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Assessment of phosphorus and zinc dynamics in a rice growing soil of North-Eastern India under contrasting moisture regimes

Este estudio demuestra que en los suelos de arroz del noreste de la India, la inundación continua y la aplicación combinada de 60 kg de P y 25 kg de Zn ha⁻¹ maximizan el rendimiento del grano al mejorar la disponibilidad y la absorción de nutrientes, con el fósforo actuando como el principal motor de la productividad y el zinc proporcionando beneficios complementarios a pesar de las menores interacciones antagónicas.

Autores originales: Tathagata Karmakar, Rohit Kumar Choudhury, Dibyendu Mukhopadhyay, Sumana Balo, Sayan Debsingha, Ganesh Chandra Banik, Ranjan Bhattacharyya

Publicado 2026-09-09

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CC BY 4.0

Autores originales: Tathagata Karmakar, Rohit Kumar Choudhury, Dibyendu Mukhopadhyay, Sumana Balo, Sayan Debsingha, Ganesh Chandra Banik, Ranjan Bhattacharyya

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El arroz es el sustento de miles de millones de personas, un alimento básico que llena cuencos en todo el mundo y ancla la seguridad alimentaria de naciones enteras. En los paisajes bajos y ricos en agua del este de la India, donde el suelo es a menudo ácido y las lluvias son intensas, cultivar este cultivo es un delicado acto de equilibrio. Los agricultores aquí enfrentan un desafío específico: al suelo le faltan con frecuencia dos ingredientes críticos necesarios para plantas sanas, el fósforo y el zinc. El fósforo actúa como el motor de la transferencia de energía dentro de la planta, mientras que el zinc es un ayudante diminuto pero esencial que mantiene las enzimas trabajando y protege a la planta del estrés. Cuando estos nutrientes faltan, el arroz tiene dificultades para crecer y la cosecha se reduce. Pero añadirlos no es tan simple como verterlos; el suelo mismo es un entorno químico complejo donde la humedad, la temperatura y los nutrientes interactúan de formas que pueden ayudar a la planta o bloquear los nutrientes, dejándolos inútiles.

Un equipo de investigadores en Bengala Occidental se propuso desentrañar esta red de interacciones. Querían comprender cómo se comportarían diferentes cantidades de fósforo y zinc, aplicadas al suelo, bajo dos condiciones de agua muy diferentes: una donde los campos se mantenían completamente inundados, como es tradicional, y otra donde el suelo se mantenía húmedo pero no sumergido, simulando un escenario donde el agua es escasa. Cultivaron dos variedades diferentes de arroz, DRR Dhan 45 e IR 64, en macetas controladas y en campos abiertos durante dos años. Al medir cuidadosamente cuánto de cada nutriente absorbían las plantas, cuánto permanecía disponible en el suelo y cuánta granza se producía, buscaron encontrar la receta perfecta para alimentar el arroz en estos suelos ácidos específicos.

Los resultados pintaron un panorama claro de cómo se comportan estos nutrientes. El estudio confirmó que añadir fósforo era el factor más importante para aumentar la cosecha. Cuando los investigadores aplicaron dosis más altas de fósforo, las plantas absorbieron más de él, y el rendimiento del grano aumentó significamente, alcanzando un máximo de 78 quintales por hectárea cuando se combinaba con la cantidad adecuada de zinc. Este alto rendimiento fue logrado por la variedad IR 64 cuando se cultivó en campos continuamente inundados con 60 kilogramos de fósforo y 25 kilogramos de zinc por hectárea. Los investigadores descubrieron que, si bien el fósforo es el principal motor de la productividad, el zinc desempeña un papel de apoyo vital. Añadir zinc no perjudicó la capacidad de la planta para utilizar el fósforo; de hecho, ambos trabajaron bien juntos, siempre que el zinc no fuera excesivo.

Sin embargo, la relación entre los dos nutrientes en el suelo era más complicada. El estudio reveló un antagonismo sutil, o una especie de fricción química, entre ellos. Cuando se añadía más fósforo al suelo, la cantidad de zinc que podía ser fácilmente extraída por las raíces de las plantas disminuía ligeramente. Inversamente, añadir zinc causaba una pequeña caída en la cantidad de fósforo disponible en el suelo, aunque esto no impidió que las plantas absorbieran suficiente fósforo para crecer bien. Esto sugiere que, si bien los dos nutrientes compiten por el espacio en la solución del suelo, la competencia no es lo suficientemente fuerte como para causar una deficiencia si ambos se aplican en cantidades equilibradas. Los investigadores también observaron que el régimen de agua importaba profundamente. La inundación continua generalmente hacía que los nutrientes fueran más disponibles para las plantas, probablemente porque las condiciones de anegación cambiaron el estado químico del hierro en el suelo, liberando nutrientes que antes estaban atrapados. En contraste, cuando el suelo se mantenía solo a la mitad de su capacidad de retención de agua, los nutrientes eran retenidos más fuertemente por las partículas del suelo, dificultando que las plantas los alcanzaran.

