Auswirkungen von Phosphor

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 7268 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Phosphormangel (P) in landwirtschaftlich genutzten Böden ist ein weltweites Problem. Die P-Modifikation von Pflanzenkohle, einem üblichen Bodenverbesserer, der durch Pyrolyse von Abfällen und Rückständen hergestellt wird, kann die P-Verfügbarkeit erhöhen und die Bodenqualität verbessern. Ziel dieser Studie ist es, die Auswirkungen von P-modifizierter Pflanzenkohle als Bodenverbesserungsmittel auf das Wachstum und die Qualität einer Heilpflanze (Pseudostellaria heterophylla) zu untersuchen. P. heterophylla wurden 4 Monate lang in lateritischem Boden gezüchtet, der mit P-modifizierter und unmodifizierter Pflanzenkohle (Erdnussschale) in Dosierungen von 0, 3 % und 5 % (Massenprozent) angereichert war. Im Vergleich zu unmodifizierter Pflanzenkohle reduzierte P-modifizierte Pflanzenkohle das verfügbare Schwermetall Cd im Boden um bis zu 73,0 % und die osmotische Ansaugung im Wurzelbereich um bis zu 49,3 %. Die Anwendung von P-modifizierter Pflanzenkohle in einer Menge von 3 % und 5 % steigerte den Knollenertrag von P. heterophylla deutlich um 68,6 % bzw. 136,0 %. Dies unterschied sich von der Behandlung mit unmodifizierter Pflanzenkohle, bei der der Knollenertrag bei einer Dosierung von 3 % stimuliert, bei einer Dosierung von 5 % jedoch gehemmt wurde. Die Konzentrationen der Wirkstoffe (z. B. Polysaccharide, Saponine) in der Knolle waren unter der P-modifizierten Biokohle-Ergänzung im Vergleich zur Kontrolle um 2,9–78,8 % erhöht, was auf die bessere Knollenqualität hinweist. Diese Studie empfahl den Einsatz von 5 % P-modifizierter Pflanzenkohle zur Steigerung des Ertrags und der Qualität von P. heterophylla.

Phosphor (P) ist ein wesentliches Element für das Pflanzenwachstum und die Produktivität, da es bei vielen grundlegenden Stoffwechselvorgängen, einschließlich Photosynthese und Atmung, eine wichtige Rolle spielt. Der fixierte P in Böden liegt in Form von Aluminium-/Eisen- oder Calcium-/Magnesiumphosphaten vor, die im Allgemeinen nicht für die Pflanzenaufnahme verfügbar sind1. Verfügbarer P ist in 30–40 % der Ackerböden weltweit2 knapp. Die direkte Anwendung von P-Düngemitteln kann aufgrund der Bildung von Niederschlägen und der Adsorption an Bodenpartikeln zu einer geringen P-Nutzungseffizienz führen2. Darüber hinaus könnte der Einsatz hoher P-Düngemittel zu einem höheren Risiko von P-Verlusten durch Bodenauswaschung, Abfluss und Erosion führen, was möglicherweise zu Umweltproblemen wie der Eutrophierung von Gewässern führen könnte3. Daher muss untersucht werden, wie der P-Verlust reduziert und die P-Nutzungseffizienz im Boden verbessert werden kann.

Es ist ein möglicher Ansatz, einige organische Bodenverbesserungsmittel wie Pflanzenkohle zu verwenden, um die P-Retention im Boden zu verbessern und so den P-Verlust zu reduzieren. Pflanzenkohle ist ein kohlenstoffreiches Material, das bei der Pyrolyse von Biomasseabfällen bei hoher Temperatur und begrenzter Sauerstoffzufuhr entsteht. Aufgrund seiner Kosteneffizienz und Umweltfreundlichkeit hat es große Aufmerksamkeit erhalten. Pflanzenkohle kann die Bodenfruchtbarkeit aufgrund des hohen Gehalts an enthaltenen Nährstoffen verbessern4. In der Zwischenzeit könnte Pflanzenkohle die Wasserhaltekapazität verbessern und die potenziell toxischen Metalle durch eine große spezifische Oberfläche, größere Mikroporen und sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen immobilisieren3. Dadurch können das Pflanzenwachstum und die Ernteproduktivität gesteigert werden. Die Rohstoffe der Pflanzenkohle waren hauptsächlich Rückstände und Abfälle in der Landwirtschaft oder Industrie5. Beispielsweise führten große Erdnusserträge in China zu einer hohen Produktion von Pflanzenkohle aus Erdnussschalen zur Wiederverwendung von Ressourcen6. Eine Einschränkung bei der Anwendung von Erdnussschalen-Biokohle besteht jedoch darin, dass der Gesamt-P-Gehalt im Allgemeinen sehr niedrig ist (< 1 %)2. Dies kann zu einem unausgewogenen Nährstoffgehalt führen und die Samenkeimung und das Pflanzenwachstum hemmen7. Daher ist es notwendig, die P-Verfügbarkeit in Pflanzenkohle zu verbessern.

Kürzlich wurde festgestellt, dass die Modifizierung von Pflanzenkohle mit P die Effizienz der P-Nutzung und die Adsorptionsleistung effizient verbessert3. Basierend auf den vorherigen Studien wurde P-modifizierte Pflanzenkohle nach zwei Hauptmethoden hergestellt. Eine Möglichkeit bestand darin, das Ausgangsmaterial in die Lösung von H3PO4 oder K3PO4 zu imprägnieren und es dann bei einer bestimmten Temperatur und Dauer zu pyrolysieren3,8. Eine andere Möglichkeit bestand darin, die reine Pflanzenkohle mit der Lösung von Ca(H2PO4)2∙H2O oder KH2PO4 zu mischen, um sie mit P9,10,11 zu beladen. Anschließend wurden die physikalisch-chemischen Eigenschaften und Mikrostrukturen der P-modifizierten Pflanzenkohle gemessen, um die Modifikation zu bewerten. Nach der Modifikation wurden auf der Biokohleoberfläche weitere funktionelle Gruppen wie P-O- und P-C-Gruppen erzeugt, was auf eine mit P3 beladene Biokohle hinweist. Eine erhöhte Porosität in P-modifizierter Pflanzenkohle trug zu einer höheren Fähigkeit bei, P zu besitzen, wenn sie oxidiert und in Phosphatlösung eingetaucht wurde. Folglich würde beim Mischen von P-modifizierter Pflanzenkohle mit dem Boden verfügbares P in der Pflanzenkohle freigesetzt werden, was langfristig zu einer höheren P-Konzentration im Boden führen würde12. Zhang et al.3 zeigten, dass P-modifizierte Pflanzenkohle eine höhere Effizienz bei der Immobilisierung von Cu und Cd im Boden hatte. Dies wurde auf die erhöhte Adsorptionsfähigkeit mit höherer Kationenaustauschkapazität (CEC) und spezifischer Oberfläche nach der Modifikation zurückgeführt. Lyu et al.13 und Tan et al.11 wiesen auf die verringerte Auslaugungsrate von Uran (U) bei der Sanierung durch P-modifizierte Pflanzenkohle hin. Die bisherigen Studien konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf den Einfluss von P-modifizierter Pflanzenkohle als Bodenverbesserer auf die Sanierung kontaminierter Böden durch Veränderung physikalischer und chemischer Eigenschaften3,11,13. Die Auswirkungen von P-modifizierter Pflanzenkohle auf das Wachstum und die Qualität von Heilpflanzen wurden nicht untersucht.

