Auswirkungen der Anwendung von Reisschalen-Biokohle und Kalkstein auf die Cadmiumanreicherung in Weizen unter Gewächshaus- und Feldbedingungen

Aug 11, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21929 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Cadmium (Cd) stellt eine ernsthafte Bedrohung für die sichere Produktion von Nahrungsmittelpflanzen dar. Passivatorzusätze werden üblicherweise verwendet, um die Cd-Verfügbarkeit im Boden zu kontrollieren. Dennoch werden nur wenige Studien getestet, um die Wirkung der Kombination verschiedener Änderungen zu untersuchen. Hier untersuchten wir die Auswirkungen verschiedener Zusätze (2 % Reisschalen-Biokohle, 2 % Kalkstein und 1 % Reisschalen-Biokohle + 1 % Kalkstein) auf das Wachstum und die Cd-Anreicherung von Weizen in Topf- und Feldversuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass unter der Bedingung mit niedrigem Cd-Gehalt im Boden der maximale Anstieg des Boden-pH-Werts (1,83) bei der Kalksteinbehandlung im Vergleich zum CK-im-Topf-Experiment festgestellt wurde. Im Vergleich zur CK verringerte die Behandlung mit Reisschalen-Biokohle die Cd-Verfügbarkeit im Boden und den Cd-Gehalt im Getreide um etwa 25 % bzw. 31,2 %. Im Gegensatz dazu wurde unter Bedingungen mit hohem Cd-Gehalt im Boden der höchste pH-Wert des Bodens in Kalkstein beobachtet, während die niedrigste Cd-Verfügbarkeit im Boden und die niedrigsten Cd-Konzentrationen im Getreide bei der Behandlung mit Reisschalen-Biokohle festgestellt wurden. Im Feldversuch führte die Behandlung mit 1 % Reisschalen-Biokohle + 1 % Kalkstein zu einem signifikanten Anstieg des Boden-pH-Werts um etwa 28,2 %, während die Behandlung mit 2 % Reisschalen-Biokohle die Cd-Verfügbarkeit im Boden und den Cd-Gehalt im Getreide um etwa 38,9 % verringerte. und 38,5 % im Vergleich zum CK. Daher zeigte Biokohle aus Reisschalen ein großes Potenzial zur Reduzierung der Cd-Verfügbarkeit und zur Gewährleistung einer sicheren Lebensmittelproduktion.

Cadmium (Cd) ist eines der giftigsten Spurenelemente für das Ökosystem und den Menschen. Die Cd-Kontamination von Böden lässt sich oft nur schwer direkt beurteilen oder visuell wahrnehmen, was sie zu einer versteckten Gefahr für die sichere Produktion von Nahrungsmittelpflanzen macht. Im Jahr 2014 löste die Veröffentlichung des Berichts über die landesweite allgemeine Untersuchung der Bodenkontamination durch chinesische Beamte bei uns allen Alarm aus. Der Bericht zeigte, dass 16,1 % des Ackerlandes über dem Standard für Schwermetall-Bodenkontamination lagen und 7 % davon in China durch Cd verunreinigt waren. Auch in vielen anderen Ländern traten Bodenverunreinigungen mit Schwermetallen und vor allem Cd auf1. Dieses überschüssige Cd im Ackerboden kann durch den Verzehr landwirtschaftlicher Produkte leicht in die Kulturpflanzen übergehen und die menschliche Gesundheit gefährden.

Weizen ist eine der wichtigsten Nahrungspflanzen der Welt und mit Cd verunreinigte Weizenkörner sind weltweit zu einem wichtigen Problem geworden1. Die meisten früheren Berichte deuteten darauf hin, dass Weizen Cd leicht aus dem Boden aufnehmen kann. Durch die Zaid2-Sammlung werden in der Region jedes Jahr mindestens 150.000 kg Weizen mit einem Cd-Gehalt um das 1,7- bis 12,8-Fache produziert, der die nationalen Lebensmittelstandards weit übersteigt. Xing et al.3 zeigten, dass die Getreidekonzentrationen aller 25 Sorten für Cd den Standard für den Verzehr übertrafen. Während der Weizen Toleranzmechanismen entwickelte, um die schädliche Wirkung von Cd-Stress zu mildern, reichte dies für die Lebensmittelsicherheit nicht aus4. Es bedarf weiterer Maßnahmen zur Sanierung kontaminierter Böden, um die sichere Produktion von Weizenkörnern zu gewährleisten.

