Explorando los beneficios del caupí inoculado en diferentes condiciones climáticas en Namibia

Aug 18, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11761 (2023) Citar este artículo

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Muchos pequeños agricultores del África subsahariana cultivan caupí (Vigna uniculata L. Walp) como alimento y por su capacidad para fijar nitrógeno incluso en situaciones de estrés. Su desempeño depende de las cepas de rizobios autóctonos que viven en asociación simbiótica con las raíces; se puede mejorar si las semillas se inoculan con otras más eficaces. Los datos sobre la eficacia de la técnica en diversas condiciones climáticas son escasos. Aquí utilizamos un modelo para ampliar dos experimentos de campo realizados en Namibia para incluir diferentes escenarios de cambio climático. Las simulaciones muestran que el caupí no inoculado tiene rendimientos medios de 0,5 t/ha y el caupí inoculado 1 t/ha. Si las condiciones climáticas son favorables (frías y húmedas), las diferencias de rendimiento estimadas aumentan a más de 1 t/ha. En años secos (< 200 mm), la diferencia de rendimiento promedio es de sólo 0,1 t/ha. En un futuro lejano (2080-2100), aumentarán los casos de años secos y calurosos. Por lo tanto, el uso de semillas de caupí inoculadas en lugar de no inoculadas no beneficia tanto a los agricultores como en el futuro cercano (2030-2050). En conclusión, el uso de semillas de caupí inoculadas con una cepa de rizobios eficiente puede aumentar significativamente los rendimientos en diferentes condiciones climáticas, pero las ventajas de rendimiento disminuyen notablemente en años muy secos y calurosos.

El caupí (Vigna unguiculata L. Walp) es un cultivo proteico importante para asegurar la producción nacional de alimentos en las zonas semiáridas del África subsahariana, donde otras leguminosas alimenticias pueden tener dificultades para prosperar1,2. En 2020, se produjeron caupí en casi 14 millones de hectáreas de tierra en las partes central y meridional del continente africano (https://www.fao.org/faostat/en/#data). Este cultivo versátil puede producir granos y rastrojos para alimento y forraje3 y fijar nitrógeno atmosférico incluso bajo estrés hídrico o térmico4. En condiciones óptimas, el caupí puede fijar hasta 240 kg de N ha-15, lo que los convierte en una buena opción para los pequeños agricultores que luchan por conseguir fertilizantes minerales nitrogenados6.

La eficiencia de la fijación de nitrógeno depende de la variedad de caupí y de las cepas de rizobios que viven en asociación simbiótica con las raíces del caupí5,7. En algunas regiones, los rizobios locales pueden ser menos eficaces (p. ej., 8, 9). Pueden tener poca población o no ser eficientes en la fijación de N210. La deficiencia de nutrientes del suelo también puede contribuir a una menor nodulación por cepas locales11. Además, las altas temperaturas y la escasez de agua pueden afectar indirectamente la nodulación exitosa de las raíces al reducir la movilidad de los rizobios o provocar desecación y muerte celular12. En estos casos, la inoculación con cepas de rizobios más eficaces previamente aisladas puede aumentar la fijación de nitrógeno y los rendimientos13. Los inoculantes también pueden proteger el caupí de plantas parásitas y fitopatógenos14,15 y mejorar el contenido de compuestos bioactivos en el rendimiento, lo que aumenta el valor nutricional16. Pueden solubilizar fosfato17, suministrar hormonas promotoras del crecimiento a las plantas hospedantes18 y mejorar la resistencia del caupí al estrés hídrico19.

Muchos beneficios asociados con la inoculación se han estudiado en experimentos de campo y de invernadero a pequeña escala. El alcance de estos experimentos a menudo se limita a una temporada de crecimiento y pocos tratamientos debido a limitaciones de espacio, infraestructura y financiación. En este artículo, utilizamos un modelo de cultivo biogeofísico para mejorar los resultados de una prueba de campo a pequeña escala realizada en 2017/2018 en la región norte de Namibia. En este ensayo, se cultivaron caupí con y sin inoculación de Bradyrhizobium y se compararon sus rendimientos y otros parámetros del cultivo. Como la temporada de crecimiento fue muy seca, se aplicó riego de emergencia para evitar la pérdida de demasiadas plantas. En este estudio de ampliación, queremos utilizar los datos recopilados en este ensayo como base para responder más preguntas: ¿Cómo afectará la inoculación a los rendimientos en diferentes condiciones climáticas? ¿Pueden los caupís inoculados soportar el estrés hídrico mejor que las plantas no inoculadas? Y por último, ¿cómo cambiarán en el futuro los beneficios del caupí inoculado?