Heilpflanzen verfügen über zahlreiche Inhaltsstoffe (z. B. Terpenoide und Polysaccharide), die die Entwicklung medizinischer Therapien, des Handels, menschlicher Kulturen und der grünen Ökologie vorantreiben können. Pseudostellaria heterophylla (P. heterophylla) gehört zur Familie der Caryophyllaceae und ist eine der am häufigsten verwendeten traditionellen chinesischen Heilpflanzen. Sein Heilorgan (die Wurzelknolle) enthält verschiedene Inhaltsstoffe, darunter Saponine, Polysaccharide und Aminosäuren. Diese Inhaltsstoffe haben mehrere medizinische Funktionen, wie z. B. die Stärkung der Milz, die Wiederauffüllung des Qi und die Befeuchtung der Lunge14,15. P. heterophylla wird außerdem als eines der repräsentativen chinesischen Arzneimittel zur Vorbeugung und Behandlung der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) ausgewählt16. Allerdings nehmen die Biomasse und die Qualität seines Heilorgans (Wurzelknolle) aufgrund der Bodenkrankheit nach der Neupflanzung stark ab17. Außerdem wird P. heterophylla häufig in subtropischen Gebieten wie der Provinz Guizhou in China gepflanzt, wo kultivierte Böden stark mit Schwermetallen (z. B. Cd) kontaminiert sind. Diese Schwermetalle stammen aus natürlichen geologischen Prozessen und anthropogenen Aktivitäten und gefährden die Qualität von Heilpflanzen und die öffentliche Gesundheit18. Es ist wichtig, das Wachstum und die Qualität von P. heterophylla zu fördern, indem die Gesundheit und Qualität des Bodens durch Bodensanierung verbessert wird.

Ziel dieser Studie ist es daher, die Auswirkungen der Behandlung mit P-modifizierter Pflanzenkohle auf das Wachstum und die Qualität einer beliebten Heilpflanze, P. heterophylla, zu untersuchen. Blattfläche, Sprosshöhe, Wurzeleigenschaften und Biomasse des Heilorgans (Wurzelknolle) wurden gemessen, um das Wachstum von P. heterophylla zu bewerten. Außerdem wurden die Konzentrationen der Wirkstoffe (Polysaccharide und Saponine) in medizinischen Organen bestimmt. Dies ist die erste Studie, die den Ertrag und die Qualität einer Heilpflanze (insbesondere ihres Heilorgans) unter P-modifizierter Pflanzenkohlebehandlung mit unterschiedlichen Dosierungen aufzeigt. Die Ergebnisse haben praktische Auswirkungen auf die Anleitung zur großflächigen Bepflanzung.

Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse des Rasterelektronenmikroskops (REM) von unmodifizierter und P-modifizierter Pflanzenkohle. Ihre poröse Struktur konnte deutlich beobachtet werden. Die Anzahl der Poren nahm nach der Modifikation der Pflanzenkohle deutlich zu, was auf ein verbessertes Mikroporensystem und eine größere spezifische Oberfläche hinweist. Neben der Mikroporenstruktur wurden durch die Biokohle-Modifikation auch die chemische Zusammensetzung und die funktionellen Gruppen verändert. Die Ergebnisse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) in Tabelle S2 und deren Entfaltungen von P 2p usw. in Abb. S1 analysierten die chemischen Zusammensetzungen von unmodifizierter und P-modifizierter Pflanzenkohle. Die Konzentrationen einiger Nährstoffelemente stiegen in der Pflanzenkohle nach der P-Modifikation von < 1 auf 4,13 % (Massenkonzentration) für P und um 60,1 % für K. Im Vergleich zur unmodifizierten Pflanzenkohle stieg die Masse einiger anderer Elemente wie Na , Al, Cl wurden in P-modifizierter Pflanzenkohle um 31,5–65,3 % reduziert. Gemäß Abb. S1 war die Spitzenenergie von N 1s bei 407,2–407,5 eV für P-modifizierte Pflanzenkohle niedriger. Dies verdeutlichte, dass der Gehalt an NO3− verringert war19,20. Während der Modifikation wurde durch teilweises Ersetzen von NO3− PO43− mit einer Bindungsenergie von 133 eV in P 2p3,21 auf der Biokohleoberfläche gebildet. Dies stimmte mit dem Peak bei 531,0 eV im O 1s-Spektrum für P-modifizierte Pflanzenkohle überein, der den Sauerstoffatomen der PO43−-Gruppe22 entsprach. Darüber hinaus zeigt Abb. S2, dass die Peaks (z. B. 3420, 1030–1090, 500–600 cm−1) für die P-modifizierte Pflanzenkohle im Vergleich zum Spektrum für unmodifizierte Pflanzenkohle verstärkt waren. Dies deutet darauf hin, dass während der Biokohle-Modifikation mehr Hydroxy und PO43− produziert wurden3,23. Dieses Ergebnis stimmte mit Zhang et al.3 überein, dass P-modifizierte Pflanzenkohle mehr sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen wie Hydroxy- und P-O-Gruppen besaß. Der Anstieg der sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen in modifizierter Pflanzenkohle wurde auf die Oxidation der karbonisierten Pflanzenkohleoberfläche unter H2O2-Behandlung zurückgeführt24. Die P-Imprägnierung mit einer K3PO4-Lösung führte nach der Modifizierung zur PO43-beladenen Pflanzenkohle. Ein erhöhter Hydroxygehalt in der modifizierten Pflanzenkohleoberfläche könnte die Wasserrückhaltekapazität des Bodens verbessern und Bodenverunreinigungen immobilisieren3. PO43− könnte die P-Versorgung des Bodens verbessern. Daher hatte P-modifizierte Pflanzenkohle im Vergleich zu unmodifizierter Pflanzenkohle größere Vorteile bei der Förderung des Pflanzenwachstums.

Rasterelektronenmikroskop (REM) für (a) unmodifiziert; (b) P-modifizierte Pflanzenkohle.

Der pH-Wert des Bodens und die Nährstoffe (z. B. K, P, N) mit signifikanten Änderungen nach der Änderung der Pflanzenkohle sind in Tabelle 1 aufgeführt. Unmodifizierte Pflanzenkohle mit 3 % und 5 % könnte den pH-Wert des Bodens von 4,45 auf 4,79 bzw. 4,93 erhöhen. P-modifizierte Pflanzenkohle erhöhte den pH-Wert von 4,45 auf 5,11–5,33, was über der Mindestgrenze für das Wachstum von P. heterophylla lag25,26. Das im Boden verfügbare K erhöhte sich signifikant mit der Erhöhung der Biokohledosis von 0 auf 5 % (p < 0,05), unabhängig von der unmodifizierten und modifizierten Biokohle. Bei einer Anwendungsdosis von Pflanzenkohle von 3–5 % erhöhte sich das verfügbare K im Boden unter der Behandlung mit P-modifizierter Pflanzenkohle um 118,3–142,0 % im Vergleich zu der Behandlung mit unmodifizierter Pflanzenkohle. Nach einer halbmonatigen Inkubation des mit Pflanzenkohle behandelten Bodens war die Konzentration des im Boden verfügbaren P in der Kontrollgruppe (0,87 mg/kg) und der mit unmodifizierter Pflanzenkohle behandelten Gruppe (0,69–1,15 mg/kg) relativ niedrig. Sie alle befanden sich auf der Grundlage der Specification of Land Quality Geochemical Evaluation (DZ/T 0295—2016)27 auf einem extrem knappen Niveau. Wenn der Boden jedoch mit P-modifizierter Pflanzenkohle behandelt wurde, stieg der im Boden verfügbare P auf 8,02 (knappes Niveau) und 23,91 mg/kg (reichliches Niveau) bei 3 % bzw. 5 % Pflanzenkohle-Dosierung.

Darüber hinaus stieg die Konzentration von N (hauptsächlich NH4+ und NO3−), S (SO42−) und Cl (Cl−) bei der Anwendung von Pflanzenkohle aufgrund der direkten Freisetzung von Pflanzenkohle in die Bodenwasserlösung erheblich an28,29. Im Vergleich zu den Böden unter unmodifizierter Pflanzenkohle-Anreicherung wurden die Konzentrationen von N und Cl in Böden, die mit P-modifizierter Pflanzenkohle bei gleicher Dosierung angereichert wurden, um 6,2–8,4 % bzw. 25,4–49,9 % reduziert. Im Gegensatz dazu war die Konzentration des pflanzenverfügbaren Schwefels (d. h. SO42−) unter modifizierter Pflanzenkohle-Ergänzung erhöht. Daher war P-modifizierte Pflanzenkohle mit einem höheren Nährstoffgehalt (dh K, P, S) und einer niedrigeren Cl−-Konzentration im Vergleich zu unmodifizierter Pflanzenkohle besser für das Wachstum von Heilpflanzen geeignet.