Zur Sanierung von Cd-kontaminiertem Boden wurden verschiedene Strategien eingesetzt, um die Cd-Aufnahme durch Nutzpflanzen zu verringern, beispielsweise chemische, physikalische und biologische Sanierungstechniken5. Chemische Methoden wurden im Vergleich zu anderen Techniken als potenzielle Lösung für die Sanierung von mit Cd verunreinigten Böden identifiziert, da die Sanierungskosten niedrig sind und das Pflanzenwachstum kaum beeinträchtigt wird. Die Vorteile der chemischen Methoden durch die Anwendung organischer und anorganischer Zusätze wurden bei der Sanierung von Böden umfassend nachgewiesen6. Unter diesen Zusatzstoffen ist Kalkstein kostengünstig und wirksam, um den Säuregehalt des Bodens zu verbessern, Cd wirksam im Boden zu immobilisieren7 und so die Cd-Aufnahme in Pflanzen zu verringern5. Zhou et al.5 fanden beispielsweise heraus, dass die Anwendung von Kalkstein die Cd-Anreicherung von Weizenkörnern aufgrund des erhöhten pH-Werts des Bodens und der geringeren Cd-Verfügbarkeit deutlich verringerte. Darüber hinaus ist mit dem vorgeschlagenen Konzept der „Kohlenstoffsequestrierung“ die Anwendung von Pflanzenkohle zwangsläufig ein heißes Thema in Cd-verschmutzten Böden geworden, da sie die Kohlenstoffsequestrierung, die Nutzung landwirtschaftlicher Abfälle und die Gewährleistung der Sicherheit des Verbrauchs landwirtschaftlicher Produkte ermöglicht. Insbesondere Reisschalen-Biokohle wird als organische Ergänzung hauptsächlich zur Förderung des Pflanzenwachstums8,9,10 und zur Entfernung von Metallen aus kontaminierten Böden eingesetzt, da sie sich durch hohe Quellen (FAO), einen höheren Siliziumgehalt usw. auszeichnet höherer Aschegehalt11. Laut der Online-Datenbank der FAO belief sich die gesamte Reisproduktion im Jahr 2008 auf etwa 623 Millionen Tonnen, wovon etwa 125 Millionen Tonnen auf Reisschalen in Asien entfielen. Haefele et al.12 berichteten, dass der Einsatz von Reisschalen-Biokohle den Weizenertrag steigerte. Die Anwendung von Reisschalen-Biokohle in einer Menge von 3–12 t/ha führte zu einem Anstieg des pH-Werts des Bodens in der Regel um 1–2 Einheiten (Oladele et al.13) und zu einer verringerten Cd-Anreicherung im Weizen (Zheng et al.14). Es wurde festgestellt, dass eine Kombination aus Pflanzenkohle und Kalkstein die Schwermetallverfügbarkeit im Boden wirksamer immobilisiert. Wang et al.15 zeigten, dass die stärkste Reduzierung des DTPA-extrahierbaren Cd im Boden im ersten Jahr bei der Anwendung einer Kombination aus Pflanzenkohle und Kalkstein beobachtet wurde. In einem Topfexperiment haben Rehman et al. fanden heraus, dass die größte Reduzierung von Cd in Weizenkörnern bei der Behandlung mit Kalkstein und Pflanzenkohle beobachtet wurde16. Mehrere andere Studien zeigten auch, dass die kombinierte Anwendung von Änderungen wirksamer war, um die Cd-Verschmutzung des Bodens in Kulturen wie Reis16 und Weizen16,17 zu mildern. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass unangemessene Anwendungsänderungen negative Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften haben könnten. Die langfristige Anwendung von Kalkstein führt zu einer Verhärtung18 und einem erhöhten Verlust an mineralischen Nährstoffen im Boden19,20. Und einige Pflanzenkohle wirkte sich weniger positiv auf den pH-Wert des Bodens aus, sodass schwach alkalische Pflanzenkohle für die Anwendung auf alkalischen Böden im Vergleich zu sauren Böden möglicherweise am besten geeignet ist21,22.

