Efectos de la aplicación de biocarbón de cáscara de arroz y piedra caliza sobre la acumulación de cadmio en trigo en condiciones de invernadero y de campo

Aug 11, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 21929 (2022) Citar este artículo

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El cadmio (Cd) ha amenazado seriamente la producción segura de cultivos alimentarios. Las enmiendas pasivadoras se usan comúnmente para controlar la disponibilidad de Cd en el suelo. Sin embargo, se prueban pocos estudios para explorar el efecto de la combinación de varias enmiendas. Aquí, investigamos los efectos de diferentes enmiendas (2 % de biocarbón de cáscara de arroz, 2 % de piedra caliza y 1 % de biocarbón de cáscara de arroz + 1 % de piedra caliza) en el crecimiento y la acumulación de Cd del trigo en experimentos de maceta y campo. Los resultados mostraron que bajo la condición de bajo contenido de Cd en el suelo, el aumento máximo del pH del suelo (1,83) se encontró en el tratamiento con piedra caliza en comparación con el experimento con CK en maceta. En comparación con la CK, el tratamiento con biocarbón de cáscara de arroz disminuyó la disponibilidad de Cd en el suelo y el contenido de Cd en el grano en aproximadamente un 25 % y un 31,2 %, respectivamente. Por el contrario, en condiciones de alto contenido de Cd en el suelo, el pH más alto del suelo se observó en la piedra caliza, mientras que la disponibilidad más baja de Cd en el suelo y las concentraciones de Cd en el grano se encontraron en el tratamiento con biocarbón de cáscara de arroz. En el experimento de campo, el tratamiento con biocarbón de cáscara de arroz al 1 % + piedra caliza al 1 % provocó un aumento significativo del pH del suelo en aproximadamente un 28,2 %, mientras que el tratamiento con biocarbón de cáscara de arroz al 2 % redujo la disponibilidad de Cd en el suelo y el contenido de Cd en el grano en aproximadamente un 38,9 %. y 38,5% frente a la CK. Por lo tanto, el biocarbón de cáscara de arroz mostró un gran potencial para reducir la disponibilidad de Cd y garantizar la producción segura de alimentos.

El cadmio (Cd) es uno de los oligoelementos más tóxicos para el ecosistema y los seres humanos. La contaminación de los suelos por Cd suele ser difícil de evaluar directamente o percibir visualmente, lo que la convierte en un peligro oculto para la producción segura de cultivos alimentarios. En 2014, la publicación del Informe sobre la encuesta general nacional sobre la contaminación del suelo realizada por funcionarios de China hizo sonar las alarmas para todos nosotros. El informe mostró que el 16,1 % de las tierras agrícolas superaba el estándar de contaminación del suelo por metales pesados, y el 7 % de las cuales estaba contaminado con Cd en China. La contaminación por metales pesados ​​del suelo y especialmente por Cd también apareció en muchos otros países1. Este exceso de Cd en el suelo de las tierras de cultivo puede migrar fácilmente a los cultivos y amenazar la salud humana a través del consumo de productos agrícolas.

El trigo es uno de los cultivos alimentarios más importantes del mundo y los granos de trigo contaminados con Cd se han convertido en un tema de gran preocupación en todo el mundo1. La mayoría de los informes anteriores indicaron que el trigo puede absorber fácilmente Cd del suelo. A través de la recopilación Zaid2, el área local produce al menos 150 000 kg de trigo con niveles de Cd de 1,7 a 12,8 veces, lo que supera con creces los estándares alimentarios nacionales cada año. Xing et al.3 demostraron que las concentraciones de granos de las 25 variedades para Cd excedieron el estándar de consumo. Si bien el trigo desarrolló mecanismos de tolerancia para aliviar el efecto nocivo del estrés por Cd, no fue suficiente para la seguridad alimentaria4. Se necesitan más medidas para remediar los suelos contaminados para garantizar la producción segura de granos de trigo.

Se han empleado diferentes estrategias para remediar el suelo contaminado con Cd para disminuir la absorción de Cd por parte de los cultivos, como técnicas de remediación químicas, físicas y biológicas5. Los métodos químicos se han identificado como un stock potencial para la remediación de suelos contaminados con Cd en comparación con otras técnicas debido a su bajo costo de remediación y poco impacto en el crecimiento de los cultivos. Los beneficios de los métodos químicos mediante la aplicación de enmiendas orgánicas e inorgánicas han sido ampliamente demostrados en la remediación de suelos6. Entre estas enmiendas, la piedra caliza es barata y efectiva para mejorar la acidez del suelo e inmovilizar efectivamente el Cd en los suelos7 y, por lo tanto, reducir la absorción de Cd en las plantas5. Por ejemplo, Zhou et al.5 encontraron que la aplicación de piedra caliza disminuyó significativamente la acumulación de Cd en el grano de trigo como resultado del aumento del pH del suelo y la disminución de la disponibilidad de Cd. Además, con el concepto de 'secuestro de carbono' propuesto, la aplicación de biochar ha sido inevitablemente un tema candente en suelos contaminados con Cd debido a que logra el secuestro de carbono, utiliza los desechos agrícolas y también garantiza la seguridad del consumo de productos agrícolas. En particular, el biocarbón de cáscara de arroz, como enmienda orgánica, se aplica principalmente para promover el crecimiento de cultivos8,9,10 y para eliminar metales del suelo contaminado como resultado de su caracterización por fuentes altas (FAO), mayor contenido de silicio y mayor contenido de cenizas11. Según la base de datos en línea de la FAO, la producción total de arroz fue de aproximadamente 623 millones de toneladas, de las cuales la cáscara de arroz fue de aproximadamente 125 millones de toneladas en Asia en 2008. Haefele et al.12 informaron que la aplicación de biocarbón de cáscara de arroz aumentó el rendimiento del trigo. La aplicación de biocarbón de cáscara de arroz a razón de 3–12 t/ha resultó en un aumento del pH del suelo, generalmente en 1–2 unidades (Oladele et al.13), y una disminución de la acumulación de Cd en el trigo (Zheng et al.14). Se descubrió que una combinación de biocarbón y piedra caliza era más eficiente para inmovilizar las disponibilidades de metales pesados ​​en el suelo. Wang et al.15 demostraron que la mayor reducción en el suelo DTPA-Cd extraíble en el primer año se observó con la aplicación de biocarbón y piedra caliza combinados. En un experimento con macetas, Rehman et al. encontraron que la mayor reducción de Cd en los granos de trigo se observó en el tratamiento con piedra caliza + biocarbón16. Varios otros estudios también mostraron que la aplicación combinada de enmiendas fue más eficaz para mitigar la contaminación por Cd del suelo en cultivos como el arroz16 y el trigo16,17. Numerosos estudios han informado que las enmiendas de aplicación inadecuadas pueden tener un efecto negativo en las propiedades del suelo. La aplicación a largo plazo de piedra caliza conducirá al endurecimiento18 y al aumento de la pérdida por lixiviación de nutrientes minerales en el suelo19,20. Y algunos biocarbón fueron menos efectivos para el pH del suelo, por lo que el biocarbón débilmente alcalino puede ser mejor para la aplicación en suelos alcalinos en comparación con los ácidos21,22.

