Study on the water retention and carbon sequestration of clay-organic composites in nutrient-poor soils

Abstract

Resumen en español: Los suelos pobres en nutrientes se caracterizan típicamente por su bajo contenido de nutrientes y su escasa capacidad de retención de agua. Ejemplos representativos de estos suelos son el suelo salino-alcalino, el suelo cubierto de fosfoyeso y el suelo desértico. En este estudio, empleamos estrategias específicas para estos tres tipos de suelo: polímeros tolerantes a la sal, costras biológicas naturales y costras biológicas artificiales basadas en arcilla. Nuestro objetivo fue explorar métodos viables para mejorar la retención de agua y el secuestro de carbono. Al mismo tiempo, investigamos las interacciones entre los componentes inorgánicos (p. ej., arcilla, fosfoyeso, salinidad, pH) y los componentes orgánicos (p. ej., polímeros, microorganismos, carbono orgánico del suelo). Al aprovechar estas interacciones, buscamos generar una sinergia que permita una restauración más efectiva que la alcanzada mediante cualquier método individual. Capítulo II:Mejorar la retención de agua en el suelo es una estrategia efectiva para mitigar la salinización del suelo. Los polímeros superabsorbentes (SAP), conocidos por su fuerte capacidad de absorción de agua, se utilizan ampliamente como agentes retenedores de agua en la agricultura. Sin embargo, su tolerancia limitada a la sal restringe su aplicación en suelos salino-alcalinos. Para abordar esta limitación, este estudio tuvo como objetivo desarrollar un polímero superabsorbente tolerante a la sal (ST-SAP) adecuado para su uso en ambientes de alta salinidad. El ST-SAP se sintetizó utilizando ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico (AMPS), ácido acrílico (AA) y acrilamida (AM), y se evaluó mediante experimentos de hinchamiento y re-hinchamiento. El mecanismo de tolerancia a la sal del ST-SAP se analizó mediante espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) y tomografía computarizada (TC). Para evaluar su eficacia en suelos altamente salinos, se probó el ST-SAP en muestras de suelo recolectadas en Lop Nur, Xinjiang, China, que contenían un 18.13% en peso de sales totales disueltas. El ST-SAP sintetizado demostró una capacidad de hinchamiento sobresaliente (69.04 g/g) en condiciones de alta salinidad. Cabe destacar que su excepcional estabilidad en ambientes salinos se atribuyó a la reacción de complejación entre el Ca²⁺ y sus tres grupos funcionales hidrófilos (R-SO₃H, R-COOH y R-CONH₂). Además, la adición de un 2% en peso de ST-SAP al suelo salino-alcalino extendió el período de retención de agua a 28 días, confirmando su eficacia para mejorar la retención de agua del suelo en condiciones de alta salinidad. Capítulo III: El acumulamiento de fosfoyeso plantea riesgos ecológicos significativos para el medio ambiente circundante. La rehabilitación ecológica in situ impulsada biológicamente representa un enfoque de restauración ecológico. Las costras biológicas juegan un papel irreemplazable en la recuperación ecológica de ambientes degradados, pero reciben menos atención en el contexto del fosfoyeso. Este estudio empleó investigaciones de campo en acumulados o montones de fosfoyeso de diferentes años de almacenamiento con capas de costras biológicas y capas de fosfoyeso. Se observó que después de 12 años, los montones de fosfoyeso se cubrieron completamente con costras biológicas, lo que indica la colonización y estabilización exitosa de costras biológicas en las superficies de fosfoyeso. Para explorar las interacciones entre el fosfoyeso y las costras biológicas, se recolectaron muestras y se sometieron a análisis fisicoquímicos. Los resultados experimentales demostraron que el tamaño de partícula fino (<100 μm), el abundante fósforo disponible y los iones de calcio intercambiables en el fosfoyeso proporcionan condiciones favorables para la formación y desarrollo de costras biológicas. Por el contrario, las interacciones fosfoyeso-costra biológica mejoran los procesos microbianos del ciclo de nutrientes, particularmente el ciclo del carbono, lo que finalmente conduce a mejoras significativas en las propiedades fisicoquímicas de la superficie del montones de fosfoyeso. Específicamente, el C orgánico del suelo aumentó en un 175.28%, el pH aumentó de 3.4 a 5.6, y el contenido de fluoruro soluble disminuyó al 14.2% de su nivel original. Capítulo IV: Las costras biológicas artificiales sirven como pools de carbono esenciales para mitigar la desertificación. