Impact of desalinated seawater and boron on the fertility and microbial communities of mediterranean soils

Abstract

La agricultura es clave para el progreso de la sociedad. Sin embargo, su estabilidad está amenazada por la escasez de agua, que se ve agravada por los efectos del cambio climático. El déficit hídrico y la pérdida de carbono orgánico en el suelo son los principales problemas que afectan negativamente a la sostenibilidad de la agricultura en la región mediterránea. En las últimas décadas, el agua desalinizada de mar ha adquirido un importante protagonismo como fuente alternativa de agua a pesar de los potenciales problemas agronómicos que puede conllevar su alto contenido en boro (B). Reconocido micronutriente para las plantas, el boro juega un papel fundamental en numerosas funciones fisiológicas, pero su concentración en el suelo puede generar problemas de toxicidad y ser perjudicial para los cultivos. Hoy en día, aún existe un desconocimiento sobre el impacto de la toxicidad por B sobre la fertilidad edáfica y la microbiota, y dada la importancia que esta última tiene en las funciones del suelo, eje central del mantenimiento del ecosistema y de sus servicios, su evaluación resulta esencial. Esta evaluación puede basarse en el uso de indicadores de calidad y salud del suelo. Entre ellos, los indicadores biológicos aportan una valiosa información del estado del suelo. Además, el uso de indicadores fisiológicos puede completar la evaluación del sistema suelo-planta. Esta tesis evalúa el impacto del uso de agua desalinizada de mar, y otras aguas con concentraciones elevadas de boro, en el sistema suelo-planta. Los cuatro experimentos que la conforman combinan, por una parte, el uso de gradientes de concentración de boro en distintos suelos agrícolas, con adición o no de materia orgánica; y por la otra, el uso de agua desalinizada de mar y su impacto en el sistema suelo-planta en comparación con el uso de agua dulce y la mezcla de ambos tipos de agua. Como plantas modelo se usaron distintas especies de cultivo cubriendo distintos grados de tolerancia frente al boro: césped (Lollium perenne), limonero (Citrus × limon), tomate (Solanum lycopersicum), cebolla (Allium cepa) y albaricoquero (Prunus armeniaca). Los resultados de esta tesis indicaron que el riego con agua enriquecida en boro favorece su adsorción y acumulación en el suelo. Además, el uso de enmiendas orgánicas no favoreció dicha acumulación. El exceso de boro en el suelo afectó sobre todo a las propiedades fisicoquímicas (ciclo del N) y microbiológicas afectando a la biomasa, diversidad y estructura de las comunidades microbianas. Asimismo, el exceso de boro impactó significativamente la composición, la complejidad y la conectividad de las redes microbianas, a alterando la estabilidad de la microbiota del suelo. Las altas concentraciones de boro también afectaron a los cultivos, registrándose una pérdida de biomasa y un incremento del contenido de boro en las hojas. Ocasionalmente, la toxicidad por B dañó gravemente algunas propiedades fisiológicas causando la muerte del ejemplar. Por otra parte, el uso de enmiendas orgánicas aumentó la movilidad y disponibilidad del boro para las plantas y la microbiota del suelo, al mismo tiempo que incrementó la resistencia de las plantas frente a peores condiciones de toxicidad. Por último, el riego continuado con agua desalinizada de mar no supuso una pérdida de la fertilidad edáfica, pero sus efectos a largo plazo podrían mermar la productividad y sostenibilidad de los cultivos más sensibles. Esta tesis doctoral nos permite concluir que el uso de agua desalinizada de mar, en relación con la problemática del boro, es una alternativa apropiada como agua de riego, siempre que se evalúen los principales indicadores de calidad del sistema suelo-planta con la intención de salvaguardar su sostenibilidad.

Agriculture is key to the progress of society. However, its stability is threatened by water scarcity, which is projected to get worst under a climate change scenario. The water deficit and the loss of organic carbon in the soil are the main problems that negatively affect the sustainability of Mediterranean agriculture. In recent decades, desalinated seawater has reached a relevant role as an alternative water source for irrigation despite the potential agronomic problems that its high boron (B) content may entail. As a plant micronutrient, boron plays a fundamental role in several physiological functions, but its soil concentration may cause toxicity problems and harm crops. Currently, there is still a lack of knowledge about the impact of B toxicity on soil fertility and microbiota. Given the importance that microbiota has in soil functions (being essential for the maintenance of the ecosystem and its services), its evaluation is crucial. This assessment can be based on the use of soil health and quality indicators. Among them, biological indicators provide helpful information about soil status. In addition, the use of physiological indicators can complete the evaluation of the soil-plant system. This PhD thesis evaluates the impact of using desalinated seawater, and other extremely B-enriched waters, on the soil-plant system through four different experimental assays. In them, we assessed the combined addition of water with a boron concentration gradient to different agricultural soils with or without the addition of organic matter. Also, the irrigation with desalinated seawater and its impact on the soil-plant system was assessed, compared to the use of freshwater and its blend. As model plants, five crop species were selected to cover different B tolerance levels: ryegrass (Lollium perenne), lemon (Citrus × limon), tomato (Solanum lycopersicum), onion (Allium cepa) and apricot (Prunus armeniaca). The results of this PhD thesis indicated that irrigation with boron-enriched water favoured its soil adsorption and accumulation. Indeed, the addition of organic amendments did not enhance the B accumulation. Our outcomes showed that B excess in soil affected both physicochemical (soil N cycle), and microbiological properties (biomass, diversity, and structure of the microbial communities). Furthermore, B excess significantly shifted the composition, complexity, and connectivity of microbial networks, impacting the stability of the soil microbiota. High B concentrations in soils also harmed crops, noting a loss of plant biomass and an increase in the foliar B content. Occasionally, B toxicity severely damaged some physiological properties causing the death of the plant. On the other hand, the addition of organic matter increased the mobility and availability of B for plants and soil microbiota. Also, organic amendments fostered plant resistance against strong toxicity conditions. Finally, continuous irrigation with desalinated seawater showed that it did not negatively affect soil fertility. However, we noted that its long-term effects could harm the productivity and sustainability of the most sensitive crops. This PhD thesis concludes that the use of desalinated seawater, concerning the B problem, is a feasible alternative water source for irrigation. Nevertheless, the main quality and health indicators of the soil-plant system should be assessed to maintain agroecosystem sustainability.