Insgesamt zielen nur wenige Feldstudien darauf ab, die Wirkung der kombinierten Anwendung von Zusatzstoffen auf die Verringerung der Metallaufnahme in Weizen23,24 zu bewerten, insbesondere bei der Anwendung von Pflanzenkohle und Kalkstein25. Obwohl mehrere Studien durchgeführt wurden, um die Cd-Aufnahme in Weizen mit Topfversuchen zu bewerten26,27, wird auf dem Feld, wo es mehr unkontrollierbare Umweltfaktoren gibt, nur sehr wenig untersucht25,28,29. Daher sind weitere Feldstudien und die kombinierte Anwendung von Änderungen erforderlich, um den sicheren Verzehr landwirtschaftlicher Produkte in Cd-kontaminierten Böden zu erreichen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie auf Reisschalen-Biokohle und Kalkstein bei gleicher Ausbringungsrate basierte. Es wurden Topf- und Feldexperimente durchgeführt, um die Wirksamkeit von Reisschalen-Biokohle und Kalkstein allein oder in Kombination zu untersuchen, um die Cd-Verfügbarkeit im Boden und seine Aufnahme in den Boden zu verringern Weizenkörner, um die geeignete Ergänzung zu untersuchen und wichtige Datenreferenzen für die sichere Nutzung von Cd-kontaminiertem Boden mit kombinierten Verbesserungsmitteln bereitzustellen.

Es wurde ein Topfexperiment durchgeführt, um die Auswirkungen verschiedener Behandlungen auf die Anreicherung von Cd in Weizen unter unterschiedlich stark mit Cd belasteten Böden (niedrig und stark) zu untersuchen. Außerdem wurde ein Feldversuch durchgeführt, um die Cd-Anreicherung in Weizen in einem mit Cd kontaminierten Boden zu untersuchen.

Der Boden des Topfexperiments wurde auf einem Ackerland in Jiaxin, Provinz Zhejiang, gesammelt. Der Boden wurde luftgetrocknet und gemahlen, sodass er durch ein 2-mm-Sieb passte. Dem luftgetrockneten Boden wurden zwei Konzentrationen Cd, 3CdSO4·8H2O (GR-Qualität), zugesetzt, und zwar 0,5 mg/kg (geringer Cd-Gehalt) und 1 mg/kg (hoher Cd-Gehalt). Die Mischung wurde homogen gemischt und bei Feldkapazität mit entionisiertem Wasser 3 Monate lang feucht gehalten. Das Gesamt-Cd und das verfügbare Cd im Boden betrugen 0,58 mg/kg, 0,15 mg/kg bzw. 1,35 mg/kg, 0,48 mg/kg. Das Feldexperiment wurde in einem mit Cd kontaminierten Boden auf dem Ackerland der Stadt Wenzhou, Provinz Zhejiang, China, durchgeführt. Die grundlegenden Eigenschaften der Böden sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die in den Experimenten verwendete Reisschalen-Biokohle und der Kalkstein wurden von der Jusanjiao Production Company, China, gekauft. Die Reisschalen-Biokohle wurde aus Reisschalenpulver durch Pyrolyse bei 500 °C hergestellt und anschließend durch ein 0,25-mm-Sieb zerkleinert.

Die Eigenschaften von Reisschalen-Biokohle und Kalkstein sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der pH-Wert von Reisschalen-Biokohle und Kalkstein wurde anhand des Bodens bestimmt (1:20, w/v, Gewichts-zu-Wasser-Verhältnis). Der Gesamtgehalt an Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff wurde mit einem Elementaranalysator (Elementar, Deutschland) gemessen. Die Alkalität der Pflanzenkohle wurde mit einer Rücktitrationsmethode bestimmt.

In einem Gewächshaus der Zhejiang A & F University wurde ein Topfexperiment durchgeführt. Aussaat im Dezember 2019 bis zur Ernte im Mai 2020, insgesamt sechs Monate. Das Experiment bestand aus vier Behandlungen, nämlich der Kontrolle (keine Änderungszugabe, CK), 2 % Reisschalen-Biokohle (R), 2 % Kalkstein (L) und 1 % Reisschalen-Biokohle + 1 % Kalkstein (RL) mit 3 Wiederholungen jeder Behandlung. Zusätze wurden mit 2,5 kg Erde mit 2,5 g Harnstoff und 2,5 g Kaliumdihydrogenphosphat pro Topf gründlich vermischt. Die Bodenfeuchtigkeit wurde mit entionisiertem Wasser auf etwa 70 % der Feldkapazität gehalten, indem die Töpfe jeden zweiten Tag gewogen wurden. Pro Topf wurden sechs Weizensämlinge (Mianyou-1) ausgesät und auf drei Sämlinge ausgedünnt30.

