MBP) se observó en el suelo del tratamiento T6, seguido del T5 y el T4. En nuestro estudio, las actividades de ureasa y deshidrogenasa en el suelo mejoraron significativamente sobre el control, el uso exclusivo de enmiendas inorgánicas y los valores iniciales en todos los tratamientos que combinaron la aplicación de enmiendas orgánicas e inorgánicas. El máximo aumento de estos parámetros se observó en el tratamiento T6 (Tabla 5).

Después de tres años de experimentos de campo con sistemas de cultivo de arroz y trigo, se analizó el contenido de metales pesados ​​como Co, Cr y Pb y micronutrientes como Cu, Fe, Mn y Zn en el suelo. Los datos analizados que se muestran en la Tabla 6 mostraron que la concentración de Co y Cr disminuyó en los tratamientos donde se aplicaron enmiendas tanto orgánicas como inorgánicas, mientras que se observó un aumento marginal en el contenido de Pb sobre el valor inicial, pero estuvo considerablemente por debajo del límite permisible34. 35. Los contenidos de micronutrientes como Cu, Fe y Zn aumentaron con respecto al valor inicial en el suelo que representa tratamientos en los que se realizó el uso combinado de enmiendas orgánicas e inorgánicas. El mayor aumento en el contenido de hierro (Fe) se produjo en el tratamiento T4, donde se aplicó compost de RSU procesado industrialmente junto con yeso mineral.

La altura de las plantas de los cultivos de arroz y trigo no se vio afectada significativamente debido a la aplicación exclusiva de enmiendas inorgánicas o al uso combinado de enmiendas orgánicas e inorgánicas, pero fue mayor (124,0 cm y 83,55 cm) en los tratamientos T2 y T6, respectivamente. Número de macollos productivos por colina de arroz, que es un factor importante que contribuye al rendimiento y está precisamente relacionado con la densidad de panículas y el rendimiento de grano influenciado por la aplicación de EMSWC con yeso. El número de macollos productivos registrados con el tratamiento T6 fue significativamente mayor que el de los tratamientos T1, T3 y T4, pero estadísticamente a la par con T5 y T6. Se observó un patrón similar en la densidad de la panícula, la longitud de la panícula y el contenido de materia seca del arroz y el trigo. Mientras que la mayor fertilidad de las espiguillas se registró en el tratamiento T2, que fue significativamente mayor que T1, T3 y T4, pero a la par con T5 y T6. El número de granos por panícula también fue significativamente mayor en el tratamiento T6 pero estuvo a la par con el T5. Aunque el peso máximo de 1000 granos fue en el tratamiento T2, no hubo diferencia significativa en este parámetro entre los tratamientos. El mayor rendimiento de grano de arroz se observó en el tratamiento T6, que estuvo a la par con T2 y T5 pero significativamente mejor que T1, T3 y T4 (Tabla 7).

El rendimiento que atribuye caracteres como longitud de espiga, granos por espiga y peso de 1000 granos de trigo fue significativamente mayor en el tratamiento T6 en comparación con los tratamientos T1, T3 y T4, pero estadísticamente a la par con los tratamientos T2 y T5. El rendimiento de grano de trigo en el tratamiento T6 fue 110,75% y 20,61% mayor que el tratamiento T1 y T2, respectivamente (Cuadro 8). El enriquecimiento del compost de RSU con microbios mejoró el rendimiento del grano de trigo en un 21,36% en comparación con el compost de RSU no enriquecido utilizado junto con el yeso mineral (Tabla 8).

Durante el primer año de recuperación, se calculó un pequeño retorno neto positivo en los tratamientos T3 y T4 donde solo se utilizaron enmiendas orgánicas, mientras que fue negativo en el resto de los tratamientos. En el tratamiento T2 se obtuvo el mayor retorno neto negativo, seguido por el tratamiento T5 y T6. Obviamente, esto se debió al mayor costo involucrado en la recuperación del suelo con yeso aplicado al 50% GR y 25% GR, respectivamente. Sin embargo, durante el segundo año, cuando no se aplicó ninguna enmienda y la productividad del cultivo bajo los tratamientos T6 y T5 fue comparativamente mayor, el retorno neto positivo más alto se obtuvo en el tratamiento T6 seguido por el T5 y el más bajo en el tratamiento T1, mientras que el retorno negativo aún fue allí en el tratamiento T2. Esto demuestra que incluso después del segundo año de cultivo, los gastos de recuperación con la adición de yeso no se recuperan (Fig. 4). Según el análisis costo-económico, el tratamiento T6 tuvo la mayor relación B/C, que fue comparable al tratamiento T5 pero mucho mayor que los otros tratamientos.