Las pruebas de campo se ubicaron en Ogongo (−17°40′12′′, 15°18′0′′, elevación 1111 m MSL) y Mashare (−17°53′24′′, 20°10′48″, elevación 1050 m MSL) en las regiones norte y noreste de Namibia. Cada campo medía 41 × 41 m, con franja de 0,5 m, 12 m por bloque de tratamiento y dos metros de separación entre los bloques. El estudio se planteó en un diseño de bloques con cuatro repeticiones de cada tratamiento. Los tratamientos consistieron en (i) caupí sin inoculante, (ii) caupí sin inoculante más fertilizante de urea, (iii) caupí con inoculante. Se utilizó la variedad de caupí Lutembwe de Zambia. En el tratamiento con inoculación, se añadió como inoculante a las semillas de caupí una cepa de Bradyrhizobium que fue previamente recolectada en la región de Kavango (cepa Bradyrhizobium 1–7)11,20 con turba como portador. Bradyrhizobiumsp. las cepas 1–7 nodulan eficazmente el caupí y el maní Bambara11. Es un simbionte resistente al calor, ya que todavía creció a 35-38 °C11,20 y, por lo tanto, es probable que sobreviva incluso bajo el cambio climático.

Antes de la siembra, se tomaron cinco muestras de suelo en cada parcela y se mezclaron para producir una muestra por parcela. En Mashare, la siembra se realizó el 5 de enero de 2018, y en Ogongo, el 2 de febrero de 2018. Se añadió una pizca de fertilizante fosfatado a cada subparcela, equivalente a aproximadamente 15 kg por hectárea. En el tratamiento con urea, se agregaron aproximadamente 1,7 g de urea a cada hoyo de plantación. Durante la temporada de crecimiento, el agua de riego se aplicó una vez por semana si las condiciones eran secas. Las cantidades únicas oscilaron entre 10 y 50 mm por semana, hasta 250 mm en total. Los caupí se cosecharon el 26 de abril de 2018 en Mashare y el 18 de mayo en Ogongo. Después de la cosecha, el peso húmedo y seco de los brotes (g), el rendimiento de materia seca de la planta (kg/ha), el peso húmedo y seco de las raíces (g), el rendimiento de materia seca de las raíces (kg/ha), el rendimiento total de grano. (g), para cada subparcela se determinaron el rendimiento de grano por área (kg/ha), el número de vainas de diez plantas, el número de vainas promedio por subparcela y el número de semillas de 40 vainas, así como el número de plantas cosechadas.

Calibramos los rendimientos de grano simulados del modelo de cultivo para dos tratamientos: (i) caupí Lutembwe sin inoculante y (ii) caupí Lutembwe con inoculante. Elegimos omitir el tratamiento con urea del experimento de simulación por dos razones: (1) En una encuesta entre pequeños agricultores de la región, que se llevó a cabo en paralelo a los experimentos de campo, sólo dos de los 97 participantes informaron que usaban fertilizantes. en sus caupí. Concluimos que esta era la práctica general de la región y debería servir como punto de referencia para las comparaciones. (2) Los resultados de los experimentos de campo no fueron concluyentes para el tratamiento con urea. El caupí no inoculado con tratamiento con fertilizante de urea tuvo rendimientos medios más bajos que el caupí no inoculado sin fertilizante de urea en Mashare, 1,3 t/ha (urea) frente a 2,0 t/ha (sin urea), probablemente debido a la inhibición inicial de la nodulación y la lixiviación. del suelo arenoso. No pudimos reproducir este efecto con EPIC.