Abbildung 2a zeigt die Konzentrationen des verfügbaren Cd im Boden bei verschiedenen Behandlungen. In der Kontrollgruppe ohne Biokohlezusatz lag der pflanzenverfügbare Cd-Wert bei 0,460 mg/kg und überschritt damit die zulässigen Grenzwerte (0,3 mg/kg), die von der Weltgesundheitsorganisation30 vorgeschlagen wurden. Sowohl unmodifizierte als auch modifizierte Pflanzenkohle könnten bei einer Dosierung von 3–5 % das im Boden verfügbare Cd deutlich unter den Grenzwert (0,3 mg/kg) senken (p < 0,05). Im Vergleich zur Behandlung mit unmodifizierter Pflanzenkohle verringerte sich das verfügbare Cd von 0,174 auf 0,084 mg/kg bei einer Dosierung von 3 % P-modifizierter Pflanzenkohle, während es bei einer Dosierung von 5 % von 0,047 auf 0,029 mg/kg sank.

(a) Anfangskonzentrationen des pflanzenverfügbaren toxischen Metalls Cd im Boden und (b) mittlere Gesamtabsaugung im Boden (Wurzelzone) während der Pflanzenwachstumsperiode, unter Berücksichtigung verschiedener Änderungen. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (n = 3) dargestellt. Unterschiedliche Buchstaben über den Balken weisen auf signifikante Unterschiede (P < 0,05) zwischen den Gruppen unter unterschiedlichen Behandlungen hin.

Auch die vollständige Saugwirkung im Wurzelbereich ist ein wichtiger Indikator für das Pflanzenwachstum. Abbildung 2b zeigt die Ergebnisse der gesamten Bodenabsaugung in der Wurzelzone, die sich aus der Summe der matrischen Absaugung und der osmotischen Absaugung ergibt. Die gesamte Bodensaugkraft in der Wurzelzone stieg von 79,9 kPa für den Kontrollboden auf 314,1 kPa für den mit 3 % unmodifizierter Pflanzenkohle behandelten Boden. Mit zunehmender Dosierung der Pflanzenkohle wurde die Gesamtsaugleistung höher. Bei dem mit 5 % unmodifizierter Pflanzenkohle behandelten Boden stieg die Gesamtsaugwirkung im Wurzelbereich auf 440,2 kPa. Die gesamte Bodensaugung wurde bei Behandlungen mit 3 % bzw. 5 % P-modifizierter Pflanzenkohle im Vergleich zur unmodifizierten Behandlung mit Pflanzenkohle um 36,7–46,7 % reduziert. In Bezug auf die Matrixabsaugung zeigte die durchschnittliche Matrixabsaugung in der Wurzelzone während der Pflanzenwachstumsperiode unter unveränderter Pflanzenkohlezugabe einen leichten Anstieg von 5,4 auf 10,5–11,7 kPa. Er stieg auf 13,5–16,8 kPa, wenn der Boden mit P-modifizierter Pflanzenkohle behandelt wurde. Die etwas höhere Matrixabsaugung unter der Biokohle-Ergänzung war möglicherweise auf ein verbessertes Pflanzenwachstum und eine höhere Wasseraufnahmefähigkeit der Wurzeln zurückzuführen31. Verglichen mit der Größe der matrischen Absaugung spielte in dieser Abbildung die osmotische Absaugung eine dominierende Rolle bei der Auswirkung auf die Gesamtabsaugung. Es zeigte sich daher, dass unterschiedliche Bodenbehandlungen ähnliche Auswirkungen auf die Gesamtsaugwirkung im Wurzelbereich haben. Unmodifizierte Pflanzenkohlezusätze erhöhten die osmotische Saugwirkung um 307,5–475,2 % bei einer Anwendung von 3–5 %. Im Vergleich zur Behandlung mit unmodifizierter Pflanzenkohle reduzierte P-modifizierte Pflanzenkohle die osmotische Saugwirkung um 38,9–49,3 %.

Abbildung 3 zeigt die Blattfläche und Sprosshöhe von P. heterophylla während der 4-monatigen Wachstumsperiode (16 Wochen). In Abb. 3a vergrößerte sich die Blattfläche bis zur 6.–8. Woche um 70,6–165,7 % und verringerte sich dann um 64,3–79,4 % für die Kontrollgruppe und die unmodifizierte Pflanzenkohlegruppe (3 % und 5 %). Allerdings zeigt sich bei P-modifizierten Pflanzenkohlegruppen (3 % und 5 %) nach der 10. Woche nur eine leichte Abnahme der Blattfläche. In den ersten 6 Wochen wurde im Vergleich zur Kontrolle eine um 75,9–234,3 % größere Blattfläche in den Gruppen mit Pflanzenkohle-Anwendung beobachtet, unabhängig von der Pflanzenkohle-Modifikation. Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen den mit unmodifizierter und P-modifizierter Pflanzenkohle behandelten Gruppen bei gleicher Pflanzenkohledosis. Nach der 6. Woche wurden die Vorteile von P-modifizierter Pflanzenkohle zur Vergrößerung der Blattfläche hervorgehoben, da die Blattfläche für Kontroll- und unmodifizierte Pflanzenkohlegruppen abnahm. Nach der 10. Woche wurde in der P-modifizierten Pflanzenkohlegruppe im Vergleich zu den nicht modifizierten Pflanzenkohlegruppen eine signifikante Vergrößerung der Blattfläche beobachtet (p < 0,05). Ähnliche Trends wurden auch für die Triebhöhe in Abb. 3b beobachtet. P-modifizierte Pflanzenkohlezusätze in einer Dosierung von 5 % wirkten sich am positivsten auf die Pflanzenwachstumseigenschaften (Blattfläche und Sprosshöhe) aus. Ein Unterschied bestand darin, dass in den ersten 6 Wochen die Sprosshöhe von P. heterophylla unter unmodifizierter Pflanzenkohlebehandlung höher war (< 18,9 %) als unter P-modifizierter Pflanzenkohle bei gleicher Dosierung.

Variationen von (a) Blattfläche und (b) Sprosshöhe während der Pflanzenwachstumsperiode (4 Monate). Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (n = 3) dargestellt. Unterschiedliche Buchstaben über den Balken weisen auf signifikante Unterschiede (P < 0,05) zwischen den Gruppen unter unterschiedlichen Behandlungen hin.

Die mittlere Wurzellänge (RL) und die Wurzellängendichte (RLD) sind zwei morphologische Parameter, die das Wachstum unterirdischer Teile widerspiegeln und in Tabelle 2 aufgeführt sind. Die Wurzellänge zwischen allen Behandlungen wies keinen signifikanten Unterschied auf (p > 0,05). Die Wurzellängendichte nahm bei allen Pflanzenkohle-Änderungen zu, mit Ausnahme der 5 %igen unmodifizierten Pflanzenkohle-Behandlung, die im Vergleich zur Kontrolle eine Verringerung um 13,1 % aufwies. Bei einer Dosierung von 3 % Pflanzenkohle steigerten unmodifizierte und P-modifizierte Pflanzenkohle die Wurzellängendichte um 3,3 % bzw. 50,5 %. Im Vergleich zur Kontrolle war der signifikanteste Anstieg der Wurzellängendichte um 61,1 % in der Gruppe unter 5 % P-modifizierter Pflanzenkohle-Behandlung zu verzeichnen (p < 0,05).

Abbildung 4a zeigt die frische und trockene Biomasse von Wurzelknollen unter kontrollierter, unmodifizierter und P-modifizierter Pflanzenkohlebehandlung. Die Anwendung von 3 % unmodifizierter Pflanzenkohle erhöhte die Knollenbiomasse um 45,4 % (von 0,134 für die Kontrolle auf 0,195 g/Topf) (p > 0,05). Bei einer Erhöhung der Anwendungsdosis auf 5 % verringerte sich die Trockenbiomasse der Wurzelknolle auf 0,079 g/Topf. Was die P-modifizierte Biokohle-Ergänzung betrifft, so war sie im Vergleich zur Kontrolle signifikant um 68,6 % bzw. 136,0 % bei 3 % bzw. 5 % Dosierungen erhöht (p < 0,05). Bei den Dosierungen 3 % und 5 % der Pflanzenkohle steigerte P-modifizierte Pflanzenkohle den Ertrag (trockene Biomasse) um 16,0 % (p > 0,05) bzw. 301,0 % (p < 0,05) im Vergleich zu unmodifizierter Pflanzenkohle. Ähnliche Trends wurden auch bei frischer Biomasse beobachtet.