Rentabilidad neta acumulada del sistema de cultivo de arroz y trigo durante dos años y un uso combinado de enmiendas inorgánicas y EMSWC. T1: control (sin enmiendas), T2: yeso a 50 % GR, T3: abono de RSU no enriquecido a 10 t ha-1, T4: abono de RSU enriquecido a 10 t ha-1, T5: yeso a 25 % GR + Abono de RSU no enriquecido a 10 t ha-1, T6: yeso a 25% GR + abono de RSU enriquecido a 10 t ha-1.

Después del análisis del compost de RSU enriquecido y no enriquecido, se observó que el contenido total de nitrógeno en el compost de RSU enriquecido en comparación con el compost de RSU no enriquecido aumentó, mientras que el contenido total de carbono disminuyó. Esto puede deberse a una reducción considerable del peso durante la descomposición de la materia orgánica, particularmente del C total a través de la pérdida de C en la respiración como CO2 después del enriquecimiento con formulaciones microbianas, en comparación con la pérdida del contenido total de N en el compost no enriquecido. Investigadores anteriores36,37 dieron resultados similares relacionados con el aumento del N total y la disminución del contenido de C total por unidad de material durante la descomposición de diferentes desechos orgánicos. Singh y Kalamdhad38 también informaron una reducción en el contenido de metales pesados ​​mediante inoculantes microbianos debido a la mejora de las actividades enzimáticas durante el proceso de compostaje. Los microorganismos son capaces de absorber, desintoxicar y transformar metales pesados ​​que resultan en inmovilizar metales en los desechos sólidos39,40.

El presente estudio se llevó a cabo con el objetivo de evaluar el potencial del compost de residuos sólidos urbanos enriquecido con microbios para mejorar los suelos alcalinos y monitorear su efecto sobre la productividad de los cultivos de arroz y trigo. La aplicación exclusiva de yeso, si bien mejora significativamente las propiedades químicas del suelo, no tiene mucho efecto sobre las propiedades físicas y biológicas del suelo. Varios investigadores han informado anteriormente sobre la incapacidad del yeso para mejorar las propiedades físicas y biológicas del suelo41,42,43. La aplicación de Yeso @ 25% GR + EMSWC @ 10 t ha-1 (T6) también ejerció una mejora significativa en la conductividad hidráulica con un valor de 0.077 cm h-1 sobre el control (T1) y la aplicación de tratamiento de yeso @ 50% GR (T2 ) con los valores de 0,046 cm h−1 y 0,055 cm h−1, respectivamente. Esto fue seguido de cerca en los tratamientos T4 y T5 en los que solo se aplicaron compost de RSU enriquecido a 10 t ha-1 y el uso combinado de yeso a 25% GR + compost de RSU no enriquecido a 10 t ha-1, respectivamente. El aumento significativo en la tasa de infiltración en el tratamiento T6 sobre T1, T2 y el valor inicial puede deberse a la mejora en la geometría de los poros y los poros de transmisión resultantes de la adición de compuestos orgánicos44,45. La reducción significativa del pH del suelo, CE, ESP y el aumento del contenido de carbono orgánico debido a la aplicación de compost EMSWC en combinación con una dosis reducida de yeso (T6) respecto al resto de los tratamientos puede atribuirse al aumento del contenido de carbono orgánico, a mejoras biológicas o enzimáticas. actividades, produciendo más biomasa radicular45,46,47,48 y mayor desprendimiento de CO2 y producción de ácidos orgánicos en el suelo lo que reduce el potencial redox del suelo aumentando así la sustitución de Na+ a Ca2+17,49,50,51,52. También se ha informado de una mejora significativa en el COS y el ESP debido a la aplicación de materiales orgánicos en suelos afectados por sal53. En nuestro estudio, el contenido de N, P y K disponible en el suelo del tratamiento T6 fue significativamente mayor que el resto de los tratamientos. Esto podría deberse a la liberación constante de N del compost de EMSW y a la creación de ácidos orgánicos y productos de mineralización durante la descomposición que solubilizan los compuestos insolubles y mejoran la disponibilidad de P en el suelo51,54. El aumento de las actividades microbianas y enzimáticas del suelo frente a la descomposición de la materia orgánica dio como resultado la mineralización de N y K en el suelo. Además, se observó una tendencia similar en el caso de los contenidos de Mg2+ y K+, mientras que la máxima reducción de Na+ y el incremento de Ca2+ se registraron en el tratamiento T2. Esto puede deberse al efecto sinérgico del yeso y la fuente orgánica de enmiendas48,55.