Der Feldversuch begann im Dezember 2019 in Wenzhou, Provinz Zhejiang, China, und die Ernte erfolgte im Mai 2020. Vier Behandlungen (Kontrolle, 2 % Reisschalen-Biokohle, 2 % Kalkstein und 1 % Reisschalen-Biokohle + 1 % Kalkstein) wurden jeweils durchgeführt Die Behandlung wurde dreifach wiederholt. Die Grundstücksgröße betrug 3 m Länge x 1 m Breite. Weizenkornsamen wurden in 15 Reihen mit 20-cm-Linienverteilung ausgesät, 10–30 Körner pro Linie. Die tägliche Bewirtschaftung entsprach der konventionellen Feldproduktion.

Pflanzen- und Bodenproben wurden zum Zeitpunkt der Reife gesammelt. Pflanzenproben wurden in Wurzeln, Stängel, Schwertblätter, andere Blätter, Weizenschalen und Körner getrennt. Die Proben wurden mit destilliertem Wasser gewaschen und dann bei 70 °C im Ofen getrocknet, bis ein konstantes Gewicht und Trockengewichte aufgezeichnet wurden, bevor sie zur Analyse gemahlen wurden. Der Boden wurde luftgetrocknet und zur Analyse durch Passieren durch ein 2-mm-Sieb gesiebt.

Der pH-Wert des Bodens wurde mit einem pH-Meter (FE20, Mettler Toledo, China) bestimmt. Der alkalische Hydrolysestickstoff, der verfügbare Phosphor und das verfügbare Kalium wurden mit der Alkalidiffusionsmethode, der Olsen-Methode bzw. der Ammoniumacetat-Extraktionsflammenphotometrie-Methode gemessen. Das im Boden verfügbare Cd und der gesamte Cd-Gehalt im Boden wurden durch 0,1 mol/L HCl-Extraktion bzw. HF-HClO4-HNO3-Aufschluss bestimmt. Pflanzenproben wurden mit HNO3 aufgeschlossen. Cd in den Lösungen wurde mit ICP-OES (Optima 7000DV, Perkin Elmer Co. USA) untersucht.

Alle statistischen Analysen und Datenkartierungen wurden mit SPSS 26.0 und ORIGIN 2021 durchgeführt.

Wie in Tabelle 2 gezeigt, erhöhten alle Behandlungen im Vergleich zu CK den pH-Wert des Bodens, obwohl der Grad des Einflusses unterschiedlich war. Die Behandlungen mit L und RL erhöhten den pH-Wert im Boden signifikant um 34,6 % bzw. 32,1 % im Vergleich zu CK in Böden mit niedrigem Cd-Gehalt. Die Ergebnisse des Bodens mit hohem Cd-Gehalt waren denen des Bodens mit niedrigem Cd-Gehalt ähnlich, der pH-Wert des Bodens war unter L und RL im Vergleich zu CK deutlich um 19,3 % bzw. 20,4 % erhöht. Die Verfügbarkeit von Boden-Cd nahm deutlich ab (P < 0,05), wenn Zusätze sowohl in Böden mit niedrigem Cd-Gehalt als auch in Böden mit hohem Cd-Gehalt im Vergleich zu CK verwendet wurden, mit Ausnahme von L im Boden mit niedrigem Cd-Gehalt. Der stärkste Rückgang der Verfügbarkeit von Boden-Cd wurde bei R beobachtet, der bei Böden mit niedrigem Cd-Gehalt bzw. Boden mit hohem Cd-Gehalt etwa 25 % bzw. 12,5 % betrug. Die Verfügbarkeit von Cd im Boden wurde durch Änderungen in der folgenden Reihenfolge R > RL > L > CK verringert. Insgesamt war der Wirkungstrend der Änderungen bei verschiedenen Graden der Cd-Belastung des Bodens grundsätzlich gleich.

Im Allgemeinen wurde das Pflanzenwachstum von Weizen durch eine Behandlung mit hohem Cd-Gehalt im Vergleich zu einer Behandlung mit niedrigem Cd-Gehalt gehemmt und durch Änderungsbehandlungen beeinträchtigt (Tabelle 3). Mit Ausnahme von L steigerten die anderen Behandlungen die oberirdische Pflanzenbiomasse und den Getreideertrag im Vergleich zur Kontrolle. Den höchsten Anstieg der oberirdischen Biomasse und des Kornertrags von Weizen erzielte R, der im Vergleich zu CK in Böden mit niedrigem Cd- und hohem Cd-Gehalt um etwa 25,6 % bzw. 13,9 % bzw. 34,0 % bzw. 24,6 % höher war. Die Wurzelbiomasse von Weizen wurde durch Änderungsbehandlungen in der folgenden Reihenfolge R > RL > L > CK in Böden mit niedrigem Cd-Gehalt erhöht. Im Gegensatz dazu zeigte die Wurzelbiomasse in Böden mit hohem Cd-Gehalt einen abnehmenden Trend durch die Kalkung (L- und RL-Behandlungen) und wurde durch R nicht beeinflusst. Die Anwendung von Reisschalen-Biokohle (R- und RL-Behandlungen) zeigte eine deutliche Verbesserung im oberirdischen Bereich Biomasse und Kornertrag von Weizen unabhängig vom Cd-Gehalt im Boden.