Variationen von (a) Biomasse und (b) Morphologie (mittlere Länge und mittlerer maximaler Durchmesser) der Wurzelknolle. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (n = 3) dargestellt. Unterschiedliche Buchstaben über den Balken weisen auf signifikante Unterschiede (P < 0,05) zwischen den Gruppen unter unterschiedlichen Behandlungen hin.

Abbildung 4b zeigt die Morphologie der Knolle von P. heterophylla, einschließlich der mittleren Länge und des mittleren maximalen Durchmessers bei verschiedenen Bodenbehandlungen. Der Unterschied der Knollenlänge unter verschiedenen Behandlungen einschließlich der Kontrolle zeigte keine statistische Signifikanz. Der mittlere maximale Durchmesser der Wurzelknolle verringerte sich von 3,65 mm bei der Kontrolle auf 2,79 mm bei 5 % Dosierung unmodifizierter Pflanzenkohle. Im Gegensatz zu unmodifizierter Pflanzenkohle erhöhte P-modifizierte Pflanzenkohle den mittleren Knollendurchmesser um 35,2 % bzw. 31,5 % auf 4,93 mm bzw. 4,80 mm, bei Dosierungen von 3 % bzw. 5 % (p < 0,05).

Die Wirkstoffkonzentration im Heilorgan ist einer der Schlüsselfaktoren zur Beurteilung der Qualität von Heilpflanzen. Abbildung 5 zeigt die Wirkstoffe (Polysaccharide und Saponine) der getrockneten Wurzelknolle von P. heterophylla. In Abb. 5a verbesserte die Anwendung von 3 % unmodifizierter Pflanzenkohle im Vergleich zur Kontrolle die Polysaccharidkonzentration in der Wurzelknolle um 19,0 %, während die Anwendung von 5 % unmodifizierter Pflanzenkohle sie um 20,7 % verringerte. Bei der P-modifizierten Biokohle-Ergänzung waren die Konzentrationen der Polysaccharide bei Dosierungen von 3 % bzw. 5 % im Vergleich zur Kontrolle signifikant um 63,7 % bzw. 78,8 % erhöht (p < 0,05). Die Konzentration von Polysacchariden in getrockneten Wurzelknollen lag bei all diesen Behandlungen über dem in HKCMMS (2020)32 vorgeschlagenen Mindestgrenzwert von 6 %. Im Vergleich zur Samenknolle war die Polysaccharidkonzentration bei allen Pflanzenkohlebehandlungen um 20,6–115,7 % erhöht, außer bei 5 % unmodifizierter Pflanzenkohle, wo sie um 4,4 % verringert war. Die Konzentration von Saponinen, einem weiteren wichtigen Wirkstoff für P. heterophylla, wurde gemessen und die Ergebnisse sind in Abb. 5b dargestellt. Im Vergleich zur Kontrolle verringerten die Dosierungen von 3 % und 5 % unmodifizierter Pflanzenkohle die Saponinkonzentrationen in getrockneten Wurzelknollen um 24,1 % bzw. 59,0 %. Im Gegensatz dazu stiegen die Saponinkonzentrationen bei Behandlungen mit 3 % bzw. 5 % P-modifizierter Pflanzenkohle um 2,9 % bzw. 27,8 %. Die Anwendung von 5 % P-modifizierter Pflanzenkohle könnte die Saponinkonzentration mit statistischer Signifikanz verbessern (p < 0,05). Die Wurzelknolle erhöhte unter all diesen Behandlungen die Saponinkonzentration im Vergleich zur Samenknolle um 15,5–260,0 %.

Wirkstoffe einschließlich (a) Polysaccharide und (b) Saponine in der Wurzelknolle. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (n = 3) dargestellt. Unterschiedliche Buchstaben über den Balken weisen auf signifikante Unterschiede (P < 0,05) zwischen den Gruppen unter unterschiedlichen Behandlungen hin.

Abbildung 6 zeigt die Beziehungen zwischen Pflanzenmerkmalen und physikochemischen Eigenschaften des Bodens, die durch RDA untersucht wurden. Die ersten beiden Achsen des RDA könnten 78,5 % der Gesamtvariation erklären. Die erste Komponente (RDA1) unterschied sich stark hinsichtlich der Nährstoffgehalte im Boden (z. B. P, K, S) und des bodentoxischen Metalls (z. B. Cd), wodurch die Behandlungen mit P-modifizierter Pflanzenkohle (blaue und grüne Punkte) von der Kontrolle unterschieden wurden. Die zweite Komponente (RDA2) erklärte hauptsächlich die durch die Boden-EC- und Cl-Konzentration bedingte Variabilität und unterschied unmodifizierte Pflanzenkohlebehandlungen (gelbe und rote Punkte) von anderen. Wie die Vektoren in RDA zeigten, standen der pH-Wert des Bodens und die Nährstoffgehalte (K, P, S) in positivem Zusammenhang mit den meisten Pflanzenmerkmalen außer der Knollenlänge. Dies kann auf die Verlängerung des unterirdischen Teils zurückzuführen sein, damit die Pflanze bei P-Mangel mehr Nährstoffe wie P aufnehmen kann33. Unter den Bodennährstoffen zeigte P den engsten Zusammenhang mit den Eigenschaften von Wurzeln und Knollen, während K, S und N signifikantere Auswirkungen auf Blätter und Stängel von P. heterophylla hatten als andere Nährstoffe. Daher war P, das hauptsächlich durch P-modifizierte Pflanzenkohle bereitgestellt wurde, ein vielversprechender Nährstoff zur Verbesserung des Ertrags und der Wirkstoffe der Knolle von P. heterophylla mit relativ hoher Effizienz, gefolgt von S und K. Insbesondere die Cd-Konzentration korrelierte negativ mit den meisten Pflanzeneigenschaften Blattfläche und Sprosshöhe aufgrund seiner Metalltoxizität. Allerdings zeigte es keine negativen Auswirkungen auf die Saponinkonzentration in der Knolle, da Cd möglicherweise die Pflanzenabwehr für die Saponinbiosynthese stimuliert26. Boden-EC und Cl zeigten negative Korrelationen mit den Eigenschaften von Wurzel und Knolle, aber positive Korrelationen mit der Knollenlänge von P. heterophylla.

Die Beziehungen zwischen den Pflanzeneigenschaften (blauer Pfeil mit schwarzer Schrift) und den physikalisch-chemischen Parametern des Bodens (roter Pfeil), gemessen in fünf Gruppen unter unterschiedlicher Behandlung, basierend auf einer Redundanzanalyse (RDA). Die ersten beiden RDA-Komponenten könnten 78,5 % (59,97 % + 18,48 %) der Gesamtvariation erklären.