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones se han centrado principalmente en las comunidades microbianas, pasando por alto la influencia de los minerales arcillosos en la bomba de carbono de las costras biológicas. Este estudio construyó costras biológicas artificiales basadas en arcilla para examinar el papel de los minerales arcillosos en la acumulación de carbono orgánico del suelo (SOC). Se coinocularon montmorillonita (MMT) y Microcoleus vaginatus, y se midieron parámetros clave relacionados con el SOC, incluyendo el carbono microbiano de la biomasa, el contenido de SOC y la clorofila *a* (Chl-*a*). Los resultados mostraron que para el día 84, los niveles de SOC en los grupos MMT-algas (≥1.4 g dm⁻²) fueron más de 3.45 veces superiores a los del grupo solo con algas, identificándose 1.4 g dm⁻² como la dosis óptima de MMT. Adicionalmente, la MMT promovió significativamente el crecimiento microbiano y mejoró la estabilidad del SOC, identificándose la proliferación microbiana como el mecanismo principal que impulsa la acumulación de SOC. Además, la MMT favoreció la proliferación de microorganismos fotosintéticamente activos. Estos hallazgos sugieren que la MMT puede actuar como un acelerador de la bomba de carbono microbiana en el desarrollo de costras biológicas artificiales, ofreciendo un enfoque viable y una base teórica sólida para la restauración rápida de paisajes desertificados. Capítulo V: Las costras biológicas sirven como los reservorios primarios de carbono orgánico en ambientes desérticos, donde las arcillas inorgánicas podrían desempeñar un papel crucial en este proceso. Sin embargo, los mecanismos específicos que subyacen a su influencia permanecen en gran medida inexplorados. Este estudio investigó los efectos de dos minerales arcillosos típicos: caolín (tipo 1:1) y montmorillonita (tipo 2:1), sobre la acumulación de SOC en costras biológicas artificiales. Después de 84 días de cultivo, tanto el caolín como la MMT mejoraron significativamente los niveles de SOC, aumentándolos en 5.03 y 4.08 veces, respectivamente, en comparación con el grupo algas (sin arcilla añadida). Cabe destacar que los dos tipos de arcilla exhibieron ventajas distintas en la acumulación de SOC. Debido a su mayor área superficial externa y mayor capacidad de intercambio catiónico, la MMT jugó un papel más importante en la estabilización del SOC. En el grupo MMT, el cociente de mineralización (qM), el carbono orgánico extraíble con agua caliente (HWEOC) y la estabilidad estructural molecular del SOC fueron 0.3, 0.34 y 1.31 veces los del grupo algas, respectivamente, lo que indica una estabilidad mejorada del SOC. Por el contrario, el caolín promovió el crecimiento microbiano y la formación de SOC de manera más efectiva, probablemente debido a su mayor contenido de carbono orgánico disuelto (DOC). El carbono microbiano de la biomasa (MBC), la Chl-a, el índice de rendimiento fotosintético (PIABS) y el índice de diversidad de Shannon en el grupo de caolín fueron 5.67, 2.44, 11.95 y 1.82 veces mayores que los del grupo Algas, respectivamente. Estos hallazgos resaltan el papel sinérgico de los minerales arcillosos y las cianobacterias en la acumulación de SOC dentro de los sistemas de costras biológicas artificiales, aclaran las contribuciones distintas del caolín y la MMT, y proporcionan nuevas perspectivas para acelerar la rehabilitación de paisajes desérticos pobres en nutrientes. Los resultados anteriores indican que el ST-SAP mejora significativamente la capacidad de retención de agua del suelo salino-alcalino. Las costras biológicas naturales y las costras biológicas artificiales basadas en arcilla promueven notablemente el secuestro de carbono en los montones de fosfoyeso y en los suelos desérticos, respectivamente. Este estudio proporciona estrategias efectivas y fundamentos teóricos para mejorar la retención de agua y el secuestro de carbono en suelos pobres en nutrientes.