Para el estudio utilizamos el modelo Clima Integrado de Política Ambiental (EPIC)21. EPIC es un modelo basado en procesos biofísicos a nivel de campo que puede simular el crecimiento y el rendimiento de los cultivos, el ciclo de nutrientes del suelo, la erosión del suelo y diferentes prácticas de labranza y manejo. Los cultivos se describen mediante un conjunto único de parámetros de cultivo que incluyen, por ejemplo, eficiencia en el uso de la radiación, índice de cosecha potencial máximo, temperatura base, temperatura óptima, LAI potencial máximo, conductancia estomática máxima, altura máxima del cultivo y profundidad de raíces, y nitrógeno, fósforo y Parámetros de absorción de potasio. Los procesos biofísicos de las plantas simulados por EPIC incluyen la interceptación de la radiación solar fotosintéticamente activa dependiente del LAI, la conversión a biomasa basada en la eficiencia del uso de la radiación y las tensiones del crecimiento de los cultivos (disponibilidad de nutrientes y agua, temperatura), la partición del aumento diario de biomasa en la raíz y en la superficie. biomasa, y adaptación del índice de cosecha a condiciones de sequía22. EPIC se ha utilizado durante muchos años para estudiar diferentes aspectos de los sistemas agrícolas, como las brechas de rendimiento23,24,25, los impactos del cambio climático en el rendimiento de los cultivos26, los impactos ambientales27,28, la degradación del suelo29 o la erosión del suelo y la lixiviación de nutrientes30.

Los datos de entrada necesarios para una simulación con el modelo de cultivo EPIC consisten en datos del sitio (ubicación, elevación), datos meteorológicos diarios (temperatura, precipitación, radiación solar, velocidad del viento, humedad relativa), datos del suelo y datos de gestión (fechas de arado). , siembra, cosecha, fertilización, cantidad y tipo de fertilizante, densidad de siembra). Los datos del sitio y de manejo se tomaron de la descripción de los experimentos de campo. Los datos meteorológicos diarios de los años 2017 y 2018 se descargaron de SASSCAL WeatherNet para las estaciones Mashare y Ogongo (https://www.sasscalweathernet.org). Los archivos de entrada de suelo se prepararon con base en el análisis de las muestras de suelo tomadas antes de la siembra en 2018 (Tabla 1).

Calibramos dos conjuntos de parámetros de caupí: caupí con inoculante y caupí sin inoculante. Comenzamos la calibración con el caupí no inoculado como línea base. Como conjunto inicial de valores de parámetros de cultivo, tomamos el conjunto de parámetros de cultivo de caupí estándar establecido en el archivo de base de datos de cultivos EPIC. Limitamos los parámetros disponibles para la calibración a los relacionados con el crecimiento y excluimos otros parámetros no relevantes como el costo de la semilla, el precio del rendimiento, el daño por heladas o la categoría del cultivo. La lista de parámetros calibrados se proporciona en la Tabla 2. Comenzamos la calibración ejecutando el modelo una vez para cada uno de los dos sitios. La diferencia absoluta entre los rendimientos simulados y la mediana de los rendimientos informados se calculó para ambos sitios y luego se sumó. Elegimos la mediana de los rendimientos medidos debido al amplio rango de rendimiento (Tabla 3). En un segundo paso, se propuso un nuevo conjunto de valores de parámetros de cultivo basado en el muestreo aleatorio de una distribución gaussiana de posibles valores generados para cada parámetro de cultivo. No permitimos que los nuevos valores se desviaran más del 20% de los valores originales, o de los valores establecidos como un rango factible en la guía del usuario de EPIC. El modelo se volvió a ejecutar utilizando el nuevo conjunto de parámetros de cultivo. Si la suma de las diferencias en rendimientos era menor con este nuevo conjunto de parámetros, se aceptaba el conjunto como nuevo conjunto de parámetros; en caso contrario, se rechazaba el conjunto y se conservaba el anterior. Este procedimiento se repitió 10.000 veces. Una vez finalizada la calibración del caupí no inoculado, repetimos los mismos pasos para el caupí inoculado pero comenzamos con el conjunto de parámetros final del no inoculado como conjunto inicial. El razonamiento fue que primero queríamos calibrar los parámetros del cultivo para que coincidieran con la variedad Lutembwe y luego calibrar el conjunto de parámetros del cultivo de Lutembwe para que coincidiera con los caupí inoculados. Los valores finales de los parámetros para caupí inoculados y no inoculados se proporcionan en la Tabla 2.

Para estudiar los beneficios potenciales del uso de semillas con inoculante, descargamos datos climáticos para ambos sitios de la base de datos ISIMIP con una resolución espacial de 0,5°. Los datos de ISIMIP3b se basan en los resultados de la fase 6 del Proyecto de intercomparación de modelos acoplados31 e incluyen los cinco modelos de circulación general GFDL-ESM4, IPSL-CM6A-LR, MPI-ESM1-2-HR, MRI-ESM2-0 y UKESM1-0. -LL. Las proyecciones sobre las condiciones climáticas futuras fueron impulsadas por las tres combinaciones ssp126, ssp370 y ssp585 de escenarios de vía de concentración relativa (RCP) y vía socioeconómica compartida (SSP). Utilizamos los datos climáticos corregidos por sesgo proporcionados en ISIMIP3BASD v2.532.