En el presente estudio se observó un aumento notable en la población microbiana del suelo con la aplicación combinada de yeso mineral y EMSWC sobre la población inicial y el resto de los tratamientos. Esto puede deberse a la mejora de las actividades microbianas del suelo causada por una disponibilidad sustancialmente mayor de sustrato por el uso combinado de enmiendas orgánicas e inorgánicas en comparación con la aplicación de solo yeso como enmienda del suelo48,56,57. De manera similar, la población de hongos aumentó con la aplicación de EMSWC en combinación con yeso aumentó hasta aproximadamente un 98 % con respecto a la aplicación de yeso únicamente. Esto demostró que la aplicación conjunta de enmiendas orgánicas e inorgánicas resultó en una mayor mejora en la flora microbiana del suelo que la aplicación exclusiva de enmiendas inorgánicas. Según Walmsley y Cerdà58, la materia orgánica es la principal influencia sobre las características del suelo y la abundancia de la macrofauna en los suelos de plantaciones de cítricos. La población de actinomicetos también aumentó significativamente cuando se aplicó compost de RSU enriquecido en combinación con dosis más bajas de yeso mineral. Esto se debe a la adición de fuentes orgánicas de enmiendas. Sin embargo, las poblaciones microbianas eran inestables durante las temporadas de cultivo.

El carbono de la biomasa microbiana (MBC), el N de la biomasa microbiana (MBN) y el fósforo de la biomasa microbiana (MBP) en el suelo modificado con EMSWC y una dosis reducida de yeso (25% GR) (tratamiento T6) fueron mayores debido a la mineralización mejorada del suelo como resultado de aumento de la microflora del suelo y asociado con un aumento en la liberación de CO2, lo que resulta en la aireación del suelo y estimula las actividades enzimáticas59. El enorme aumento de la actividad microbiana del suelo causado por la adición de enmiendas orgánicas en suelos alcalinos es atribuible a las grandes cantidades de fuentes de energía de fácil acceso60. Las enmiendas orgánicas aumentan la cantidad de sustrato disponible para la población microbiana y también reducen el impacto que el pH y la presión osmótica tienen en los organismos61. La adición de enmiendas orgánicas al suelo alcalino mejoró la fertilidad del suelo directamente al aumentar las enzimas del suelo y su actividad14. En el estudio actual, la actividad de la ureasa aumentó sustancialmente con respecto al control y al estado inicial de la actividad de la ureasa en el suelo en los tratamientos donde se agregaron enmiendas orgánicas junto con yeso. El tratamiento T6 mostró la mayor mejora en las actividades de ureasa como resultado de la adición de fracciones orgánicas, que pueden contener enzimas intra y extracelulares que promueven la actividad microbiana en el suelo62,63. En comparación con el control y el uso únicamente de enmiendas inorgánicas, la actividad deshidrogenasa del suelo también aumentó después de la adición de EMSWC con suplementos de yeso y el cultivo de arroz y trigo. La disponibilidad de alta cantidad de materia orgánica agregada al suelo que actúa como sustrato para los microorganismos, puede atribuirse al aumento de las actividades microbianas y enzimáticas42,64.

La aplicación de enmiendas orgánicas a través de EMSWC con menor cantidad de yeso redujo la concentración de metales pesados ​​como Co y Cr mientras que la concentración de Pb aumentó sobre el contenido inicial en el suelo pero estuvo por debajo del límite permisible35,65. El aumento en el contenido de Pb se obtuvo en la muestra de suelo del tratamiento donde se agregaron RSU procesados ​​industrialmente. Esto puede deberse a que se complementa con compost de RSU procesado industrialmente obtenido de la planta de tratamiento de residuos sólidos. El estado del contenido de micronutrientes, a saber. Cu, Fe y Zn aumentaron con el uso combinado de EMSWC y yeso en suelos alcalinos.

Los datos promedio de tres años revelaron que la adición de enmiendas orgánicas e inorgánicas tuvo un efecto significativo en el crecimiento y el rendimiento de los cultivos de arroz y trigo. Esto se debe a una mejora significativa en las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo después de la descomposición de la materia orgánica en EMSWC y, posteriormente, aumenta los exudados de ácidos orgánicos en el suelo que movilizan la disolución del calcio del suelo y reducen el pH y el ESP del suelo y aumentan el contenido de carbono orgánico del suelo66. 67 resultando en un mayor crecimiento de las plantas. Al mejorar las condiciones físicas y químicas de la rizosfera, se ha demostrado que la adición de materia orgánica al suelo tiene impactos positivos en el crecimiento de las raíces de los cultivos68. Esto podría deberse a que las enmiendas orgánicas, que contienen ácido húmico y otros compuestos fisiológicamente activos como los aminoácidos, han mejorado la actividad biológica en la rizosfera de los cultivos69. El rendimiento y los atributos de rendimiento en suelos alcalinos se ven significativamente afectados debido al movimiento restringido del agua, la translocación de nutrientes y el efecto tóxico de la sal de sodio en la rizosfera. Sin embargo, la adición de materia orgánica a través de EMSWC mejoró las propiedades fisicoquímicas y biológicas del suelo, lo que resultó en un mejor crecimiento de los cultivos, atributos de rendimiento relacionados y rendimientos de los cultivos68,70. El uso de EMSWC ayudó a drenar el exceso de sales a una capa más profunda, disminuyó la concentración de sal en la capa superior del suelo, lo que benefició el crecimiento de las plantas y, en última instancia, aumentó el rendimiento de los cultivos71,72.

