Seed inoculation, biological nitrogen fixation, and response to nitrogen fertilization in soybean grown in center-south region of Paraná state

Abstract

The main agricultural challenge for upcoming decades is to feed the growing world population as sustainable as possible. As soybean [Glycine max (L.) Merril] is the most important agricultural legume around the world, grown worldwide as source of protein and oil, increasing its productivity by reducing possible yield gaps instead of increasing the acreage by opening new arable lands should be the focus of researchers and producers. Therefore, three studies were performed in the Center-south region of Pananá, Southern Brazil, aiming to evaluate soybean response to seed inoculation in areas with a history of this practice; determining the nitrogen (N) derived from the air (Ndfa) performance and its relationship with environmental variables, plant, and BNF traits to find driving variables of the crop yield performance; accessing possible N limitations to soybeans through full-N fertilization; and evaluating the crop yield response to the starter N. Findings of this thesis showed that soybean response to inoculation was inconsistent on a regional-scale, regarding the type of inoculant. The Ndfa averaged 61%, similar to the worldwide average and lower than the previous estimate for Brazil. Mean air temperature, total soil N, available phosphorus and exchangeable calcium were the most significant variables related to Ndfa performance. Nitrogen limitation was higher in low yield environments likely due to issues with N supply (through N2 fixation and/or soil). Furthermore, high seed yield was related to greater values of Ndfa and contents of soil organic matter (SOM). Hence, improving soil fertility to promote crop growth and BNF process and adopting conservation management practices to increase SOM should be the focus of farmers to reduce N limitation and increase soybean seed yield. Research efforts should be applied to quantify rhizobia persistence in the soil and its efficacy at N fixation after continuous cropping without inoculation, as well determining N balance for the region. Furthermore, future studies should be given to find sustainable ways to reduce soybean yield gap by N limitation.

O grande desafio da agricultura para as próximas décadas é alimentar a população mundial crescente da maneira mais sustentável possível. A soja [Glycine max (L.) Merril] é a leguminosa mais importante mundialmente em termos agrícolas por ser fonte de proteínas e óleo para a alimentação. Portanto, incrementar sua produtividade por meio da redução de possíveis yield gaps ao invés de abrir novas áreas agricultáveis deveria ser o foco de pesquisadores e produtores. Assim, três estudos foram conduzidos na região Centro-Sul do Paraná, Sul do Brasil, com o objetivo de avaliar a resposta da soja a inoculação de sementes em áreas com histórico desta prática; determinar a contribuição do nitrogênio (N) derivado do ar (Ndfa) e a sua relação com variáveis ambientais, de planta e componentes da fixação biológica de N (FBN) para verificar quais as variáveis determinantes do rendimento da soja; acessar possíveis limitações de N para soja por meio da dose cheia de N (full-N); e avaliar a resposta da soja ao nitrogênio de arranque. Os resultados desta tese mostraram que a resposta da soja à inoculação foi inconsistente em escala regional, independente do tipo de inoculante. A média de Ndfa foi 61%, similar à média mundial e menor do que estimativas prévias para o Brasil. Temperatura média do ar, fósforo disponível e cálcio trocável foram as variáveis mais significativas em relação ao desempenho do Ndfa. A limitação nitrogenada foi mais alta em ambientes de baixo rendimento devido a limitações no suprimento de N (através da FBN e/ou do solo). Além disso, alta produtividade de soja foi relacionada a maiores valores de Ndfa e de matéria orgânica do solo (MOS). Sendo assim, incrementar a fertilidade do solo, a fim de promover o crescimento de plantas e os processos da FBN, e adotar práticas de manejo conservacionistas para aumentar o teor de MOS deveriam ser o foco de produtores para reduzir possíveis limitações de N e incrementar o rendimento da soja. Esforços de pesquisa devem ser aplicados para quantificar a persistência de rizóbios no solo e sua eficácia na fixação de N após o cultivo contínuo sem inoculação, bem como determinar o balanço de N para a região. Ainda, futuros estudos devem ser feitos para encontrar formas sustentáveis de reduzir o déficit de produtividade da soja por limitação de nitrogênio.