인의 영향

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7268(2022) 이 기사 인용

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농업 토양의 인(P) 결핍은 전 세계적으로 우려되는 문제입니다. 폐기물과 잔류물의 열분해로 생산되는 일반적인 토양 개량제인 바이오 숯의 인 변형은 인 가용성을 높이고 토양의 질을 향상시킬 수 있습니다. 본 연구는 토양 개량제로서 P-변형 바이오 숯이 약용 식물(Pseudostellaria heterophylla)의 성장과 품질에 미치는 영향을 조사하는 것을 목표로 합니다. P. heterophylla는 P 변형 및 변형되지 않은 바이오 숯(땅콩 껍질)을 0, 3% 및 5%(질량 기준)의 투여량으로 수정한 라테라이트 토양에서 4개월 동안 재배되었습니다. 변형되지 않은 바이오 숯과 비교하여, P-수정된 바이오 숯은 토양에서 이용 가능한 중금속 Cd를 최대 73.0%까지 감소시켰고 뿌리 영역의 삼투압 흡입을 최대 49.3%까지 감소시켰습니다. 3%와 5%의 P 변형 바이오 숯 적용은 P. heterophylla의 괴경 수확량을 각각 68.6%와 136.0%까지 크게 촉진했습니다. 이는 변형되지 않은 바이오 숯 처리에서 덩이줄기 생산량이 3% 투여량에서 자극되었지만 5% 투여량에서는 억제된 것과는 달랐습니다. 덩이줄기의 활성 성분(즉, 다당류, 사포닌)의 농도는 대조구에 비해 P-개질 바이오 숯 개량 하에서 2.9~78.8% 증가하여 덩이줄기 품질이 더 우수함을 나타냅니다. 이 연구에서는 P. heterophylla의 수확량과 품질을 향상시키기 위해 5% P-변형 바이오 숯의 적용을 권장했습니다.

인(P)은 광합성과 호흡을 포함한 많은 기본 대사에서 중요한 역할을 하기 때문에 식물 성장과 생산성에 필수적인 요소입니다. 토양에 고정된 인은 알루미늄/철 또는 인산칼슘/마그네슘의 형태로 존재하며 일반적으로 식물이 흡수할 수 없습니다1. 이용 가능한 인은 전세계 경작 가능한 토양의 30~40%에 부족합니다2. 인 비료를 직접 시용하면 침전 형성과 토양 입자에 대한 흡착으로 인해 인 사용 효율이 낮아질 수 있습니다2. 더욱이, 높은 인 비료 사용은 토양 침출, 유출 및 침식을 통한 인 손실 위험을 높여 물 부영양화와 같은 환경 문제를 초래할 수 있습니다3. 따라서 인 손실을 줄이고 토양 인 이용 효율을 높이는 방법에 대한 연구가 필요합니다.

토양 인 보유를 개선하여 인 손실을 줄이기 위해 바이오 숯과 같은 일부 유기 토양 개량제를 사용하는 것이 잠재적인 접근 방식입니다. 바이오차(Biochar)는 제한된 산소 공급으로 바이오매스 폐기물을 고온에서 열분해하여 생산되는 탄소가 풍부한 물질입니다. 경제성과 친환경성으로 많은 주목을 받고 있습니다. Biochar는 높은 수준의 보유 영양소로 인해 토양 비옥도를 향상시킬 수 있습니다4. 한편, 바이오 숯은 큰 비표면적, 증가된 미세 기공 및 산소 함유 작용기를 통해 수분 보유 능력을 향상시키고 잠재적으로 독성이 있는 금속을 고정시킬 수 있습니다3. 따라서 식물의 성장과 작물의 생산성이 향상될 수 있다. 바이오 숯의 공급원료는 주로 농업이나 산업 분야의 잔류물과 폐기물이었습니다5. 예를 들어, 중국의 땅콩 생산량이 많아 자원 재활용을 위한 땅콩 껍질 바이오 숯의 생산량이 늘어났습니다6. 그러나 땅콩 껍질 바이오 숯 적용의 한계는 총 P 함량이 일반적으로 매우 낮다는 것입니다(< 1%)2. 이는 영양분 함량의 불균형을 초래하여 종자 발아 및 식물 성장을 억제할 수 있습니다7. 따라서, 바이오 숯에서 P 가용성을 향상시키는 것이 필요합니다.