Die Cd-Konzentrationen in Weizen wurden unter verschiedenen Behandlungen als Wurzeln > andere Blätter > Stängel und Hüllen > Schwertblätter > Körner > Hüllspelzen beobachtet (Abb. 1). Die Cd-Konzentrationen in verschiedenen Pflanzenteilen wurden durch Ergänzungsbehandlungen in Böden mit niedrigem Cd-Gehalt stark reduziert. Die Cd-Konzentrationen in Wurzeln, anderen Blättern, Stängeln und Hüllen, Schwertblättern, Körnern und Hüllspelzen wurden durch die R-Behandlung im Vergleich zur Kontrolle um 58,4 %, 61,7 %, 19,7 %, 53,8 %, 47,6 % bzw. 40,4 % verringert im Boden mit niedrigem Cd-Gehalt. In ähnlicher Weise sanken bei den L- und RL-Behandlungen die Cd-Konzentrationen um 79,6, 49,4, 41,0, 48,6, 38,1 und 4,5 %; 26,5, 46,7, 28,1, 46,2, 23,85 und 21,1 %. Im Boden mit hohem Cd-Gehalt wurden die Cd-Konzentrationen in Wurzeln, anderen Blättern, Schwertblättern, Körnern und Hüllspelzen durch die R-Behandlung um 31,5 %, 32,5 %, 28,2 %, 5 % bzw. 17,6 % im Vergleich zur Kontrolle verringert . In Böden mit hohem Cd-Gehalt war die Cd-Anreicherung in Weizenkörnern 2,1- bis 4,7-mal höher als in Böden mit niedrigem Cd-Gehalt, was weit über dem Standard der Weizensicherheitsproduktion lag. Kurz gesagt, die R-Behandlung zeigte eine deutliche Abnahme der Cd-Verfügbarkeit des Bodens und des Cd-Gehalts der Körner, unabhängig vom Cd-Gehalt des Bodens.

Einfluss von Reisschalen-Biokohle und/oder Kalkstein auf den Cd-Gehalt in verschiedenen Weizenorganen (mg/kg). Mit unterschiedlichen Buchstaben versehene Werte weisen auf einen signifikanten Unterschied bei P < 0,05 hin, bestimmt durch Duncan. Zu den Behandlungen gehören CK: keine Ergänzung, R: 2 % Reisschalen-Biokohle, L: 2 % Kalkstein und RL: 1 % Reisschalen-Biokohle + 1 % Kalkstein.

Der pH-Wert des Bodens war mit den Bodenverbesserungen im Vergleich zur Kontrolle signifikant erhöht (P < 0,05) (Tabelle 4). Der stärkste Anstieg des pH-Werts wurde bei RL beobachtet, der im Vergleich zur Kontrolle etwa 1,39 Einheiten betrug. Allerdings war R am wirksamsten bei der Reduzierung des verfügbaren Cd-Gehalts im Boden, der im Vergleich zu CK etwa 38,9 % betrug. In ähnlicher Weise zeigte R auch die größte Abnahme des Cd-Gehalts im Korn, der etwa 38,5 % niedriger war als CK.

Beobachtete die Entdeckung verschiedener Trendlinien (Abb. 2), unter verschiedenen experimentellen Modi, der pH-Wert des Bodens folgte den Regeln von L > RL > R > CK unter Änderungen. Im Feldversuch gab es jedoch keinen signifikanten Unterschied zwischen L und RL. Die verfügbaren Cd-Konzentrationen im Boden waren bei zwei Experimenten unter unterschiedlichen Behandlungen ähnlich, was sich in der Reihenfolge R > RL > L > CK zeigte. Vergleichsergebnisse legen nahe, dass R unter allen experimentellen Bedingungen eine relativ hohe Cd-Entfernungseffizienz aufweisen könnte.