Gemäß den Ergebnissen von XPS (in Tabelle S2, Abb. S1), FTIR (in Abb. S2) und den Messungen der verfügbaren Nährstoffe (in Tabelle 1) wurden die Versorgung und Verfügbarkeit von K und P durch P-modifizierte Pflanzenkohle erhöht . Dies war hauptsächlich auf die Verwendung einer K3PO4-Lösung als P-Quelle während der Modifikation der Pflanzenkohle zurückzuführen. Bei der Oxidation der Pflanzenkohle durch verdünnte H2O2-Lösung im Rahmen des Modifizierungsverfahrens (REM in Abb. 1) wurden mehr Poren erzeugt, was zu einer größeren Oberfläche der Pflanzenkohle und damit zu einem erhöhten Gehalt an K und P12 führte. P wurde durch Porenfüllung, elektrostatische Anziehung, Anionenaustausch, Oberflächenfällung usw. auf der modifizierten Pflanzenkohleoberfläche adsorbiert34. Nach dem Mischen modifizierter Biokohle mit dem Boden könnten die K- und P-Werte, die die Biokohle während der Modifizierung besitzt, direkt als Nährstoffquelle wieder in das Bodenwasser abgegeben werden35. Dieser Prozess wurde durch die Diffusion gelöster Stoffe unter einem Konzentrationsgradienten von der Pflanzenkohlephase in die wässrige Phase gesteuert36,37. Das wiederholbar freigesetzte P im Bodenwasser wurde durch Massenfluss oder Diffusion zur Pflanzenaufnahme an die Wurzeloberfläche transportiert38. Unmodifizierte Pflanzenkohle in einer Dosierung von 5 % könnte die P-Verfügbarkeit aufgrund der Bodenneutralisierung durch Pflanzenkohle in sauren Böden ebenfalls leicht erhöhen, um die Beschränkung des im Boden austauschbaren Al auf das im Boden verfügbare P2 zu verringern. Dies wurde jedoch teilweise durch die potenziell erhöhte P-Sorption im Boden unter unveränderter Pflanzenkohle-Ergänzung ausgeglichen. Daher war die Verbesserung der P-Verfügbarkeit durch unmodifizierte Pflanzenkohle statistisch nicht signifikant. Aufgrund der relativ geringen Konzentration an verfügbarem P (0,69–1,15 mg/kg) im Kontrollboden und im mit unmodifizierter Pflanzenkohle behandelten Boden (Tabelle 1) ist die Diffusion von P in die Rhizosphäre begrenzt. Daher konnten die von der Pflanze über die Wurzelwasseraufnahme aufgenommenen Nährstoffe (d. h. P) den Nährstoffbedarf der Pflanze nicht decken, was zu einer Verringerung der Blattfläche, der Sprosshöhe, des RL und des RLD39 führte. P-modifizierte Pflanzenkohle (3–5 %) erhöhte die verfügbare P-Konzentration (8,02–23,91 mg/kg) im Boden. Sobald die P-Konzentration in der Wurzelzone aufgrund der Pflanzenaufnahme verringert wurde, würde sie basierend auf dem Nährstoffgradienten aus der Nicht-Rhizosphärenregion ausgeglichen werden40. Nach 4-monatigem Pflanzenwachstum betrug der verfügbare P-Gehalt in der Rhizosphäre von P. heterophylla unter Behandlung mit P-modifizierter Pflanzenkohle bei der Ernte 4,73–13,70 mg/kg. Es war offensichtlich immer noch höher als bei der Kontrollgruppe und der mit unmodifizierter Pflanzenkohle behandelten Gruppe (d. h. < 3 mg/kg). Dies deutete darauf hin, dass P-modifizierte Pflanzenkohle P über einen relativ langen Zeitraum (d. h. mehr als 4 Monate) als Ergänzung in das Bodenwasser desorbieren könnte. Dies steht im Einklang mit der Feststellung von Zhang et al.12, dass P-modifizierte Pflanzenkohle den im Boden verfügbaren P-Wert von < 20 mg/kg auf etwa 39 mg/kg erhöhen und diesen verfügbaren P-Gehalt länger als 45 Tage aufrechterhalten kann.

Neben der verbesserten Bodenfruchtbarkeit (z. B. P) war der verringerte Stress durch toxisches Metall (Cd) und die hohe Gesamtsaugwirkung des Bodens ein weiterer Grund für die Förderung des Pflanzenwachstums durch P-modifizierte Pflanzenkohle (Abb. 3) im Vergleich zu unmodifizierter Pflanzenkohle. Im Hinblick auf den Cd-Stress (Abb. 2a) war erstens der Anstieg des pH-Werts in Böden, die mit Pflanzenkohle, insbesondere P-modifizierter, verändert wurden (Tabelle 1), ein wichtiger Grund für die Cd-Immobilisierung. Basierend auf der von Monhemius et al.41 vorgeschlagenen negativen Korrelation zwischen pH-Wert und Cd-Eluat aus dem Boden könnte die Anwendung von modifizierter Biokohle zu einer effizienteren Cd-Immobilisierung im Boden führen. Zweitens erhöhten mehr sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen (z. B. Hydroxy, Carboxyl) in P-modifizierter Biokohle3 die negative Ladung des veränderten Bodens, was zu einer besseren Adsorptionsfähigkeit für Cd führte. Relativ reichlich P in mit modifizierter Pflanzenkohle angereicherten Böden kann zu Ausfällungen wie Cd(PO3)2, Cd(OH)PO3·H2O mit Cd führen, was zu einer Verringerung der Cd-Verfügbarkeit führt3. Schließlich führten die erhöhte Anzahl an Mikroporen und die größere spezifische Oberfläche der P-modifizierten Pflanzenkohle (SEM in Abb. 1) dazu, dass mehr verfügbares Cd an der Oberfläche oder in den Poren adsorbiert wurde. Dies führte zu einer verringerten Cd-Mobilität im Boden und einer verbesserten Bodenqualität. Unterdessen könnte das Wachstum von Pflanzen in Böden, die mit P-modifizierter Pflanzenkohle behandelt wurden, durch verringerten Cd-Stress bei geringerer Phytotoxizität und Ökotoxizität verbessert werden. Verfügbares Boden-Cd könnte das Schließen der Stomata induzieren, den Chlorophyllgehalt verringern und die Wurzelverlängerung hemmen, was zu einem verringerten Pflanzenwachstum führen würde26. Daher reduzierte P-modifizierte Pflanzenkohle den Cd-Stress und förderte somit effizient das Wachstum sowohl des oberirdischen als auch des unterirdischen Teils. Die Erhöhung des pH-Werts des Bodens war ein weiterer Grund für die Verbesserung des Pflanzenwachstums durch die Behandlung mit Pflanzenkohle, insbesondere mit P-modifizierter Pflanzenkohle. Der Säuregehalt des Bodens und die Toxizität von übermäßigem H+ und Al3+ wurden gemildert, wodurch negative Auswirkungen auf die Wurzelverlängerung verringert wurden42.

Basierend auf der vorherigen Studie verfügte Pflanzenkohle über reichlich Nährstoffe (K, N, P, Ca, S, Mg usw.)43. Erhöhte Nährstoffionen (z. B. verfügbares K+), die von Pflanzenkohle in das Bodenwasser freigesetzt werden, führen zu einer höheren osmotischen Saugwirkung sowohl bei unmodifizierten als auch bei P-modifizierten Pflanzenkohlezusätzen44,45. Im Vergleich zu unmodifizierter Pflanzenkohle wurden einige Ionen (z. B. Cl−) während der Wasch- und Filterprozesse in der Modifikation deutlich reduziert (Tabelle 1). Dies könnte zu einer geringeren Anionenkonzentration im Bodenwasser führen. Darüber hinaus könnten vergrößerte Mikroporen in der Pflanzenkohle nach der Modifikation (SEM in Abb. 1) die Adsorptionsfähigkeit für Ionen (z. B. Na+)46 verbessern, was zu einer Verringerung der osmotischen Saugwirkung und damit zu einer verringerten Gesamtsaugleistung führt. Wie Ng et al.47 betonten, wurde die Wasseraufnahmerate der Pflanzen durch das Darcy-Gesetz bestimmt, das als Produkt aus hydraulischem Gradienten und hydraulischer Leitfähigkeit definiert ist. Der hydraulische Gradient ist proportional zur Differenz der hydraulischen Förderhöhen (dh gesteuert durch die Gesamtsaugwirkung) zwischen den Pflanzenwurzeln und dem Boden. Eine hohe Gesamtsaugwirkung in einem mit Pflanzenkohle unveränderten Boden verringerte den hydraulischen Gradienten zwischen Boden und Pflanzenwurzeln. Auch die hydraulische Leitfähigkeit der Pflanzenwurzeln war im Boden mit hoher Gesamtsaugwirkung verringert48. Die Wasseraufnahme der Wurzeln wurde sukzessive gehemmt47. Die gehemmte Wasseraufnahme durch Wurzeln im Boden mit hoher Gesamtsaugung verringerte auch das Pflanzenwachstum (z. B. Wurzelverlängerung) und den Stoffwechsel (z. B. Photosynthese)49. Im Vergleich zu P-modifizierter Pflanzenkohle oder unmodifizierter Pflanzenkohle bei relativ geringer Dosierung (3 %) führten daher 5 % unmodifizierte Pflanzenkohle mit höherer Gesamtabsaugung im Wurzelbereich zu einem Rückgang des Knollenertrags. P-modifizierte Pflanzenkohle verringerte die Gesamtsaugwirkung in der Wurzelzone und steigerte möglicherweise die Wasseraufnahme, was zum geförderten Wachstum von P. heterophylla beitrug.