Se observó una mejora significativa en la relación C:N y en las propiedades microbianas después del enriquecimiento del compost de RSU. La adición de compost de RSU enriquecido a 10 t ha-1 junto con la dosis reducida de yeso mostró un efecto significativo sobre las propiedades fisicoquímicas y microbianas del suelo con respecto a la aplicación exclusiva de enmiendas orgánicas e inorgánicas. El estado de fertilidad del suelo en términos de N, P y K disponibles se vio influenciado favorablemente con el uso combinado de EMSWC y yeso. La aplicación de EMSWC influyó significativamente en el crecimiento del cultivo, los atributos de rendimiento y los rendimientos. Los rendimientos máximos de granos de arroz y trigo se registraron con el uso conjunto de RSU enriquecidos y yeso que fue significativamente mayor que el uso único de enmiendas orgánicas e inorgánicas. El análisis económico de costos del estudio resultó en el mayor retorno neto positivo con el tratamiento T6 mientras que; El rendimiento neto negativo se calculó con la aplicación de enmienda inorgánica. Esto muestra que el costo de recuperación con la adición de yeso al 50% GR no se recuperó incluso después del segundo año de cultivo. La relación B/C más alta también se observó con el uso combinado de EMSWC + yeso al 25% GR. Por lo tanto, se puede concluir del estudio que la mejora del suelo alcalino o sódico y los rendimientos de los cultivos se vieron significativamente influenciados por la aplicación de compost de RSU enriquecido con enmienda inorgánica y la cantidad ahorrada de yeso mineral se puede utilizar para mejorar el doble del área afectada por la sal. teniendo tal problema de degradación del suelo.

Los conjuntos de datos de los datos brutos están disponibles con el autor correspondiente y estarán disponibles previa solicitud razonable.

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Los autores agradecen al Director del Consejo de Ciencia y Tecnología de la UP, Lucknow, por el proyecto de investigación y al Director del ICAR-Central Soil Salinity Research Institute por proporcionar las instalaciones necesarias para realizar experimentos de campo en Research Farm, Shivri y ampliar las instalaciones de laboratorio para análisis de suelos. Los autores agradecen al Dr. DK Srivastava, director adjunto del Consejo de Ciencia y Tecnología de la UP, Lucknow, por su apoyo en la realización del estudio. Los autores también felicitan al Dr. Shyamji Mishra (gerente de la granja), la Sra. Priya Mishra, el Sr. Pulkit Srivastava, la Sra. Mamta Prajapati (JRF) y el Sr. Somshekhar (PA) por brindar la asistencia necesaria durante el estudio.

ICAR-Instituto Central de Investigación sobre la Salinidad del Suelo, Estación de Investigación Regional, Lucknow, 226002, India

Yash Pal Singh, Sanjay Arora, Vinay Kumar Mishra y Atul Kumar Singh

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Conceptualizó el trabajo del proyecto, realizó experimentos en campo, recopiló datos agronómicos, YPS; análisis de propiedades químicas del suelo, enriquecimiento de compost de residuos sólidos urbanos, SA; análisis de propiedades físicas del suelo; VKM; Análisis de propiedades microbianas y enzimáticas del suelo SA; Análisis de datos y preparación de borradores de manuscritos, YPS y SA; revisión y edición, SA, YPS, VKM y AKS Todos los autores han leído y aceptado publicar el manuscrito.

Correspondencia a Sanjay Arora.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Singh, YP, Arora, S., Mishra, VK et al. Racionalizar el uso de yeso mineral mediante compost de desechos sólidos municipales enriquecido con microbios para mejorar y recuperar el potencial de productividad de los suelos alcalinos degradados. Informe científico 13, 11816 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37823-5

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Recibido: 02 de enero de 2023

Aceptado: 28 de junio de 2023

Publicado: 21 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37823-5

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