Analizamos los datos de ambos sitios para determinar qué tendencias a largo plazo se pueden esperar (para obtener cifras, consulte el material complementario electrónico). En Mashare, el aumento medio decenal de la temperatura oscila entre 0,01 y 0,18 °C en SSP126, entre 0,40 y 0,77 °C en SSP370 y entre 0,45 y 1,05 °C en SSP585. A excepción de dos modelos en SSP126 (GFDL-ESM4, MRI-ESM2-0), todas las tendencias son muy significativas. En Ogongo, el aumento medio decenal de la temperatura oscila entre 0,02 y 0,18 °C en SSP126, entre 0,45 y 0,77 °C en SSP370 y entre 0,51 y 1,01 °C en SSP585. Todas las tendencias son muy significativas excepto tres modelos en SSP126 (GFDL-ESM4, MRI-ESM2-0, MPI-ESM1-2-HR). Para comprobar los cambios en la variabilidad de las temperaturas medias anuales, calculamos la varianza para los períodos 2015-2040 y 2075-2100. En Mashare, la variación de temperatura aumenta del primer al segundo período en casi todas las proyecciones para SSP370 y SSP585, pero disminuye en cuatro de cinco modelos en SSP126. En Ogongo, la variación de temperatura sigue una tendencia casi idéntica a la de Mashare: aumenta en casi todas las proyecciones para SSP370 y SSP585, pero disminuye en cuatro de cinco modelos en SSP126. Con base en estas cifras, las temperaturas medias anuales proyectadas aumentarán significativamente entre 2015 y 2100 en casi todos los escenarios.

En cuanto a las precipitaciones, no existe una tendencia clara en los cambios a lo largo del tiempo en Mashare. En SSP126, las sumas de precipitación media anual permanecen más o menos constantes, sin tendencias significativas hacia arriba o hacia abajo. En SSP370 y SSP585, la mayoría de los modelos proyectan una ligera disminución en la precipitación, pero la tendencia solo es significativa en un caso (SSP585/GFDL-ESM4, p = 0,025). El mismo patrón se repite en Ogongo, con la única diferencia de que la tendencia negativa es significativa en dos casos (SSP370/GFDL-ESM4 y SSP585/GFDL-ESM4, p = 0,02 y p = 0,007, respectivamente). Para comprobar los cambios en la variabilidad de las sumas de precipitación anual, calculamos la varianza para los períodos 2015-2040 y 2075-2100. En Mashare, la variación de la precipitación disminuye en cuatro de cinco modelos para SSP126 y SSP585 y aumenta en tres de cinco modelos para SSP370. En Ogongo, el cambio en la varianza de las precipitaciones es ligeramente diferente; disminuye en cuatro de cinco modelos para SSP126 y aumenta en tres de cinco modelos en SSP370 y SSP585. Con base en estas cifras, los patrones proyectados en las sumas de precipitación anual se mantendrán más o menos iguales entre 2015 y 2100 en casi todos los escenarios.

Para el estudio, combinamos los datos climáticos de ambos sitios para tener un conjunto más grande de diferentes condiciones climáticas y clasificamos los datos en seis categorías de sumas de precipitación anual y temperaturas medias anuales. Consideramos usar la temperatura media de la temporada de crecimiento del caupí en lugar de la temperatura media anual, pero la diferencia promedio entre la temperatura media anual y la temperatura media estacional es de solo 0,7 °C, por lo que nos quedamos con el valor anual.

Para el estudio, simulamos el cultivo de caupí bajo el mismo manejo que en la calibración, pero no permitimos el riego, ya que queríamos examinar el rendimiento de los caupí inoculados y no inoculados en condiciones de estrés hídrico. Tanto para Mashare como para Ogongo, ejecutamos el modelo durante 80 años, desde 2020 hasta 2100, y repetimos las simulaciones para 15 combinaciones de cinco modelos GCM y tres escenarios de cambio climático. En conjunto, se crearon así 1.200 estimaciones únicas de rendimiento anual para cada sitio, 2.400 en total. Analizamos los resultados conjuntamente para ambos sitios para obtener un conjunto de datos más grande con diferentes condiciones climáticas.

