Quality assessment of irrigation water related to soil salinization in Tierra Nueva, San Luis Potosí, Mexico

Abstract

"Soil salinization is a complex process resulting from the interaction of several factors, mainly quality of water used for irrigation, which deteriorates by aquifer overexploitation, and changes in rainfall patterns and aquifer recharge related to climate change. The purpose of this paper is to present a method to assess the variations of groundwater quality, to compare its suitability for irrigation and to decipher the possible causes of soil salinity in Tierra Nueva, San Luis Potos, Mexico. To assess salinization related to irrigation water quality, dissolved anions and cations were measured in surface and groundwater samples; the most widely used water quality indices to evaluate potential salinity risk of soils are Residual Sodium Carbonate (RSC) and Sodium Adsorption Ratio (SAR). In view of the limited number and uncertainty of using only two indices, in the present work a novel water quality assessment was applied for the first time by statistically combining eight individual quality indices: (RSC), (SAR), percentage of sodium (% Na), Kelley ratio (KR), permeability index (PI), soluble sodium percentage (SSP), magnesium adsorption ratio (MAR) and cation ratio of structural stability (CROSS). A factorial variance analysis and principal component analysis of these eight indices were performed to identify linearity and maximum variance. All irrigation water tests show dissolved ions that can easily precipitate as indicated by PI. In cropland, % Na, SSP, RSC, KR and PI had values unsuitable for irrigation, while RAS, CROSS and MAR values are within suitable levels. The main mechanism of soil salinization seems to be the cation exchange of Ca2+ to Na+ in the waters, along with the precipitation of natrite (Na2CO3) promoted by shallow groundwater and semi-desert conditions of the region. The population growth in the region has caused further demand of clean water for human consumption, affecting the water availability from the aquifer of the study zone, worsened by drought associated to climate change."

"La salinización de los suelos agrícolas es un proceso complejo y el resultado de las interacciones de varios factores, principalmente la calidad del agua utilizada para riego, la cual se deteriora por factores como la sobreexplotación de los acuíferos y las modificaciones en la precipitación y la recarga debido al cambio climático. El propósito de esta investigación es presentar un método de evaluación que resalte las variaciones de la calidad del agua subterránea, para comparar su idoneidad para el riego y descifrar las posibles causas de la salinización del suelo en Tierra Nueva, San Luis Potosí, México. Para evaluar la salinización a partir de la calidad de agua de riego, se midieron los aniones y cationes disueltos en aguas superficiales y subterráneas. Los índices de calidad de agua más utilizados para evaluar el riesgo de salinización de suelos son el carbonato de sodio residual (CSR) y la relación de adsorción de sodio (RAS). Viendo el número limitado de índices y la incertidumbre que representa el uso de solo éstos dos, en el presente trabajo una nueva forma de evaluar la calidad del agua se presenta por primera vez, combinándola con un análisis estadístico de ocho índices individuales de calidad de agua: CSR, RAS, porcentaje de sodio (% de Na), la relación de Kelley (KR), el índice de permeabilidad (PI), el porcentaje de sodio soluble (PSS), relación de adsorción de magnesio (RAM) y la relación de cationes de la estabilidad estructural (CROSS). Se realizó un análisis de varianza factorial y el análisis de componentes principales de los ocho índices para identificar la linealidad y la varianza máxima. Todas las muestras de agua de riego contienen iones disueltos que pueden precipitar fácilmente como indica el PI. En las zonas de cultivo, los índices que revelaron que el agua no es adecuada para su uso en el riego fueron: % Na, PSS, CSR, KR y PI. El principal mecanismo de salinización del suelo parece ser el intercambio catiónico entre Ca2+ y Na+ en las aguas, junto con la presencia de aguas subterráneas poco profundas y condiciones semidesérticas de la región que promueven la precipitación del mineral natrita (Na2CO3). En la región, la población va en aumento, lo que ha ocasionado una mayor demanda de agua limpia para el consumo humano, repercutiendo directamente en la disponibilidad de agua del acuífero de la zona de estudio, lo cual se ha agravado por la sequía asociada al cambio climático."