Influence of Mineralized Water Sources on the Properties of Calcisol and Yield of Wheat

*
Correspondence: [e-mail] or [e-mail]
Abstract:
The use of conservation agriculture (SWC—soil and water conservation) technologies is
now becoming more and more necessary. For the soils in arid ecosystems, the problem of irrigation
deficiencies has always been relevant, and clean fresh water is always insufficient to irrigate these
agricultural lands. This paper provides a brief historical overview of the use of mineralized water
sources in agriculture and their impacts on soils and plants (Triticum aestivum L.). The experiment
involving wheat cultivation in saline soils irrigated with mineralized water was set for 3 years. The
main chemical and physical–chemical properties of the agro-transformed solonchaks and mineralized
water sources were investigated. According to the contents of mobile forms of N, P, and K, the soils
were poorly supplied; after a series of irrigation phases, they remained the same. There were signs of
the growth of mobile phosphorus in the variants where mineralized water sources were applied. Our
results showed that under conditions of irrigation with water sources with mineralization rates of up
to 2.8–3.5 g/L, the wheat yield increased by 1.5 c/ha compared to the control. The use of mineralized
water for irrigation purposes will reduce the use of clean river water.
Keywords:
melioration; irrigation; soil fertility; agrosoils; calcisols; Uzbekistan
1. Introduction
Today, around the world, 50% of the drinking water and 43% of the irrigated water
originates from soil and groundwater. About 20% of the total agricultural land areas are
irrigated [
1
]. In the last 50 years, the area under crops around the world has grown by
12%, and annually about 300 km
3
of collector–drainage water is formed around the world,
including in the NIS countries (90 km
3
) and the USA (30 km
3
). As a result of the global
growth in production in some regions and the growing degradation of land and water
resources, the ecological state of soils and water reserves is deteriorating. Recently, it was
shown that the use of integrated SWC for 5 years increased grain yields by 72.8% over the
control [
1
].
For this reason, it is necessary to determine the impact of SWC on agricultural soil
fertility and its chemical and geochemical properties under the conditions of irrigation with
mineralized water. Irrigation with mineralized water may help to increase grain yields
and to use land and water resources more sustainably. Around the globe, the need for
water is constantly growing due to the growth and development of national economies. As
well as the increasing grain yields and the efficient use of land and water resources, at the
same time the use of mineralized water on the spot combined with education is of great
theoretical and practical importance. Mineralized water represents a huge source of water
for irrigation, especially in the semi-arid and arid regions of Eurasia. These water sources
could be of various origins, including natural and secondary sources. Natural water sources
Plants 2022, 11, 3291. https://doi.org/10.3390/plants11233291
https://www.mdpi.com/journal/plants