El presente estudio se realizó de conformidad con las directrices y la legislación institucionales, nacionales e internacionales pertinentes.

Calibramos los conjuntos de parámetros del caupí para que coincidan con la mediana de los rendimientos informados para las cuatro parcelas asignadas a cada tratamiento/variedad (Tabla 3). En el tratamiento sin inoculante, los rendimientos medios medidos de caupí y los rendimientos simulados de la variedad Lutembwe fueron 1,87 vs. 1,86 t/ha en Mashare; y 1,01 frente a 1,10 t/ha en Ogongo. En el tratamiento con un inoculante de Bradyrhizobium resistente al calor, los rendimientos medios medidos de caupí y los rendimientos simulados de la variedad Lutembwe fueron 2,87 frente a 2,87 t/ha en Mashare y 2,09 frente a 1,82 t/ha en Ogongo. Los resultados muestran que la calibración fue exitosa y que se pudo replicar el aumento promedio del rendimiento de aproximadamente 1 t/ha debido al tratamiento con la cepa Bradyrhizobium. La calibración fue ligeramente menos exitosa en Ogongo que en Mashare, pero incluso allí los rendimientos simulados caen dentro del rango de rendimientos reportados.

Simulamos rendimientos de caupí con y sin inóculo. En todo el conjunto de datos, los rendimientos medios de caupí sin inóculo son 0,47 t/ha (mín = 0,001 t/ha, máximo = 2,51 t/ha, sd = 0,54 t/ha), y los rendimientos medios de caupí con inóculo son 0,99 t/ha ha (mín = 0,001 t/ha, máx = 3,66 t/ha, sd = 0,90 t/ha). Las diferencias entre los rendimientos de caupí con y sin inóculo son significativas (valor p = 0,000). Los mayores rendimientos del caupí sin inóculo se producen en años en los que las temperaturas medias anuales son inferiores a 24 °C con precipitaciones superiores a 400 mm, y en años en los que las precipitaciones superan los 800 mm, independientemente de la temperatura. En estos años, los rendimientos simulados oscilan entre 0,58 y 1,0 t/ha (Fig. 1a). Los rendimientos más bajos (0,03 a 0,18 t/ha) se producen en años con temperaturas medias superiores a 30 °C y en años con precipitaciones inferiores a 200 mm. Los rendimientos del caupí con inóculo siguen un patrón similar (Fig. 1b), pero aquí los rendimientos más altos oscilan entre 0,8 y 1,99 t/ha, y los más bajos entre 0,04 y 0,2 t/ha, y los rendimientos muy bajos sólo comienzan después de las temperaturas medias. supera los 32 °C.

Rendimientos del caupí sin (a) y con (b) inoculante producido en años con sumas de precipitación anual específicas (ejes y) y temperaturas medias anuales (ejes x); la segunda fila muestra diferencias absolutas (c) y relativas (d) entre los rendimientos representados en (a) y (b), con (a) como línea de base.

En términos de diferencias absolutas, los mayores beneficios de rendimiento se producen en años con temperaturas inferiores a 24 °C y precipitaciones superiores a 200 mm, y en años con temperaturas de hasta 26 °C y precipitaciones superiores a 800 mm (Fig. 1c). Oscilan entre 0,67 y 1,12 t/ha. En términos de diferencias relativas, el panorama es un poco diferente y no tan claro (Fig. 1d). Se pueden lograr altos aumentos relativos del rendimiento en años en los que las temperaturas son inferiores a 26 °C, independientemente de las precipitaciones, pero también en años en los que las precipitaciones son inferiores a 200 mm y las temperaturas inferiores a 30 °C. En estos años, se pueden lograr aumentos de rendimiento de hasta el 177% cambiando a semillas inoculadas. Se pueden lograr aumentos de rendimiento ligeramente inferiores, del 31 al 102 %, en años con temperaturas medias de 26 a 28 °C, independientemente de las precipitaciones. Sin embargo, los rendimientos en algunos de estos años son tan bajos que un aumento del 61% puede suponer un aumento absoluto de 0,1 t/ha. Por lo tanto, el costo adicional de las semillas inoculadas probablemente no se amortizaría en estos años. Curiosamente, también hay años en los que el uso de caupí inoculado daría lugar a rendimientos más bajos. Estos casos se pueden observar principalmente en años más secos con temperaturas superiores a 30 °C. Sin embargo, los rendimientos del caupí en estos años son cercanos a cero, por lo que el efecto negativo puede parecer grande pero es insignificante.