Dynamische Änderungen des Boden-pH-Werts und der verfügbaren Cd-Konzentration, beeinflusst durch verschiedene Behandlungen. Zu den Behandlungen gehören CK: keine Ergänzung, R: 2 % Reisschalen-Biokohle, L: 2 % Kalkstein und RL: 1 % Reisschalen-Biokohle + 1 % Kalkstein.

Die einmalige oder kombinierte Anwendung von Zusatzstoffen auf Cd-belasteten Böden wird seit langem auf ihre Auswirkungen auf die Verringerung der Cd-Aufnahme der Pflanzen untersucht. Zahlreiche Studien haben berichtet, dass die Aufnahme von Cd in der Pflanze maßgeblich von der Bioverfügbarkeit von Cd im Boden abhängt, während die Bioverfügbarkeit von Cd durch den pH-Wert des Bodens, Niederschlag, Absorption und Komplexierung gesteuert wird. In dieser Studie wurde gezeigt, dass alle Änderungsbehandlungen den Cd-Gehalt in Körnern verringerten, obwohl der Grad des Einflusses unterschiedlich war. Der niedrigste Cd-Gehalt in Körnern wurde bei der Behandlung mit Reisschalen-Biokohle beobachtet, ein Rückgang um 47,65 % bzw. 38,5 % im Vergleich zu CK im Boden mit niedrigem Cd-Gehalt und auf dem Feld. Dies stand im Einklang mit seinen Auswirkungen auf die Cd-Verfügbarkeit im Boden. Die geringste Bodenverfügbarkeit von Cd wurde bei der Behandlung mit Reisschalen-Biokohle beobachtet, mit einer Abnahme von 25 %, 12,5 % und 38,9 % im Vergleich zu CK in Experimenten mit niedrigem Cd, hohem Cd und Feldversuchen. Viele Forscher haben ebenfalls über ähnliche Ergebnisse berichtet. In einer Studie mit Eichensämlingen berichteten Amirahmadi et al.27, dass Änderungen an Reisschalen-Biokohle die Bioverfügbarkeit von Cd verringerten, was bei Änderungsraten von 3 % und 5 % am signifikantesten war. Die verminderte Bioverfügbarkeit von Cd im Boden wurde auf komplexe Mechanismen zurückgeführt, wie z. B. Ausfällung mit Mineralien, Kationenaustausch und Komplexierung23,24,25,26,31. Eine hohe Anzahl funktioneller Gruppen, pH-Wert und Porosität der Biokohle aus Reisschalen dienen als Adsorptionsmittel für Metalle oder als Fällungsmittel. Bushra28 schlug vor, dass die Biokohle die aromatische funktionelle Gruppe und die Hydroxylgruppe enthält, die mit dem Kation-Π interagieren und die Adsorption von Metallkationen erleichtern29,32. Rehman et al.33 fanden heraus, dass die niedrigste Cd-Konzentration in Weizenkörnern durch die Anwendung von Reisschalen-Biokohle (96,5 % im Vergleich zu CK) mit einer Rate von 2 % erreicht wurde. Sie berichteten auch über eine Steigerung des Wachstums und der Biomasseproduktion nach der Anwendung von Pflanzenkohle und der Effekt wurde auf die Verbesserung der Ernährungsbedingungen der Pflanzen und der Metallbindungseigenschaften der Pflanzenkohle zurückgeführt34,35,36. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Silizium den Stress durch Schwermetalle lindert, hauptsächlich durch die Bildung von Metall-Silikat-Komplexen durch Adsorption4,37,38,39,40. Somit könnte auch das Silizium in Reisschalen-Biokohle eine wichtige Rolle spielen4,41. Bemerkenswert ist, dass in unserer Studie der stärkste Anstieg des Boden-pH-Werts durch Kalkstein erzielt wurde, der etwa 34,6 %, 19,3 % und 27,6 % im Vergleich zur Kontrolle bei den Experimenten mit niedrigem Cd, hohem Cd und Feldversuchen betrug. Zahlreiche Studien zu Kalkstein zeigten eine signifikante