Bioavailability of iron in calcareous soils: microbial reduction and nanofertilizer application

Abstract

La clorosis férrica es uno de los mayores problemas nutricionales de las plantas cultivadas en suelos calcáreos, que abundan en las regiones de clima árido y semiárido del mundo. El pH básico de estos suelos determina que, aunque su contenido total en hierro (Fe) pueda ser moderadamente elevado, dicho elemento se encuentre en formas poco disponibles para la planta. En España y otros países del área mediterránea, la clorosis férrica afecta a cultivos de gran importancia económica como el olivo, la vid y los cítricos. El primer objetivo general de la tesis era conocer en qué medida la saturación temporal del suelo, con la consiguiente aparición de condiciones reductoras, y su posterior aireación afectan a las formas del hierro y su biodisponibilidad. Para ello se hicieron experimentos de laboratorio y de maceta en un grupo de 24 suelos calcáreos inductores de clorosis férrica del sur de España. La incubación de suspensiones de suelo en condiciones anaerobias durante siete semanas mostró que la población microbiana nativa de estos suelos era capaz de reducir el Fe(III) presente en óxidos de distinta cristalinidad. La movilización del Fe se vio afectada por el carbono orgánico disuelto y por la concentración total de óxidos. La incubación, aireación y secado de las muestras dio como resultado un aumento de la solubilidad de las formas de hierro, rebasándose en muchos casos los niveles críticos de los habituales ensayos de biodisponibilidad del hierro. Experimentos de maceta con cultivos sucesivos de cacahuete y garbanzo corroboraron que la saturación temporal del suelo era eficaz para reducir la incidencia de la clorosis férrica, aunque una segunda saturación no tuvo efectos en la solubilidad del hierro. Como segundo objetivo general se planteó el desarrollo de fertilizantes alternativos para la corrección de la clorosis férrica. En base a consideraciones teóricas y estudios previos, se seleccionó la siderita (carbonato ferroso) para su estudio en profundidad. La siderita fue fácilmente sintetizada en el laboratorio en forma de partículas nanométricas de alta reactividad. Experimentos en maceta con plantas herbáceas (garbanzo, cacahuete y fresa) y de campo con olivo demostraron que la inyección en el suelo de suspensiones de siderita es eficaz para prevenir y corregir la clorosis férrica durante períodos prolongados. Esta eficacia se atribuye a su rápida oxidación a óxidos de hierro de baja cristalinidad. Las características cristalinas, facilidad de preparación y reacciones de la siderita en el suelo la hacen, además, ambiental y económicamente atractiva para corregir la clorosis férrica.

Iron (Fe) chlorosis is a major nutritional problem in plants grown in calcareous soils, which abound in arid and semiarid regions of the world. The alkaline pH of these soils reduces the availability of iron to plants, even if the total iron content of the soil is high. In Spain and other Mediterranean countries, iron chlorosis has a considerably adverse impact on economically significant crops including olives, grapes and citrus fruits. The first general objective of this doctoral work was to determine to what extent seasonal soil saturation, which promotes reducing conditions, and subsequent aeration affect iron forms and their bioavailability. To this end, laboratory and pot experiments were carried out on a group of 24 iron chlorosis-inducing calcareous soils from southern Spain. Incubating soil suspensions under anaerobic conditions for 7 weeks showed the native microbial population of the soils to efficiently reduce Fe(III) in oxides of variable crystallinity. Iron mobilization was affected by dissolved organic carbon and the total concentration of oxides. Incubation, aeration and drying of the samples increased the solubility of iron to levels often exceeding the critical values of tests commonly used to assess bioavailable iron. Pot experiments with successive peanut and chickpea crops confirmed that temporary soil saturation was effective in reducing the incidence of iron chlorosis, but also that further saturation had no effect on the solubility of iron. The second general objective of this work was to develop alternative fertilizers for correcting iron chlorosis. Based on theoretical considerations and previous studies, siderite [Fe(II) carbonate] was selected for in-depth study. Siderite was easily synthesized in the laboratory in the form of highly reactive nanoparticles. Pot experiments with herbaceous plants (chickpea, peanut and strawberry) and field experiments in olive orchards showed injection of siderite suspensions into the soil to effectively prevent and correct iron chlorosis over long periods. The efficiency of siderite is ascribed to its fast oxidation to poorly crystalline iron oxides. The crystal properties, ease of preparation and reactions of siderite in soil make it an environmentally and economically attractive choice for alleviating iron chlorosis.