Con base en las simulaciones, se puede concluir que el caupí inoculado proporciona ventajas de rendimiento principalmente en años donde las condiciones de crecimiento son favorables, es decir, años más fríos y húmedos. También tienen una tolerancia a la sequía ligeramente mayor que el caupí no inoculado, pero la diferencia en el rendimiento es muy pequeña. El caupí no inoculado, por otro lado, tiene una tolerancia ligeramente mayor a las altas temperaturas, pero nuevamente, la diferencia de rendimiento es marginal.

En promedio, el caupí inoculado tiene rendimientos ligeramente mayores que el caupí no inoculado en años muy secos, siempre que las temperaturas se mantengan por debajo de los 30 °C (Fig. 1). Si se consideran todos los casos de años con precipitación inferior a 200 mm, no solo el promedio, las diferencias de rendimiento oscilan entre -0,16 y 0,88 t/ha (Fig. 2a), con una mediana de 0,04 y una media de 0,09 t/ha. Aunque las diferencias son pequeñas, son muy significativas (p = 0,000). Esto muestra que en años con condiciones secas, existen ventajas de rendimiento asociadas con el uso de caupí inoculado, pero en la mayoría de los casos, la diferencia es muy pequeña. Si el año es ligeramente más húmedo, con precipitaciones de 200 a 400 mm, la ventaja en el rendimiento aumenta (Fig. 2b, con un rango de diferencias de rendimiento de -0,92 a 2,01 t/ha, una mediana de 0,13 y una media de 0,37 t/ha). En estos años, la ventaja del rendimiento es, por tanto, más pronunciada. La conclusión es que, si bien el caupí inoculado tiene un rendimiento significativamente mayor que el caupí no inoculado en condiciones secas, es posible que los agricultores sólo se beneficien notablemente de su uso en años con un poco más de precipitación.

Diferencias de rendimiento entre caupí inoculados y no inoculados en años en los que la precipitación es (a) inferior a 200 mm y (b) entre 201 y 400 mm. Los valores negativos indican que el caupí no inoculado tuvo mayores rendimientos que los inoculados, los valores positivos indican lo contrario.

La Figura 3 muestra el cambio en las condiciones climáticas desde el futuro cercano (2030-2050) al futuro lejano (2080-2100). En el escenario SSP126, la mayoría de los años tienen condiciones climáticas con precipitaciones anuales entre 400 y 600 mm y temperaturas medias anuales de < 24 °C y 24–26 °C tanto en el futuro cercano como en el lejano (Fig. 3, primera fila). En SSP370, la mayoría de los años tienen una precipitación de 400 a 600 mm y una temperatura entre 24 y 26 °C en el futuro cercano. Hay más años con una precipitación de sólo 200-400 mm que en SSP126. En el futuro lejano, las temperaturas aumentarán y las cantidades de precipitación disminuirán y la mayoría de las observaciones caerán en la clase de temperatura 26–28 °C y las clases de precipitación 200–400 y 400–600 mm (Fig. 3, segunda fila). En el futuro cercano, en SSP585, las condiciones son similares a las de SSP370, pero en el futuro lejano, habrá más años con temperaturas más altas de 30 a 32 °C e incluso años con temperaturas medias anuales de > 32 °C (Fig. 3, último fila).

Cambio en las precipitaciones y la temperatura desde (a) el futuro cercano (2030-2050) al (b) el futuro lejano (2080-2100) para los SSP 126, 370 y 585. El conjunto de datos total para cada cuadrícula consta de 210 observaciones: 21 años, cinco modelos GCM y dos sitios (Ogongo, Mashare). Cada celda ráster muestra el número de casos observados para la combinación de temperatura y clase de precipitación.

Si tomamos como ponderaciones las frecuencias con las que ocurren las condiciones climáticas en cada uno de los escenarios y calculamos una media ponderada de los rendimientos para todas las condiciones climáticas, vemos que en el futuro cercano (2030-2050), se producirá un aumento del rendimiento de 0,56-0,63 t. /ha se puede lograr utilizando caupí inoculado (Cuadro 4). La diferencia de rendimiento se mantiene aproximadamente igual en el futuro lejano para SSP126, pero disminuye en los otros dos escenarios climáticos a 0,23-0,29 t/ha. La conclusión es que, dada la frecuencia con la que pueden ocurrir ciertas condiciones climáticas en el futuro cercano y lejano, el uso de semillas de caupí inoculadas en lugar de semillas no inoculadas puede ser sólo una alternativa razonable en el futuro cercano, pero no en el lejano.

