Co-inoculation maintains yields and lowers N2O emission by affecting rhizosphere bacterial diversity in common bean grown on a C-rich clayey Ferralsol

Resumo

Apesar de ser uma leguminosa fixadora de N, o cultivo do feijoeiro (Phaseolus vulgaris) com bactérias diazotróficas não é comumente adotado pelos agricultores brasileiros, que dependem de fontes minerais de nitrogênio como a ureia, elevando os custos ambientais e econômicos. Sistemas diversificados que melhoram a qualidade do solo podem aumentar a capacidade da cultura de depender exclusivamente da fixação biológica de nitrogênio. Este estudo investigou como a coinoculação com Rhizobium spp. e Azospirillum brasilense (+I ou -I), com ou sem N mineral (+N ou -N), afeta os fluxos de N2O–N, a produtividade e a comunidade rizosférica do feijoeiro. O ensaio foi instalado em um sistema de integração lavoura-pecuária (ILP) de 20 anos, nos anos agrícolas 2019/2020 (A1) e 2021/2022 (A2). Variáveis de solo e de planta foram avaliadas ao longo dos dois anos. Os fluxos de N2O–N foram medidos com câmaras estáticas manuais nos dias seguintes à coinoculação e às adubações nitrogenadas, e a composição do microbioma (16S rRNA) foi avaliada por metabarcoding em amostras coletadas no florescimento. As produtividades (~3000 kg/ha) foram relativamente altas e semelhantes entre os tratamentos. A coinoculação isolada (+I-N) reduziu os fluxos de N2O–N (média anual de 43,8 ± 16,0 µg/m²/h). A coinoculação reduziu a intensidade de emissão de N2O do feijoeiro; contudo, sua eficácia foi limitada quando aplicada em conjunto com a ureia. Independentemente do ano e da coinoculação, os fluxos de N2O–N permaneceram elevados quando se utilizou fertilizante nitrogenado (média de 108,3 ± 30,3 µg/m²/h). A diversidade microbiana foi, em geral, menor sob adubação nitrogenada, com alterações na abundância de grupos funcionais relacionados ao nitrogênio, especialmente no segundo ano. Apesar das variações sazonais, os resultados indicam que a coinoculação pode mitigar a emissão de N₂O mantendo a produtividade da cultura e a matéria orgânica do solo (~4%) nesse sistema ILP biodiverso.

Abstract

Despite being a N-fixing legume, common bean (Phaseolus vulgaris) cultivation using diazotrophic bacteria is not commonly adopted by Brazilian farmers, who instead rely on mineral nitrogen sources like urea, increasing environmental and economic costs. Diversified systems that enhance soil quality may improve the crop’s ability to depend solely on biological nitrogen fixation. This study investigated how co-inoculation with Rhizobium spp. and Azospirillum brasilense (+I or -I), with or without mineral N (+N or -N), affects N2O–N fluxes, yield, and rhizospheric community of common bean. A trial was established within a 20-year-old integrated crop-livestock system (ICLS) over the 2019/2020 (Y1) and 2021/2022 (Y2) crop years. Soil and plant variables were assessed throughout both years. N2O–N fluxes were measured using manual static chambers targeting days following co-inoculation and N fertilization applications, while the 16S rRNA microbiome composition was assessed by metabarcoding samples collected during flowering. Yields (~3000 kg/ha) were relatively high and similar among treatments. Co-inoculation alone (+I-N) led to reduced N2O–N fluxes (yearly average of 43.8 ± 16.0 µg/m²/h). Co-inoculation reduced the N2O emission intensity of common bean; however, its effectiveness was limited when applied in conjunction with urea. Regardless of year and co-inoculation, N2O–N fluxes remained high when N fertilizer was used (averaging 108.3 ± 30.3 µg/m²/h). Microbial diversity was generally lower under N fertilization, with shifts in the abundance of nitrogen-related functional groups, particularly in the second year. Despite seasonal variations, results indicate that co-inoculation can mitigate N₂O emission while maintaining crop yield and soil organic matter (~4 %) in this biodiverse ICLS system.