Para comprender la mecánica detrás de estas observaciones, el equipo realizó experimentos de laboratorio para ver cómo las partículas del suelo se aferraban a las moléculas de fósforo y zinc. Descubrieron que la forma en que el fósforo se adhería al suelo se describía mejor mediante un modelo que tiene en cuenta la energía del enlace, mientras que el zinc seguía un patrón diferente donde la energía de la adhesión cambiaba a medida que se añadía más zinc. Curiosamente, descubrieron que la temperatura jugaba un papel en este proceso. Las condiciones más cálidas, que imitan el calor del pico del verano, parecían fortalecer el vínculo entre el suelo y el fósforo, lo que significa que el suelo lo retenía con más fuerza. Esto implica que en climas más calurosos, el suelo podría retener mejor los nutrientes, pero también significa que la planta tiene que trabajar más duro para extraerlos. Para el zinc, el efecto de la temperatura era más sensible a la cantidad de agua en el suelo, mostrando que la interacción entre el calor y la humedad es compleja y específica para cada nutriente.

En última instancia, el estudio concluye que, para los agricultores en estas regiones productoras de arroz de suelos ácidos, la prioridad debe ser asegurar que el suelo tenga suficiente fósforo, ya que este es la clave principal para desbloquear una buena cosecha. El zinc debe añadirse para complementar al fósforo y prevenir la deficiencia, pero no necesita aplicarse en cantidades masivas. La investigación sugiere que la mejor estrategia es un enfoque equilibrado: aplicar 60 kilogramos de fósforo y 25 kilogramos de zinc por hectárea, y mantener la inundación continua si es posible. Esta combinación permitió que la variedad de arroz IR 64 alcanzara su máximo potencial, demostrando que comprender la silenciosa danza química entre el suelo, el agua y los nutrientes puede conducir a un suministro de alimentos más abundante y seguro. Los hallazgos ofrecen una guía práctica para el manejo de estos suelos, mostrando que con el equilibrio adecuado de nutrientes y agua, los desafíos del suelo ácido pueden superarse para sostener la producción de arroz de la que tantos dependen.

Resumen Técnico: Evaluación de la Dinámica del Fósforo y el Zinc en un Suelo de Cultivo de Arroz del Noreste de la India bajo Regímenes de Humedad Contrastantes

Planteamiento del Problema
El cultivo de arroz en los suelos ácidos de la región de Terai en el noreste de la India se ve frecuentemente limitado por deficiencias de fósforo (P) y zinc (Zn). Mientras que el P es esencial para la transferencia de energía y el crecimiento, y el Zn es crítico para la activación enzimática y la síntesis de proteínas, su disponibilidad es altamente sensible a la química del suelo y a los regímenes de humedad. En los ecosistemas de arroz inundados, la reducción del hierro férrico (Fe³⁺) a hierro ferroso (Fe²⁺) típicamente aumenta la disponibilidad de P, pero puede disminuir la disponibilidad de Zn debido a la formación de compuestos insolubles. Por el contrario, la aplicación excesiva de P puede antagonizar la absorción de Zn. A pesar de la extensa investigación sobre los comportamientos individuales de los nutrientes, existe una comprensión limitada de las interacciones simultáneas entre la fertilización con P y Zn, su termodinámica de adsorción y su impacto combinado en el rendimiento bajo regímenes de humedad contrastantes (inundación continua frente a estrés hídrico) en estos suelos ácidos específicos.

Metodología
El estudio empleó un enfoque multifacético que combina experimentos en macetas, ensayos de campo y estudios de sorción por lotes realizados durante dos años consecutivos (2023–2024 y 2024–2025) en la Uttar Banga Krishi Viswavidyalaya, Cooch Behar, Bengala Occidental.

Diseño Experimental: Se cultivaron dos cultivares de arroz, DRR Dhan 45 (V1) e IR 64 (V2), bajo dos regímenes de humedad: inundación continua (W1) y el 50% de la capacidad máxima de campo (W2).
Tratamientos de Nutrientes: Se aplicaron niveles graduados de P (0, 45 y 60 kg ha⁻¹) y Zn (0, 12.5 y 25 kg ha⁻¹) en un arreglo factorial. El nitrógeno y el potasio se aplicaron en dosis recomendadas.
Mediciones: Se analizaron muestras de suelo y de plantas a la máxima ramificación (85 días después del trasplante, DAT) y a la madurez (115 DAT), así como el P disponible, el Zn extraíble con DTPA y la absorción de nutrientes. El rendimiento de grano se registró en el ensayo de campo.
Sorción y Termodinámica: Se realizaron estudios de incubación por lotes a 25 °C y 35 °C bajo condiciones de humedad W1 y W2. Los datos de adsorción se ajustaron a cuatro modelos de isoterma (Freundlich, Langmuir, Temkin y Dubinin–Radushkevich) para determinar las energías de unión y los mecanismos de adsorción. Los parámetros termodinámicos (energía libre de Gibbs, $\Delta G$ ) se calcularon para evaluar la espontaneidad de la reacción.
Análisis Estadístico: Los datos se analizaron mediante ANOVA y se desarrollaron modelos de predicción de rendimiento utilizando regresión lineal múltiple y Gráficos de Dependencia Parcial (PDP) para evaluar la influencia relativa de las variables de nutrientes.