El caupí es un importante cultivo alimentario básico y una fuente de proteínas para muchos agricultores de subsistencia en el África subsahariana. Debido a su simbiosis con las bacterias fijadoras de N2, no necesitan fertilizantes nitrogenados adicionales o sólo requieren dosis bajas. Sin embargo, el rendimiento y la fijación de N2 se ven fuertemente afectados por el estrés, especialmente el estrés hídrico19. Para potenciar las propiedades positivas de las leguminosas incluso en condiciones de estrés, su inoculación con rizobios se ha convertido en la técnica más utilizada33, cuya popularidad ha aumentado aún más en los últimos años34. Para varias leguminosas diferentes se ha demostrado que la simbiosis de los nódulos de las raíces fijadores de nitrógeno puede mejorar la tolerancia de las plantas a la sequía35,36,37,38.

En un experimento realizado en la zona de sabana de Nigeria, se pudieron observar aumentos de rendimiento del 27% al 33% para la soja que había sido inoculada39. En nuestro estudio, los rendimientos del caupí podrían aumentarse en promedio en un 47%, pero con una gran variación según las condiciones climáticas. Por lo tanto, una revisión reciente de la técnica concluyó que los bioinoculantes de rizobios podrían desempeñar un papel importante en la agricultura de próxima generación, especialmente en el manejo de la fertilidad del suelo; pero sólo si se aíslan y utilizan cepas de élite que combinen competitividad y eficacia en condiciones de campo40. Esto significa que las cepas deberían poder competir eficazmente con los rizobios nativos por la ocupación de nódulos, tener una alta capacidad de fijación de nitrógeno, ser tolerantes al estrés, tener estabilidad genética en el proceso de fabricación y poseer una persistencia limitada de un año a otro en suelos no plantados, de modo que que pueden ser reemplazados sin problemas si en el futuro se introducen cepas mejoradas41.

Sin embargo, incluso si se aíslan cepas de alto rendimiento que cumplen todas estas condiciones, todavía no hay seguridad de que funcionarán bien en todas las condiciones o de que los agricultores puedan obtener una ventaja financiera al utilizarlas. En nuestro estudio, las diferencias de rendimiento entre caupí inoculados y no inoculados variaron fuertemente entre años y dependieron principalmente de las condiciones climáticas. El caupí inoculado produjo una ventaja principalmente en años con condiciones climáticas favorables; en años secos o calurosos, las diferencias en el rendimiento fueron insignificantes. Un estudio realizado en Kenia que examinó la soja inoculada y no inoculada también encontró una variación considerable en los rendimientos, de 0 a 2,6 t/ha, con un promedio de 0,6 t/ha39. En este estudio, los autores realizaron un análisis financiero simple: estimaron que para plantar una hectárea se necesitaban 80 kg de semillas de soja, para lo cual se necesitaban 320 g de inoculante de soja a base de turba, con un costo de 13,4 dólares. En el momento del análisis, la soja en Kenia se vendía a alrededor de 0,5 dólares EE.UU. por kg, lo que significa que era necesario aumentar los rendimientos en al menos 27 kg/ha para recuperar el costo de las semillas mejoradas. Para el caupí se requieren aproximadamente 20 kg/ha de semillas. El precio de un kg de caupí era de aproximadamente 0,8 dólares estadounidenses en Namibia en 202142. Si asumimos los mismos costos para los inoculantes de caupí que para los de soja, y que se requiere la misma cantidad de inóculo para caupí que para soja, significa que el caupí los rendimientos necesitan aumentar sólo 4,1 kg/ha para que los agricultores recuperen el costo de las semillas inoculadas. Nuestro estudio muestra que este aumento se puede lograr en casi todos los años, excepto en algunos años con temperaturas medias anuales superiores a 30 °C y, por lo tanto, que el uso de semillas de caupí inoculadas puede beneficiar a los agricultores de subsistencia en Namibia. Sin embargo, puede resultar difícil para los agricultores comprar el producto, ya que actualmente sólo hay un fabricante en África (Kenya) que produce inoculantes de rizobios para caupí40; los demás fabricantes venden principalmente variedades de soja. En general, el caupí sigue siendo un cultivo subexplotado y el fitomejoramiento aplicado probablemente puede generar grandes ganancias para pequeñas inversiones3. También es prometedor que recientemente se hayan aislado en Namibia nuevas cepas y especies de Bradyrhizobium que son altamente resistentes a la temperatura en comparación con muchos otros bradyrhizobios43.