Eine zu hohe Cl-Konzentration in unmodifizierter Pflanzenkohle war ein weiterer möglicher Grund, der im Vergleich zu P-modifizierter Pflanzenkohle zu einer kürzeren Pflanzenwachstumsperiode und einem geringeren Pflanzenwachstum führte. Überschüssiges Cl im Boden könnte durch Antagonismus zu einer gehemmten Pflanzenaufnahme einiger Nährstoffanionen (z. B. NO3-, H2PO4−) durch die Wurzeln führen und so zu einer begrenzten Verbesserung des Pflanzenwachstums beitragen50. Es verursachte auch eine Verbrennung der Blattspitze mit eingeschränkter Photosynthese51. Während die Pflanze wuchs, führten der verringerte Nährstoffgehalt und die fortgesetzte Aufnahme von Cl durch Transpiration zu einer höheren Cl-Anreicherung in der Pflanze mit schwerwiegenderer Toxizität52. Daher zeigte P-modifizierte Pflanzenkohle mit reduziertem Cl-Gehalt verbesserte Pflanzenwachstumseigenschaften.

Ein verbessertes Triebwachstum mit vergrößerter Blattfläche (Abb. 3) unter der Behandlung mit P-modifizierter Pflanzenkohle steigerte die Photosynthesekapazität und produzierte mehr Kohlenhydrate. Abgesehen von den organischen Verbindungen, die für das Pflanzenwachstum und den Stoffwechsel genutzt werden, wurden auch andere als Speicherprodukte übertragen und in den Organen wie Wurzelknollen akkumuliert53. Aufgrund der erhöhten Speicherung von Kohlenhydraten in den Knollen durch geförderte Photosynthese wurde das Wurzelknollenwachstum von P. heterophylla in mit P-modifizierter Pflanzenkohle behandelten Gruppen verbessert54. Bei den mit unmodifizierter Pflanzenkohle behandelten Gruppen verringerte die Anwendung einer hohen Dosierung (dh 5 %) die Blattfläche nach der 6. Woche. Daher führte ein vermindertes Blattwachstum zu einem relativ frühen Zeitpunkt zu einer geringeren Speicherung von Kohlenhydraten in der Wurzelknolle und damit zu einem geringeren Ertrag an P. heterophylla. Darüber hinaus trugen möglicherweise die durch Pflanzenkohle hochregulierten Pflanzenhormone für die Bildung von Wurzeln (einschließlich Adventivwurzel) zu einem erhöhten Knollenertrag bei55.

Die Polysaccharidkonzentration in der Wurzelknolle korrelierte positiv mit dem Pflanzenwachstum und -ertrag, basierend auf Abb. 6. In der vorherigen Studie wurde darauf hingewiesen, dass die höchste Biomasseakkumulation und Polysaccharidproduktion unter denselben Bedingungen gleichzeitig auch für eine andere Heilpflanze, Callerya speciosa, beobachtet wurde56. Polysaccharide sind polymere Kohlenhydrat-Makromoleküle in der Pflanze, die durch Kohlenstoffreaktionen der Photosynthese aus Kohlenhydraten gewonnen werden57. Durch die geförderte Photosynthese wurden mehr Kohlenhydrate als Ausgangsstoff für die Polysaccharidsynthese erzeugt, was möglicherweise zu einer höheren Polysaccharidkonzentration in der Knolle führte. Daher führte ein gehemmtes Blattwachstum und eine gehemmte Wasseraufnahme unter 5 % unmodifizierter Pflanzenkohle, die durch eine hohe Gesamtabsaugung in der Wurzelzone verursacht wurde, zu einer verringerten Photosynthese und damit zu einer verringerten Polysaccharidkonzentration in der Knolle. Im Vergleich zu unmodifizierter Pflanzenkohle lieferte P-modifizierte Pflanzenkohle höhere Mengen an Nährstoffen (z. B. P) und verringerte die Gesamtsaugwirkung im Wurzelbereich, was zu einer erhöhten Anreicherung von Polysacchariden und damit zu einer höheren Pflanzenqualität führte. Die verringerte Konzentration von Saponinen in der Knolle von P. heterophylla mit zunehmender Dosierung unmodifizierter Biokohle ist wahrscheinlich auf die regulierte Genexpression im Rahmen der Biokohle-Änderung zurückzuführen55. Viger et al.55 fanden heraus, dass die Zugabe von Pflanzenkohle die Herunterregulierung von Genen im Zusammenhang mit der Pflanzenabwehr wie der Biosynthese von Jasmonsäure und sekundären Metaboliten induzieren kann. Daher führte eine verringerte Stimulierung der Saponinbildung durch gehemmte Jasmonsäure zu einer verringerten Saponinkonzentration in der Knolle.

Allerdings verbessert P-modifizierte Pflanzenkohle die Synthese der Wirkstoffe (Polysaccharide und Saponine) von P. heterophylla in Knollen auf zwei mögliche Arten. Erstens hatte P (z. B. Phosphat), das von P-modifizierter Pflanzenkohle geliefert wird (dargestellt in XPS-, FTIR-Ergebnissen usw.), einen entscheidenden Einfluss auf die direkte Anreicherung aktiver Inhaltsstoffe (Polysaccharide und Saponine)58. Yin et al.59 kamen zu dem Schluss, dass die Akkumulation von Polysacchariden und Saponinen für die Adventivwurzeln von P. heterophylla zunahm, wenn die Phosphatversorgung von 0 auf 2,5 mM anstieg. Die pflanzliche P-Aufnahme könnte eine wichtige Rolle bei der Bildung einiger Enzyme oder Vorläufer im Zusammenhang mit der Saponinsynthese spielen60. Die relativ reichliche P-Versorgung und Pflanzenaufnahme unter der Behandlung mit P-modifizierter Pflanzenkohle stimulierte die Synthese von Wirkstoffen in der Knolle von P. heterophylla und verbesserte dadurch deren Qualität. Indirekt könnte sich auch die durch die Biokohle-Änderung veränderte Morphologie der Wurzelknolle auf die Anreicherung von Polysacchariden und Saponinen auswirken. Die pralleren Knollen mit geringerer Länge und größerem Durchmesser wiesen unter der Behandlung mit P-modifizierter Pflanzenkohle tendenziell eine höhere Konzentration an Wirkstoffen auf als die schlanken Knollen in der Kontrollgruppe und den mit unmodifizierter Pflanzenkohle behandelten Gruppen26.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass P-modifizierte Pflanzenkohle den für Pflanzen verfügbaren P im Boden steigerte. Gleichzeitig wurde die Belastung durch potenziell toxische Elemente (z. B. Cd, Cl) und die hohe osmotische Saugwirkung des Bodens im Vergleich zur Behandlung mit unmodifizierter Pflanzenkohle verringert. P-modifizierte Pflanzenkohle zeigte im Vergleich zu unmodifizierter Pflanzenkohle eine um 16,0–301,0 % höhere Effizienz bei der Förderung des P. heterophylla-Ertrags. Dies deutete darauf hin, dass P-modifizierte Pflanzenkohle die negativen Auswirkungen hoher Dosierungen unmodifizierter Pflanzenkohle minimieren und mehr Nährstoffe für die Pflanzenaufnahme liefern könnte. Im Vergleich zu Kontrollgruppen und Gruppen, die mit unmodifizierter Pflanzenkohle behandelt wurden, wurden beide Wirkstoffe (dh Polysaccharide und Saponine) in der Knolle durch P-modifizierte Pflanzenkohle deutlich verstärkt. Daher zeigt diese Studie, dass P-modifizierte Pflanzenkohle eine vielversprechende Bodenverbesserung beim Kräuteranbau darstellt. Um das Wachstum und die Qualität von P. heterophylla mit höherem Ertrag und höherer Wirkstoffproduktion zu steigern, wird die Anwendung von 5 % P-modifizierter Pflanzenkohle empfohlen. In der weiteren Untersuchung ist es notwendig, weitere Analysen (XRD usw.) der modifizierten Pflanzenkohle durchzuführen, um das Verständnis ihrer veränderten Eigenschaften und Charakterisierungen zu vertiefen. Darüber hinaus sollte für den weiteren großtechnischen Anbau eine größere Anzahl von Replikaten für Laborexperimente und Feldtests in Betracht gezogen werden.