Resultos Clave

Dinámica de Nutrientes y Absorción:
- Fósforo: La aplicación de P aumentó significativamente el P disponible en el suelo, la absorción de P y el rendimiento de grano. La absorción de P se correlacionó positivamente con la disponibilidad de P en el suelo ( $r = 0.76^{**}$ ).
- Zinc: La fertilización con Zn aumentó significativamente la disponibilidad de Zn en el suelo y su absorción.
- Interacción P-Zn: Se observó un claro efecto antagónico donde el aumento de la aplicación de P redujo la disponibilidad de Zn en el suelo y su absorción. Por el contrario, la aplicación de Zn causó un descenso marginal en la disponibilidad de P en el suelo y no afectó negativamente la absorción de P ni el rendimiento; de hecho, la aplicación de Zn aumentó ligeramente la absorción de P durante la etapa vegetativa (85 DAT).
- Régimen de Humedad: La inundación continua (W1) generalmente mejoró la disponibilidad y la absorción de P en comparación con el estrés hídrico (W2). Sin embargo, la disponibilidad de Zn también fue mayor bajo W1, atribuido a la competencia de Fe²⁺ y Mn²⁺ por los sitios de intercambio, lo que limitó la retención de Zn.
Características de Sorción:
- Ajuste de Modelos: La adsorción de P fue descrita mejor por el modelo de Dubinin–Radushkevich (D-R) ( $R^2 = 0.98$ ), mientras que la adsorción de Zn siguió la isoterma de Temkin ( $R^2 = 0.92$ ).
- Termodinámica: El análisis termodinámico indicó que la adsorción de Zn fue espontánea ( $\Delta G < 0$ ), mientras que la adsorción de P fue no espontánea bajo las condiciones experimentales.
- Efectos de Temperatura y Humedad: La inundación continua redujo la energía de unión, mejorando así la disponibilidad de nutrientes. El aumento de la temperatura (de 25 °C a 35 °C) fortaleció la adsorción, particularmente para el P, lo que indica una mejor retención de nutrientes bajo condiciones más cálidas. La magnitud de los parámetros de sorción para el P aumentó con la temperatura, lo que sugiere un proceso endotérmico.
Desempeño del Rendimiento:
- El mayor rendimiento de grano (78 q ha⁻¹) se logró con la aplicación combinada de 60 kg de P ha⁻¹ y 25 kg de Zn ha⁻¹ bajo inundación continua para el cultivar IR 64 (Tratamiento P2Zn2V2W1).
- El análisis de regresión reveló que el rendimiento de grano fue impulsado principalmente por la absorción de P, que explicó el 72.80% de la variación del rendimiento. Si bien la nutrición con Zn es necesaria para prevenir la deficiencia, la adición de Zn más allá de los niveles adecuados contribuyó mínimamente a incrementos adicionales en el rendimiento.

Contribuciones Clave

Perspectiva Mecanicista: El estudio elucida los mecanismos que gobiernan la retención de P y Zn en los suelos ácidos de Terai, identificando los modelos D-R y Temkin como los descriptores más apropiados para sus respectivos comportamientos de adsorción.
Clarificación de la Interacción: El estudio cuantifica el antagonismo P-Zn, demostrando que, si bien un P alto reduce la disponibilidad de Zn, una aplicación equilibrada de Zn no impide significativamente la utilización de P, apoyando una relación complementaria en lugar de estrictamente antagónica cuando se gestiona correctamente.
Acoplamiento Humedad-Temperatura: La investigación destaca la compleja interacción entre los regímenes de humedad y la temperatura sobre la sorción de nutrientes, mostrando cómo la inundación reduce la energía de unión (aumentando la disponibilidad) mientras que las temperaturas más altas aumentan la fuerza de adsorción.
Predicción del Rendimiento: A través de enfoques de aprendizaje automático y regresión, el estudio establece que la nutrición con P es el principal motor de la productividad en estos suelos, actuando el Zn como un factor complementario.

Significado y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la fertilización equilibrada de P y Zn es una estrategia viable para sostener la productividad del arroz en los suelos ácidos del noreste de la India, siempre que se gestionen eficazmente los regímenes de humedad. Los hallazgos sugieren que la gestión del P debe ser el enfoque principal para la optimización del rendimiento, apoyado por una nutrición de Zn adecuada (pero no excesiva) para mitigar el antagonismo y prevenir la deficiencia. El estudio proporciona una base mecanicista para optimizar las estrategias de fertilización bajo condiciones de cambio climático, abordando específicamente cómo los regímenes variables de humedad y temperatura alteran la biodisponibilidad de los nutrientes. Los autores concluyen que la combinación de tratamiento P2Zn2V2W1 (60 kg P ha⁻¹, 25 kg Zn ha⁻¹, cultivar IR 64, inundación continua) representa la estrategia óptima para esta zona agroecológica específica.

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