El estudio que presentamos en este artículo también muestra que el uso de modelos de cultivos para aumentar el alcance de los experimentos de campo puede aumentar considerablemente la cantidad de información que se puede aprender. En la modelización de cultivos, los datos de experimentos de campo se utilizan principalmente para probar y validar la capacidad de los modelos para predecir los efectos de diferentes opciones de manejo sobre factores como los rendimientos, la dinámica del suelo o las emisiones (p. ej., 44, 45). Una vez que los modelos han sido suficientemente probados y validados, se pueden utilizar para determinar las causas potenciales de la dinámica observada en experimentos de campo (por ejemplo, 46) o experimentos de campo de mayor escala en el tiempo y el espacio (por ejemplo, 47, 48, 49). En nuestro estudio, asumimos que el modelo de cultivo EPIC, establecido desde hace mucho tiempo, ha sido suficientemente probado y validado en el pasado y puede aplicarse al problema sin más pruebas. Usamos los datos recopilados en las pruebas de campo para calibrar el modelo y luego los aplicamos para ampliar el experimento de campo para incluir muchas más variaciones de condiciones climáticas de las que se pudieron observar en la prueba real.

En conclusión, nuestro estudio demostró que el caupí no inoculado tiene rendimientos significativamente más bajos que el caupí inoculado, con un promedio de 0,5 t/ha. Si las condiciones climáticas son favorables (frías y húmedas), las diferencias en el rendimiento pueden aumentar a más de 1 t/ha. En años secos (< 200 mm), la diferencia de rendimiento promedio disminuye a sólo 0,1 t/ha. En el futuro lejano (2080-2100), aumentarán los casos de años secos y calurosos, por lo que el uso de semillas de caupí inoculadas en lugar de no inoculadas puede no beneficiar a los agricultores tanto como en el presente y en el futuro cercano (2030-2050). Concluimos que el uso de semillas de caupí inoculadas con una cepa de rizobios eficiente puede aumentar significativamente los rendimientos en diferentes condiciones climáticas, pero que las ventajas de rendimiento disminuyen notablemente en años muy secos y muy calurosos.

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

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Este trabajo es parte del proyecto TOPSOIL financiado por el Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (BMBF) y el Servicio Alemán de Intercambio Académico (DAAD) con los números de subvención DLR 01DG17004A-1 y DAAD 57369814. El estudio también contó con el apoyo de la Deutsche Forschungsgemeinschaft. (DFG, Fundación Alemana de Investigación) en el marco de la Estrategia de Excelencia de Alemania: EXC 2037 'CLICCS–Clima, Cambio Climático y Sociedad' Número de proyecto: 390683824, que contribuye al Centro para la Investigación y la Sostenibilidad del Sistema Terrestre (CEN) de la Universität Hamburg.

Financiamiento de Acceso Abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL. Agradecemos el apoyo financiero del Fondo de Publicaciones de Acceso Abierto de la Universität Hamburg.

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Barbara Reinhold-Hurek y Abhijit Sarkar

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LR: Conceptualización, Software, Análisis formal, Escritura—Borrador original; JB: Investigación, redacción: revisión y edición; PC: investigación, redacción: revisión y edición; AE: Adquisición de financiación, redacción: revisión y edición; AG: Investigación, redacción: revisión y edición; JJ: Curación de datos, JLM: Investigación; BRH: Adquisición de fondos, administración de proyectos, redacción: revisión y edición; AS: investigación, redacción: revisión y edición, UAS: redacción: revisión y edición.

Correspondencia a Livia Rasche.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Rasche, L., Becker, JN, Chimwamurombe, P. et al. Explorando los beneficios del caupí inoculado en diferentes condiciones climáticas en Namibia. Representante científico 13, 11761 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38949-2

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Recibido: 23 de noviembre de 2022

Aceptado: 18 de julio de 2023

Publicado: 20 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38949-2

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