Der getestete lateritische Boden wurde in Bijie in der Provinz Guizhou (27° 24′ N, 105° 20′ E) gesammelt, dem größten Produzenten und Exporteur chinesischer Medizin in China. Nachdem der Feldboden an der Luft getrocknet war, wurde er zum Pflanzen durch ein 4,75-mm-Maschensieb gesiebt. Der pH-Wert der getesteten Bodenprobe wurde mit einem pH-Meter gemäß ASTM D4972-01 (2007)61 gemessen. Die elektrische Leitfähigkeit (EC) von Bodenproben wurde mit einem Leitfähigkeitsmessgerät62 bestimmt. Die Kationenaustauschkapazität (CEC) wurde nach der von Gillman und Sumpter63 vorgeschlagenen Methode analysiert. Der Gesamtkohlenstoff und der anorganische Kohlenstoff in Biokohle wurden mit einem Gesamtkohlenstoffanalysator (Shimaszu, TOC-VCPH) gemessen. Die pflanzenverfügbaren Nährstoffe (d. h. K, P, Mg, Ca, Cu, Zn) in Bodenproben wurden mit der Mehlich-3-Extraktionsmethode64 extrahiert. Die detaillierten grundlegenden physikalisch-chemischen Eigenschaften des getesteten Bodens sind in der Ergänzungstabelle S1 unter „Ergänzende Informationen“ zusammengefasst.

Biokohle wurde von Sanli New Energy Co., Ltd. in Shangqiu, Provinz Henan, geliefert und aus Erdnussschalen bei 500 °C Pyrolyse hergestellt. Nach dem Sieben durch ein 2-mm-Maschengewebe betrugen die Gehalte an Pflanzenkohle mit einer Partikelgröße von < 0,075 mm, 0,075–0,425 mm und > 0,425 mm 7,7 %, 48,1 % bzw. 44,2 %. Die Herstellung von phosphormodifizierter Pflanzenkohle (P-modifizierte Pflanzenkohle) basierte auf Zhang et al.12. Zunächst wurde eine 10 g/L Kaliumphosphat (K3PO4)-Lösung hergestellt, die mit dem verdünnten Wasserstoffperoxid (8 Massen-%) gemischt wurde. Die gemischte Lösung wurde der zerkleinerten und gesiebten (< 2 mm) Pflanzenkohle im Massenverhältnis 2:1 etwa 24 Stunden lang zugesetzt. Bei diesem Verfahren wurde Wasserstoffperoxid zur Oxidation eingesetzt, um die Oberfläche der Pflanzenkohle und die P-Adsorption zu erhöhen. Nach der Filtration wurde die modifizierte Pflanzenkohle 24 Stunden lang in einem Ofen bei einer Temperatur von 60 °C getrocknet. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur war der Modifizierungsprozess abgeschlossen. Die Ergebnisse des Rasterelektronenmikroskops (REM) von unmodifizierter und P-modifizierter Pflanzenkohle sind in Abb. 1 dargestellt. Es ist zu beobachten, dass die Anzahl der Poren in der Pflanzenkohle nach der Modifikation zunimmt. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde verwendet, um die chemischen Zusammensetzungen von unmodifizierter und P-modifizierter Pflanzenkohle zu analysieren. Die Ergebnisse sind in der Ergänzungstabelle S2 dargestellt. XPS-Entfaltungen von N1s, P2p, O1s und C1s wurden ebenfalls durchgeführt und die Ergebnisse sind in der ergänzenden Abbildung S1 dargestellt. Die Oberflächenfunktionsgruppen der Pflanzenkohle vor und nach der Modifikation wurden durch Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) bestimmt. Nach der Basislinienkorrektur sind die FTIR-Spektren in Abb. S2 dargestellt.

Es wurden sowohl die unmodifizierte (B3, B5) als auch die P-modifizierte Pflanzenkohle (PB3, PB5) in einer Menge von 3 % und 5 % (bezogen auf die Masse) verwendet. Anschließend wurden sie kontinuierlich mit der lateritischen Erde vermischt, bis die Farbe gleichmäßig war65. Die gemischten Proben mit 40 % Wassergehalt wurden einen halben Monat lang bei 25 °C66 inkubiert. Als Kontrolle (CK) wurde Boden ohne Pflanzenkohlezusatz eingestellt. Boden-pH, EC und CEC, pflanzenverfügbare Nährstoffe (z. B. K, P) wurden bestimmt61,62,63,64. Der Boden-EC wurde unter unmodifizierter Pflanzenkohle dramatisch um 309,7–521,2 % verbessert. Im Vergleich zu unmodifizierter Pflanzenkohle reduzierte P-modifizierte Pflanzenkohle den EC-Wert des Bodens um 31,2–33,3 %. Der im Boden extrahierbare N (aus NO3−, NO2−, NH4+ usw.) wurde auf der Grundlage der von Carter und Gregorich67, Jones und Willett68 vorgeschlagenen Methoden bewertet. Die im Boden verfügbaren Anionen (z. B. Cl−, NO3−, SO42−, F−) wurden mit dem von Dick und Tabatabai69 vorgeschlagenen Ionenchromatographen gemessen. Die Konzentration des pflanzenverfügbaren toxischen Metalls Cd im Boden wurde mit der NH4NO3-Extraktionsmethode66 bestimmt.

Die Samenknollen von P. heterophylla in dieser Studie wurden von Changhaojinhuang Traditional Chinese Medicine Co. LTD aus der Provinz Guizhou, China, geliefert. In jeden Topf wurden sieben Saatknollen mit einer Tiefe von 60 mm und einem horizontalen Abstand von 60 mm gepflanzt. Die Töpfe in dieser Studie waren zylindrisch mit einem Durchmesser von 240 mm und einer Höhe von 160 mm26. Der Boden in jedem Topf wurde mit einer relativen Verdichtung von 65 % und einer Tiefe von 130 mm verdichtet. Für diese fünf verschiedenen Behandlungen (CK, B3, PB3, B5, PB5) gab es für jede Bodenbedingung drei replizierte Töpfe (insgesamt 21 Sämlinge). Die angenommene Anzahl der Wiederholungen folgte den Vorschlägen von Shetty und Prakash70, Silambarasan et al.71 und Zhou et al.72. Ein Tensiometer mit Miniaturspitze und ein Feuchtigkeitssensor wurden in einer Tiefe von 90 mm installiert, um die Bodensaugung bzw. den volumetrischen Wassergehalt (VWC) innerhalb der Wurzeltiefenzone zu überwachen73.

Alle vorbereiteten Töpfe wurden in einen Pflanzraum mit einer Temperatur von 28 ± 2 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 60 ± 5 % gestellt. Die kaltweißen Leuchtstofflampen mit einer Lichtintensität von 200 μmol m2/s und einer Wellenlänge von 400–700 nm wurden oben in Töpfen als Lichtquelle angebracht74. Die Pflanzenbeleuchtung wurde jeden Tag 12 Stunden lang an- und 12 Stunden lang ausgeschaltet. Während der 4-monatigen Pflanzenwachstumsperiode wurde der volumetrische Wassergehalt aller bepflanzten Erdtöpfe durch Bewässerung alle 4 Tage kontrolliert (dh ~ 40 %). Während des Pflanzenwachstums wurde kein zusätzlicher Dünger (Phosphor etc.) zugeführt. Während des Experiments wurde keine signifikante Veränderung der Bodentextur beobachtet.