---

Plants 2022, 11, 3291
2 of 19
are mineralized due to salt accumulation in the rivers from adjacent landscapes. Secondary
water sources circulate in irrigated landscapes and come into contact with salinized soils
several times.
Numerous scientists have studied soil transformation and the dynamics of crop yields
both in the NIS countries and around the whole world [
2
,
3
]. In 1903, Means, having studied
irrigation in North Africa, concluded that when using drainage, highly mineralized water
sources can be successfully used, but in non-drainage conditions, when irrigated with even
slightly mineralized water sources, the soil can be removed from agricultural circulation.
When irrigated with mineralized water sources, Arab peasants received high yields of
palm fruits and horticultural crops. The mineralization rate in this case was 8 g/L, and the
amount of sodium chloride reached 50% of the total salts. On light, well-permeable soils,
they applied water at concentrations of up to 10 g/L. In California, beginning in 1910, an
orange orchard was watered with highly mineralized water. The soil and subsoil from this
garden were light and permeable, with the groundwater level being deeper than 45 m from
the ground. At a depth of 12 m, the conditional concentration of the soil solution at the
full-field moisture capacity of the soil was 3 times lower than the concentration of water
used for irrigation, and for 30 years the garden developed normally and bore fruit [
3
]. Kelly
recommends using water with a chlorine content range of no more than 0.15–0.20 g/L for
light California soils. The plant height is a genetic characteristic of a variety, but its potential
can be achieved via adequate crop management [
4
].
According to Legostaev in 1932, irrigating wheat in the conditions of the Volga region
with water sources with a mineralization range of 3.65–4.57 g/L, including chlorine over a
range of 1.17–1.48 g/L, resulted in intense soil salinization [
5
]. It should be noted that theo-
retically, with the intensive leaching of salts from the weakly gypsum-bearing solonchaks
of Central Asia, the temporary solonetzization of soils may occur. Antipov-Karataev [
6
],
studying the physicochemical properties of soils depending on the composition and ratio
of exchangeable cations, noted that the replacement of Ca or Mg separately or Ca and Mg
simultaneously in the soil-absorbing complex with sodium is accompanied by an increase
in soil dispersion. For example, the partial replacement of adsorbed calcium with mag-
nesium increases the dispersion over a content range of 25–50% magnesium due to the
exchange capacity, which can be caused by the addition of 5% exchangeable sodium. In
this regard, the focus shifts to the mandatory accounting of irrigation water, together with
other components of the Na cations, bearing in mind that it enters, depending on a number
of factors, into the soil-absorbing complex and imparts unfavorable properties to the soil.
Kovda points out that in the salt regime of soils, irrigation water sources, which contain
salts, are of great importance [
7
]. This is why in addition to the amount of irrigation water,
it is also necessary to take into account its mineralization. He gives examples where in the
Fergana Valley and the Hungry Steppe, as in many irrigated areas of southern Ukraine,
water sources containing salts in the range of 4–6 g/L were used. The fate of the salts with
such an input develops in different ways, depending on the hydrogeology, geomorphology,
and drainage of the territory. Novikoff reports that in Tunisia and Iraq, farmers have
been irrigating the land with mineralized water sources with dense residue rates of up to
5 g/L for centuries [
8
]. Kostyakov states that the allowable salt content range for plants
in irrigation water is from 0.10 to 0.15%, with the salt concentrations corresponding to
1000 kg/1000 m
3
of water [
9
]. He believes that the harmful effect of the salts depends
on the nature of the soil. In well-permeable soils, the salt contents are to be allowed no
higher than Na
2
CO
3
> 0.1%, NaCI > 0.2%, and Na
2
SO
4
> 0.5%, and even less for the sum of
salts. If the water contains a lot of gypsum then it is harmless. If the composition contains
Na
2
CO
3
> 0.1%, then such water is unsuitable, while if it contains NaCl and Na
2
SO
4
, it is
suitable only for light soils. He notes that the irrigation water may have a low concentration
of salts, but with a large amount of ions that are harmful to plants. Such water is completely
unsuitable for irrigation.

---

Plants 2022, 11, 3291
3 of 19
Kovda provided the US classification, which indicates the main properties of the water
that determine its irrigation qualities. This classification takes into account the following:
1.
The total concentration of soluble salts;
2.
The Na concentration and the ratio of Na to the sum of Ca and Mg;
3.
The amount of bicarbonates;
4.
The concentrations of boron and other substances in toxic amounts [
10
].
At present, it is well known that if the Na ions predominate in the irrigation water,
the latter will tend to displace Ca and Mg from the absorbing complex. To speed up the
melioration of solonetzes, gypsum should be added to the irrigation water if this water
does not contain easily soluble calcium salts. The Moroccan Agronomic Laboratory in
Casablanca gives the following scale for assessing mineralized water sources in terms of
the chloride content expressed in terms of NaCl:
–
0.5 g/L—suitable for the irrigation of any crop;
–
0.5–1 g/L—suitable for the irrigation of most crops;
–
1–1.5 g/L—suitable for irrigation, except for slightly salt-tolerant crops;
–
1.5–2 g/L—suitable for the irrigation of most crops, with the exception of low salt
tolerance crops, with appropriate agricultural technology and soil drainage;
–
2–3 g/L—suitable for the irrigation of some crops, subject to appropriate precau-
tionary rules;
–
3–4 g/L—practically unsuitable for irrigation;
–
4.0 g/L—unsuitable for irrigation.
It is noted that the richer the soils with organic matter and gypsum, the greater the
permissible mineralization of the irrigation water. The indicated scale unfortunately does
not take into account the soil conditions or the composition of salts in the soil profile (except
for NaCl). Irrigation with mineralized water can lead to adverse effects at the expense of
other salts. After all, water contains not only NaCl.
Despite the indicated changes in soils under the influence of irrigation with mineral-
ized water sources and the irrigation regime, as well as the agrochemical and biogeochemi-
cal characteristics of the irrigated soils, this problem has been given great attention by a
number of scientists [
11
,
12
].
The irrigation of agricultural plants, regardless of the type of soil, largely depends
on the mineralization and chemical composition of the irrigation water. Irrigation with
groundwater and the construction of vertical drainage areas for land reclamation have
become widespread practices in many countries around the world. In India more than
5 million ha and in China more than 2.5 million ha are irrigated with groundwater, which
is mineralized to one degree or another.
Speaking about the possibility of using collector–drainage mineralized water for
irrigation, we can say that this leads not only to the expansion of irrigated areas, but at
the same time partially solves the problem of the radical reclamation of large areas of
saline land.
Bespalov conducted a series of experiments on the practical use of mineralized water
sources in gray soils and meadow soils, and gave the following recommendations. In
gypsum soils, mineralized groundwater does not create conditions for the formation of
a solonetz process, even if the mineral present in these water sources is chloride. In soils
not containing gypsum that are mineralized with chloride or sodium sulfate, the water
can be used for irrigation only if the mineralization rate does not exceed 0.25 g/L. The
authors found that using mineralized water with concentrations of up to 6 g/L on light,
well-permeable soils with increased irrigation rates did not reduce the yield of raw cotton.
On the soils of the Chardjou and Khorezm experimental stations, when using water with
a dense residue range of 5–7 g/L, a significant decrease in the yield of raw cotton was
observed [
13
].