Nutrient-poor soils are typically characterized by low nutrient content and poor water retention. Typical examples include saline-alkali soil, phosphogypsum-covered soil, and desert soil. In this study, we employed corresponding strategies for these three soil types: salt-tolerant polymers, natural biocrusts, and clay-based artificial biocrusts. Our aim was to explore feasible approaches for enhancing water retention and carbon sequestration. Simultaneously, we investigated the interactions between inorganic (e.g., clay, phosphogypsum, salinity, pH) and organic (e.g., polymers, microorganisms, soil organic carbon) constituents. By leveraging these interactions, we seek to trigger a synergy that delivers more effective restoration than any single method. Chapter II: Improving soil water retention is an effective strategy for mitigating soil salinization. Superabsorbent polymers (SAPs), known for their strong water absorption capacity, are widely used as water-retaining agents in agriculture. However, their limited salt tolerance restricts their application in saline-alkali soils. To address this limitation, this study aimed to develop a salt-tolerant superabsorbent polymer (ST-SAP) suitable for use in high-salinity environments. ST-SAP was synthesized using 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS), acrylic acid (AA), and acrylamide (AM) and was evaluated through swelling and reswelling experiments. The salt-tolerance mechanism of ST-SAP was spectroscopical analyzed using X-ray photoelectron (XPS) and Fourier transform infrared (FT-IR); the analyses were completed by computed tomography (CT). To assess its effectiveness in highly saline soil, ST-SAP was tested in soil samples collected from Lop Nur, Xinjiang, which contained 18.13 wt% total dissolved salts. The synthesized ST-SAP demonstrated outstanding swelling capacity (69.04 g/g) under high-salinity conditions. Notably, its exceptional stability in saline environments was attributed to the complexation reaction between Ca²⁺ and its three hydrophilic functional groups (R-SO₃H, R-COOH, and R-CONH₂). Furthermore, the addition of 2 wt% ST-SAP to saline-alkali soil extended the water retention period to 28 days, confirming its effectiveness in improving soil water retention under high-salinity conditions. Chapter III: Stockpiling phosphogypsum poses significant ecological risks to the surrounding environment. Biologically driven in situ ecological rehabilitation represents an eco-friendly restoration approach. Biocrusts play an irreplaceable role in the ecological recovery of degraded environments but receive less attention in the context of phosphogypsum. This study employed field investigations on phosphogypsum stockpiles of different storage years with biocrust layers and phosphogypsum layers. It was observed that after 12 years, phosphogypsum stockpiles became completely covered by biocrusts, indicating successful colonization and stabilization of biocrusts on phosphogypsum surfaces. To explore the interactions between phosphogypsum and biocrusts, samples were collected and subjected to physical and chemical analyses. Experimental results demonstrated that the fine particle size (<100 μm), abundant available P, and exchangeable Ca2+ in phosphogypsum provide favorable conditions for biocrust formation and development. Conversely, the phosphogypsum-biocrust interactions enhance microbial nutrient cycling processes, particularly carbon cycling, ultimately leading to significant improvements in the physical and chemical properties of the phosphogypsum stockpile surface. Specifically, soil organic carbon increased by 175.28%, pH rose from 3.4 to 5.6, and soluble F- content decreased to 14.20% of its original level. Chapter IV: Artificial biocrusts serve as essential carbon pools in mitigating desertification. However, most research has primarily focused on microbial communities, overlooking the influence of clay minerals on the biocrust carbon pump. This study constructed clay-based artificial biocrusts to examine the role of clay minerals in soil organic carbon (SOC) accumulation. Montmorillonite (MMT) and Microcoleus vaginatus were co-inoculated, and key SOC-related parameters were measured, including microbial biomass carbon, SOC content, and chlorophyll a (Chl-a). The results showed that by day 84, SOC levels in the MMT-algae groups (≥1.4 g dm⁻²) were more than 3.45 times higher than in the algae-only group, with 1.4 g dm⁻² identified as the optimal MMT dosage. Additionally, MMT significantly promoted microbial growth and enhanced SOC stability, with microbial proliferation identified as the primary mechanism driving SOC accumulation. Moreover, MMT favored the proliferation of photosynthetically active microorganisms. These findings suggest that MMT can act as an accelerator of the microbial carbon pump in artificial biocrust development, offering a viable approach and solid theoretical foundation for the rapid restoration of desertified landscapes. Chapter V: Biocrusts serve as the primary reservoirs of organic carbon in desert environments, with inorganic clays potentially playing a crucial role in this process. However, the specific mechanisms underlying their influence remain largely unexplored. This study investigated the effects of two typical clay minerals, e.g., kaolin (1:1 type) and montmorillonite (2:1 type), on SOC accumulation in artificial biocrusts. After 84 days of cultivation, both kaolin and MMT significantly enhanced SOC levels, increasing them by 5.03-fold and 4.08-fold, respectively, compared to the Algae group (without added clay). Notably, the two clay types exhibited distinct advantages in SOC accumulation. Due to its larger external specific surface area and higher cation exchange capacity, MMT played a greater role in SOC stabilization. In the MMT group, the mineralization quotient (qM), hot-water extractable organic carbon (HWEOC), and molecular structural stability of SOC were 0.3, 0.34, and 1.31 times those of the Algae group, respectively, indicating improved SOC stability. In contrast, kaolin promoted microbial growth and SOC formation more effectively, likely due to its higher dissolved organic carbon (DOC) content. Microbial biomass carbon (MBC), Chl-a, photosynthetic performance index (PIABS), and Shannon diversity index in the kaolin group were 5.67, 2.44, 11.95, and 1.82 times higher than those in the Algae group, respectively. These findings highlight the synergistic role of clay minerals and cyanobacteria in SOC accumulation within artificial biocrust systems, clarify the distinct contributions of kaolin and MMT, and provide new insights for accelerating the rehabilitation of nutrient-poor desert landscapes. The above results indicate that ST-SAP significantly enhances the water retention capacity of saline–alkali soil. Natural biocrusts and clay-based artificial biocrusts notably promote carbon sequestration in phosphogypsum stockpiles and desert soils, respectively. This study provides effective strategies and theoretical foundations for improving water retention and carbon sequestration in nutrient-poor soils.