Während der Pflanzenwachstumsperiode (4 Monate) wurden die Blattzahl, die Blattfläche und die Sprosshöhe alle 2 Wochen überwacht. Die Blattfläche wurde von ImageJ anhand von Fotos ermittelt, während die Triebhöhe mit einem Lineal gemessen wurde. Nach 4 Monaten wurden die Pflanzen geerntet und in verschiedene Organe aufgeteilt. Der unterirdische Teil der Pflanzen wurde sanft mit Milli-Q-Wasser gewaschen, um Bodenpartikel zu entfernen, wodurch potenzielle Schäden minimiert werden können. Die Wurzellänge wurde von ImageJ gemessen. Die Wurzellängendichte wurde bestimmt, indem die Gesamtlänge der Wurzeln durch das Bodenvolumen dividiert wurde75.

Die Messung der Knollenmorphologie einschließlich der Knollenlänge und des maximalen Knollendurchmessers wurde von ImageJ26 durchgeführt. Die Länge der Knolle wurde als axialer Abstand zwischen der Spitze der Knolle und dem Schwanz der Knolle bestimmt. Der maximale Durchmesser wurde im Abschnitt mit der größten seitlichen Dehnung gemessen. Basierend auf dem chinesischen Materia Medica-Standard32 in Hongkong sind der Mindestdurchmesser und die Mindestlänge der Knolle größer als 2 mm bzw. 10 mm. Die feuchte und trockene Biomasse des medizinischen Organs (Wurzelknolle) wurde vor bzw. nach 24-stündiger Ofentrocknung bei 60 °C gemessen. Als Indikator für den Ertrag wurde die trockene Biomasse der Wurzelknolle verwendet17.

Nach dem Trocknen der Wurzelknollen im Ofen und dem Mahlen zu Pulvern wurden die Wirkstoffe gemessen, um die Qualität von P. heterophylla zu bewerten. Die Gesamtpolysaccharide in der Knolle von P. heterophylla wurden nach der von HKCMMS (2020)32 vorgeschlagenen Anthron-Schwefelsäure-Methode gemessen. Anthron-Schwefelsäurelösung wurde durch Auflösen von Anthron (0,1 g) in 80 %iger Schwefelsäure (100 ml) hergestellt. Zunächst wurden die pulverisierten Wurzelknollenproben 60 Minuten lang mit destilliertem Wasser zur Extraktion von Polysacchariden im Wasserbad gemischt. Nach dem Zentrifugieren wurde der Überstand gesammelt. Dieser Extraktionsvorgang wurde noch zweimal wiederholt. Nach dem Vereinigen der Überstände wurde Ethanol zugegeben, um die Mischung 12 Stunden lang bei 4 °C zur Ausfällung von Polysacchariden zu erhalten. Der Rückstand wurde in destilliertem Wasser gelöst, um die Testlösungsproben zu erhalten. Anschließend wurden Standardlösung und Testlösung (2 ml) mit Anthronschwefelsäurelösung (6 ml) in einem Wasserbad (60 °C) 15 Minuten lang gemischt. Nach weiteren 15 Minuten Abkühlen im Eiswasserbad konnte die Mischung mit einem UV/Vis-Spektrometer bei 625 nm gemessen werden. Basierend auf dem Standard von HKCMMS (2020)32 sollten die Konzentrationen von Polysacchariden (berechnet als wasserfreie Glucose) in getrockneten Pflanzenproben nicht weniger als 6,0 % betragen.

Die Gesamtsaponine in der Knolle von P. heterophylla wurden mit der von Zhang et al. vorgeschlagenen Vanillin-Ethanol-Methode gemessen76. Die mit absolutem Ethanol vermischten getrockneten und pulverisierten Proben wurden mittels Ultraschallextraktion durchgeführt. Für die Standardreihe wurde Ginsenosid Re (10 mg) in Methanol (100 ml) gelöst. Nach dem Trocknen der Extraktion (2 ml) und der Standardlösung mit unterschiedlichen Volumina wurden nacheinander 8 % Vanillin-Ethanol-Lösung (0,2 ml) und 60 % Schwefelsäure (5 ml) 20 Minuten lang bei 60 °C zugegeben. Schließlich konnten die Konzentrationen von Saponinen in getesteten Pflanzenproben nach dem Abkühlen mit einem UV/Vis-Spektrometer bei 560 nm analysiert werden.

Die Gesamtabsaugung im Boden der Wurzelzone wurde durch die Summe der Matrixabsaugung und der osmotischen Absaugung77 bestimmt. Die Matrixabsaugung wurde während der Pflanzenwachstumsperiode mit einem Tensiometer überwacht und daraus konnte der Durchschnittswert während der Wachstumsperiode ermittelt werden. Es wurden Bodenproben im Wurzelbereich zu Beginn und am Ende des Pflanzenwachstums gesammelt. Die osmotische Saugwirkung dieser Bodenproben wurde durch die folgende Gleichung geschätzt: 62:

Dabei ist \(\pi\) die osmotische Saugkraft des Bodens (kPa) beim durchschnittlichen gravimetrischen Wassergehalt (\(\omega_{act}\), %) des Bodens während der Pflanzenwachstumsperiode. \(EC_{meas}\) ist die gemessene elektrische Leitfähigkeit (dS/m) der Extraktion aus dem Wurzelzonenboden bei dem gravimetrischen Referenzwassergehalt (\(\omega_{ref}\), %) mit dem 1:5-Boden /Wasser-Gemisch.

Für die statistische Analyse in dieser Studie wurden das Statistikpaket SPSS 20 (2011), das R-Softwarepaket (Version 4.0.3) und die Software Canoco 5.0 verwendet. Statistische Unterschiede zwischen Daten aus verschiedenen Bodenbedingungen wurden mit einer einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) unter Verwendung des Statistikpakets SPSS 20 (2011) bewertet. In dieser Analyse wurde der Post-hoc-Tukey-Wert (HSD) verwendet. Korrelationen wurden durch die Korrelationsanalyse von Pearson getestet. Die Ergebnisse wurden als statistisch signifikant angesehen, wenn der p-Wert weniger als 0,05 betrug, was einem Konfidenzintervall von 95 % entspricht. Verschiedene Buchstaben (z. B. a, b und c) wurden verwendet, um die statistische Signifikanz des Unterschieds (p < 0,05) zwischen den Gruppen anzuzeigen. Die Redundanzanalyse (RDA) wurde in Canoco 5.0 implementiert.

Alle in dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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Die Autoren danken für die Forschungsstipendien 51778166 und U20A20320 der National Natural Science Foundation of China. Diese experimentelle Studie entsprach den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen. Die IUCN-Grundsatzerklärung zur Forschung zu vom Aussterben bedrohten Arten und das Übereinkommen über den Handel mit gefährdeten Arten freilebender Tiere und Pflanzen wurden bei dieser Forschung eingehalten.

Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, Universität für Wissenschaft und Technologie Hongkong, Clear Water Bay, Sonderverwaltungszone Hongkong, China

Charles Wang Wai Ng, Yu Chen Wang, Jun Jun Ni und Pui San So

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CWWN, Konzeptualisierung, Methodik, Supervision. YCW, Untersuchung, Ressourcen, Schreiben – Originalentwurf, Visualisierung. JJN, Validierung, Schreiben, Überprüfen und Bearbeiten, Visualisierung. PSS, Validierung, Schreiben, Überprüfen und Bearbeiten.

Korrespondenz mit Yu Chen Wang oder Jun Jun Ni.

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die den Anschein erwecken könnten, dass sie die in diesem Artikel beschriebene Arbeit beeinflusst hätten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ng, CWW, Wang, YC, Ni, JJ et al. Auswirkungen von phosphormodifizierter Pflanzenkohle als Bodenverbesserungsmittel auf das Wachstum und die Qualität von Pseudostellaria heterophylla. Sci Rep 12, 7268 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11170-3

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Eingegangen: 29. November 2021

Angenommen: 18. April 2022

Veröffentlicht: 04. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11170-3

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