---

Plants 2022, 11, 3291
4 of 19
The ratio of anions and cations in irrigation water can have different effects on plants
under different hydrogeological and natural conditions. When irrigating plants with
collector–drainage water, it is necessary to ensure that the concentration of the soil solution
is not higher than the limits at which the plants are able to develop normally. It is necessary
to create other conditions to obtain a high cotton yield.
Antipov-Karataev revealed that under the influence of the alkalinity of the medium,
the absorption capacity of the soil increases as a result of the inclusion of ionogenic groups
(similar to polyfunctional ones) in the reaction, which in turn leads to the additional
absorption of sodium [
6
].
It was shown that saline water reduced the grain yield ratios by 8.5%, 11.0%, and 9.7%
compared to non-saline water during the 2019/2020 and 2020/2021 seasons and over both
seasons, respectively, in the soils of the Experimental Farm of Shandaweel Agricultural
Research Station, Agricultural Research Center (ARC), Sohag, Egypt [
10
].
Therefore, against a background of soda solutions, soil alkalinity very quickly occurs,
even with low degrees of mineralization in the irrigation water. An approximate calculation
of the permissible critical amount of exchangeable Na can be carried out according to the
content of soda in water, assuming that approximately 50% of its sodium will be absorbed
by the soil in the first years of irrigation with such water. Improving the quality of such
water should be carried out by adding calcium salts to it or by adding gypsum to the soil
surface in advance, i.e., before water is supplied, which is very important for neutralizing
the soda.
It should be noted that the Ferghana Valley, like some other regions of Uzbekistan,
experiences acute shortages of irrigation water, especially in dry years. The total water
supply range in the Fergana region is 60–70%, meaning collector–drainage artesian water
sources are increasingly being used, which makes it possible to partially improve the
water supply. Bespalov, summing up the research work on the pressure advice system,
cited that in the Khorezm and Fergana regions, the irrigation of crops with groundwater
should be alternated with irrigation with river water [
13
]. When using highly mineralized
water sources for vegetative irrigation, the possibility of soil salinization increases; it is
recommended that water with a mineralization range of 3–4 g/L be used for the irrigation
of agricultural crops. Kiseleva found that the irrigation of cotton with mineralized water
in the Hungry Steppe reduced the yield [
14
,
15
]. Moreover, the crop residues that were
returned into the soil during conventional tillage resulted in a lower soil bulk density range
in the deep soil layers (20–60 cm) [
16
].
Scientists from the Kuban region conducting drip irrigation experiments using saline
collector–drainage water sources have achieved essential progress in this area [
17
]. Kruger
watered cotton in vessels with artificially created water sources with the following compo-
sitions: 1—NaCl = 0.58 g/L; 2—NaCl = 1.46 g/L; 3—NaCl = 2.92 g/L. The authors found
that in typical gray soil, which was non-saline and devoid of gypsum, the growth and
development of the cotton depended mainly on the content of NaCl in the irrigation water.
With an increase in NaCl in the water, the yield decreased, which was associated with an
increase in salinity [
18
].
Vladychensky notes that water sources with salinity above 5 g/L are unacceptable for
irrigation. Vladychensky also noted, in the case of a solid residue content range in water of
1–5 g/L, the chemical composition of the salts, the nature of the soil, and the salt tolerance
of the plants should be taken into account. The author gave a series of toxicity (Table
1
)
ranges for sodium salts, taking the toxicity of Na
2
SO
4
as the measurement unit [
17
].