Verbesserung des pH-Werts des Bodens42,43,44. Kalkmaterialien könnten dem Boden Ca2+- oder Mg2+-Kationen zuführen, um den Säuregehalt des Bodens zu neutralisieren 45. Obwohl der pH-Wert des Bodens durch die Anwendung von Kalkstein deutlich verbessert wurde, war die Auswirkung auf den Cd-Gehalt in Weizenkörnern unregelmäßig. Dieses Phänomen könnte auf viele unkontrollierte Faktoren zurückzuführen sein, die die Auswirkungen von Kalk im Boden begrenzen konnten45,46,47. Dass Kalkstein die Cd-Aktivität im Boden verringert, könnte größtenteils auf seine Wirkung auf die Erhöhung des pH-Werts des Bodens zurückzuführen sein. Im Gegensatz dazu kann neben der Erhöhung des pH-Werts des Bodens die reichhaltige Funktion (z. B. Kationenaustausch, Komplexierung, Porosität von Biokohle und Silikat40) von Reisschalen-Biokohle einer der Gründe für die deutliche Verringerung der Bioverfügbarkeit von Cd im Vergleich zu Kalkstein sein. Darüber hinaus wiesen Ramtahal et al.48 darauf hin, dass die Anwendung von Kalk einen Zinkmangel (Zn) hervorrufen könnte, was zu einer erhöhten Cd-Aufnahme in Böden mit hohem pH-Wert führt. In einer früheren Studie von Fageria49 nahm das extrahierbare Zn mit zunehmender Kalkrate ab und die Verfügbarkeit von Zn verringerte sich mit jedem Anstieg des pH-Werts um das Hundertfache. Darüber hinaus ist Zn ein unverzichtbares essentielles Metall und Mikronährstoff, der das Pflanzenwachstum direkt fördert50. In einer Studie von Adrees et al.51 sank der bioverfügbare Cd-Gehalt im Boden mit steigenden Zinkoxid-Nanopartikelmengen, während der Weizenertrag stieg. In unseren Experimenten führte die Kalkung (L- und RL-Behandlung) zwar zu einem starken Anstieg des pH-Werts des Bodens und im Topfexperiment sogar zu einem pH-Wert von über 7,0, es gab jedoch keinen signifikanten Unterschied im verfügbaren Cd im Boden im Vergleich zu CK. Darüber hinaus führte der Einsatz von 2 % Kalkstein zu einem deutlichen Rückgang der Weizenbiomasse. Wir schließen daraus, dass der Grund für die unbedeutende Wirkung der Kalksteinbehandlung auf die Reduzierung des verfügbaren Cd im Boden und die geringere Wirkung auf die Reduzierung von Cd in den Körnern teilweise auf einem Zinkmangel im Boden liegen könnte, der durch den Überschuss an Kalkstein verursacht wird. Die Wirkung von 1 % Reisschalen-Biokohle + 1 % Kalkstein war ähnlich wie die von 2 % Kalkstein, aber weniger wirksam als die von 2 % Reisschalen-Biokohle. Im Gegensatz dazu war die pH-Änderung des Bodens in Reisexperimenten ähnlich wie in unseren Experimenten, der Cd-Gehalt von Reiskörnern wurde durch die kombinierte Anwendung von Pflanzenkohle und Kalkstein am stärksten gesenkt17,52. Der pH-Wert des Bodens stieg mit L2 (1,2 % Kalk) im Vergleich zu RBL1 (2,5 % Reisstroh-Biokohle + 0,6 % Kalkstein) in einem Topfexperiment weniger an52. In einem anderen Reistopf-Experiment wurde der pH-Wert des Bodens bei beiden Behandlungen ähnlich verändert, wenn die Menge an Rapsstroh-Biokohle gleich war (12 g/kg) und der Unterschied zwischen Kalksteinen verdoppelt wurde (0,3 g/kg, 0,6 g/kg)17 . Die unterschiedlichen Ergebnisse von Weizen- und Reisexperimenten können auf unterschiedliche Bodenwasserbedingungen und das Verhältnis von Pflanzenkohle und Kalkstein zurückzuführen sein.