최근 P를 이용한 바이오 숯의 변형은 P 활용 효율과 흡착 성능을 효율적으로 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다3. 이전 연구를 기반으로 P-수정 바이오 숯은 두 가지 주요 방법을 통해 생산되었습니다. 한 가지 유형은 공급원료를 H3PO4 또는 K3PO4 용액에 함침시킨 다음 주어진 온도와 기간에서 열분해하는 것이었습니다3,8. 또 다른 방법은 깨끗한 바이오 숯을 Ca(H2PO4)2∙H2O 또는 KH2PO4 용액과 혼합하여 P9,10,11을 적재하는 것이었습니다. 이후, P-변형 바이오 숯의 물리화학적 특성과 미세구조를 측정하여 변성을 평가하였다. P-O, P-C 그룹과 같은 더 많은 기능성 그룹이 변형 후 바이오차 표면에 생성되었으며, 이는 P3에 의해 로드된 바이오차를 나타냅니다. P 변형 바이오 숯의 다공성 증가는 산화되어 인산염 용액에 담가졌을 때 P를 보유하는 능력이 높아지는 데 기여했습니다. 결과적으로, P 변형 바이오 숯을 토양과 혼합할 때 바이오 숯에 있는 이용 가능한 P가 방출되어 장기적으로 토양 내 인 농도가 더 높아집니다12. Zhang et al.3은 P-변형 바이오 숯이 토양에 Cu와 Cd를 고정시키는 데 더 높은 효율을 가지고 있음을 보여주었습니다. 이는 개질 후 더 높은 양이온 교환 용량(CEC) 및 비표면적에 따라 흡착 능력이 증가했기 때문입니다. Lyu et al.13 및 Tan et al.11은 P-변형 바이오 숯에 의한 정화 시 우라늄(U)의 침출 속도 감소를 지적했습니다. 그러나 이전 연구에서는 물리적, 화학적 특성을 변화시켜 오염된 토양을 복원하는 데 있어 토양 개량제로서 P-개질 바이오 숯의 영향에 주로 초점을 맞췄습니다3,11,13. P-수정 바이오 숯이 약용 식물의 성장과 품질에 미치는 영향은 연구되지 않았습니다.

0.05). Root length density increased under all biochar amendments except 5% unmodified biochar treatment, which showed a reduction of 13.1% compared with control. At 3% biochar dosage, unmodified and P-modified biochar enhanced root length density by 3.3% and 50.5% respectively. Compared with control, the most significant increase of root length density by 61.1% was in the group under 5% P-modified biochar treatment (p < 0.05)./p> 0.05). When the application dosage increased to 5%, the dry biomass of root tuber decreased to 0.079 g/pot. As for P-modified biochar amendment, it was significantly increased by 68.6% and 136.0% at 3% and 5% dosages, respectively, compared with control (p < 0.05). At the 3% and 5% dosages of biochar application, P-modified biochar enhanced the yield (dry biomass) by 16.0% (p > 0.05) and 301.0% (p < 0.05) respectively, compared with unmodified biochar. The similar trends were also observed in fresh biomass./p> 0.425 mm were 7.7%, 48.1% and 44.2% respectively. The production of phosphorus-modified biochar (P-modified biochar) was based on Zhang et al.12. Firstly, 10 g/L potassium phosphate (K3PO4) solution was prepared, which was mixed with the diluted hydrogen peroxide (8% by mass). The mixed solution was added to the crushed and sieved (< 2 mm) biochar according to the mass ratio of 2:1 for about 24 h. Hydrogen peroxide was used in this procedure for oxidization to increase the biochar surface area and the P adsorption. After filtration, the modified biochar was dried in an oven at a temperature of 60 °C for 24 h. After cooling it to room temperature, the modification process was finished. The scanning electron microscope (SEM) results of unmodified and P-modified biochar were present in Fig. 1. It is observed that the increased number of pores in biochar after modification. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to analyze the chemical compositions of unmodified and P-modified biochar and the results are presented in Supplementary Table S2. XPS deconvolutions of N1s, P2p, O1s, C1s were also performed and the results are presented in Supplementary Fig. S1. The surface functional groups of biochar before and after modification were determined by a Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). After baseline correction, the FTIR spectra are shown in Fig. S2./p>

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