Durch die Anwendung von 2 % Kalkstein im Boden mit niedrigem Cd-Gehalt kam es im Vergleich zu CK zu einem signifikanten Rückgang des Weizenkornertrags (Tabelle 3). Es wurde auch berichtet, dass die Weizenkornerträge durch eine hohe Ausbringungsrate von Kalkstein (mit einer Rate von 2 %) im Vergleich zu den niedrigeren Mengen (mit einer Rate von 0,5 % und 1 %) deutlich reduziert wurden, Zhou9. Hinweise aus mehreren Studien deuten darauf hin, dass die Zugabe erheblicher Mengen Kalkstein die biologische Verfügbarkeit und Nutzung ionischer Stoffe (wie Mg, K und P) beeinträchtigen und zu einem geringeren Ernteertrag führen kann45. Daher würde die hohe Anwendungsrate von Änderungen zu Ertragseinbußen bei der Ernte führen. Weitere Studien sind erforderlich, um die Anwendung von Änderungen zur Verringerung negativer Auswirkungen auf das Boden-Pflanzen-Ökosystem5 zu verbessern.

Pflanzenkohle kann die Bodenproduktivität verbessern. Die höchste Steigerung der Gesamtbiomasse und des Kornertrags von Weizen wurde durch Reisschalen-Biokohle in Böden mit niedrigem Cd-Gehalt erzielt, die im Vergleich zum CK um etwa 25,6 % bzw. 34,0 % höher war (Tabelle 3). Biokohle-Änderungen könnten den Ernteertrag verbessern, indem sie als direkte Nährstoffquelle fungieren und den pH-Wert des Bodens, den CEC, die Oberflächeninteraktionen usw. verbessern53,54. In einem Topfexperiment mit Weizen55 wurde der Gehalt an organischer Substanz im Boden durch die Anwendung von Reisschalen-Biokohle effektiver erhöht als durch die Anwendung von Reisstroh oder Reisschalen, da organisches Kohlenstoff in der Reisschalen-Biokohle widerspenstig ist.56,57 Reisschalen-Biokohle liefert Bodennährstoffe, insbesondere einige Primärnährstoffe Makroelemente (et. Kalium) und erhöhen die Fruchtbarkeit des Bodens, um den Ernteertrag zu steigern. Darüber hinaus ist es erwähnenswert, dass Reisschalen-Biokohle die reichste Si-Quelle ist, die durch Pyrolyse die Löslichkeit von Si58 erhöhen und das Pflanzenwachstum fördern kann40.

Insgesamt ergab diese Studie, dass die Wirkung von Reisschalen-Biokohle auf das Pflanzenwachstum und die Cd-Anreicherung von Weizen bei gleicher Anwendungsmenge besser war als bei Kalkstein und Reisschalen-Biokohle + Kalkstein. Im Ergebnis war die allgemeine Wirkung von 2 % Reisschalen-Pflanzenkohle am besten und für den Einsatz in der Feldproduktion förderlich.

Die Anwendung der Änderungen wirkte sich positiv auf den untersuchten Weizen und die Böden aus. Der maximale Anstieg des pH-Werts des Bodens wurde durch Kalkstein erzielt, der im Vergleich zur Kontrolle etwa 35,3 % höher war. Reisschalen-Biokohle war am wirksamsten bei der Steigerung des Weizenkornertrags und der Verringerung des Cd-Gehalts im Korn, der um 25,6 % zunahm bzw. um 34,0 % abnahm. Die Wirkung der kombinierten Anwendung von Änderungen war wahrscheinlich aufgrund des nicht optimalen Verhältnisses von Biachar und Kalkstein geringer. Zukünftige Arbeiten sind erforderlich, um den Adsorptionsmechanismus von Cd durch Reisschalen-Biokohle und den optimalen Anteil kombinierter Zusätze zu untersuchen.

Alle Methoden wurden gemäß den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Die Rohdaten, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde finanziell vom Key Research and Development Project der Wissenschafts- und Technologieabteilung der Provinz Zhejiang (2022C02022) unterstützt.

Staatliches Schlüssellabor für subtropischen Waldbau, Zhejiang A&F University, Hangzhou, 311300, Zhejiang, China

Zehui Niu, Jiayan Ma und Zhaokun Xue

Schlüssellabor für Bodenkontaminations-Bioremediation der Provinz Zhejiang, Zhejiang A&F University, Hangzhou, 311300, Zhejiang, China

Zehui Niu, Jiayan Ma, Xianzhi Fang, Zhaokun Xue und Zhengqian Ye

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Der Artikel ist von allen Autoren zur Veröffentlichung freigegeben. ZN verfasste den Haupttext des Manuskripts und bereitete die Tabellen 1, 2, 3 und 4 vor. JM wurde experimentell getestet. Andere waren für die Überarbeitung des Artikels verantwortlich.

Korrespondenz mit Zhengqian Ye.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Niu, Z., Ma, J., Fang, X. et al. Auswirkungen der Anwendung von Reisschalen-Biokohle und Kalkstein auf die Cadmiumanreicherung in Weizen unter Gewächshaus- und Feldbedingungen. Sci Rep 12, 21929 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25927-3

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Eingegangen: 01. August 2022

Angenommen: 07. Dezember 2022

Veröffentlicht: 19. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25927-3

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