En general, pocos estudios de campo tienen como objetivo evaluar el efecto de la aplicación combinada de enmiendas en la disminución de la absorción de metales en el trigo23,24, especialmente aplicando biocarbón y piedra caliza25. Aunque se han realizado varios estudios para evaluar la absorción de Cd en trigo con experimentos en macetas26,27, y muy poco se estudia en el campo donde hay más factores ambientales incontrolables25,28,29. Por lo tanto, se necesitan más estudios de campo y la aplicación combinada de enmiendas para lograr el consumo seguro de productos agrícolas en suelos contaminados con Cd.

En conclusión, este estudio se basó en biocarbón de cáscara de arroz y piedra caliza a la misma tasa de aplicación, se realizaron experimentos en macetas y en el campo para examinar la eficiencia del biocarbón de cáscara de arroz y piedra caliza aplicados solos o en combinación para disminuir la disponibilidad de Cd en el suelo y su absorción en el suelo. granos de trigo, para explorar la enmienda adecuada y ofrecer referencia de datos importantes sobre la utilización segura de suelos contaminados con Cd con mejoradores combinados.

Se realizó un experimento en macetas para investigar los efectos de diferentes tratamientos sobre la acumulación de Cd en el trigo bajo diferentes niveles de Cd (bajo y alto) en suelos contaminados. Y se realizó un experimento de campo para examinar la acumulación de Cd en trigo en un suelo contaminado con Cd.

El suelo del experimento de la maceta se recolectó de una tierra de cultivo en Jiaxin, provincia de Zhejiang. El suelo se secó al aire y se molió para pasar a través de un tamiz de 2 mm. Se agregaron dos niveles de Cd, 3CdSO4·8H2O (grado GR) al suelo secado al aire a 0,5 mg/kg (bajo Cd) y 1 mg/kg (alto Cd). La mezcla se mezcló homogéneamente y se mantuvo húmeda a capacidad de campo con agua desionizada durante 3 meses. El Cd total y el Cd disponible en el suelo fueron 0,58 mg/kg, 0,15 mg/kg y 1,35 mg/kg, 0,48 mg/kg, respectivamente. El experimento de campo se llevó a cabo en un suelo contaminado con Cd en las tierras de cultivo de la ciudad de Wenzhou, provincia de Zhejiang, China. Las propiedades básicas de los suelos se dan en la Tabla 1.

El biocarbón de cáscara de arroz y la piedra caliza utilizados en los experimentos se compraron a Jusanjiao Production Company, China. El biocarbón de cáscara de arroz se hizo a partir de polvo de cáscara de arroz con pirólisis a 500 ℃ y luego se trituró a través de un tamiz de 0,25 mm.

Las propiedades del biocarbón de cáscara de arroz y la piedra caliza se enumeran en la Tabla 1. El pH del biocarbón de cáscara de arroz y la piedra caliza se determinó con referencia al suelo (1:20, p/v, relación peso/agua). Los contenidos totales de hidrógeno, carbono y nitrógeno se midieron utilizando un analizador elemental (Elementar, Alemania). La alcalinidad del biocarbón se determinó con un método de titulación por retroceso.

Se llevó a cabo un experimento con macetas en un invernadero en la Universidad A & F de Zhejiang. Siembra en diciembre de 2019 para cosechar en mayo de 2020, un total de seis meses. El experimento constó de cuatro tratamientos, a saber, el control (sin adición de enmienda, CK), 2% de biocarbón de cascarilla de arroz (R), 2% de caliza (L) y 1% de biocarbón de cascarilla de arroz + 1% de caliza (RL) con 3 repeticiones. de cada tratamiento. Las enmiendas se mezclaron completamente con 2,5 kg de suelo con 2,5 g de urea y 2,5 g de dihidrogenofosfato de potasio por maceta. La humedad del suelo se mantuvo alrededor del 70% de la capacidad de campo utilizando agua desionizada y pesando las macetas cada dos días. Se sembraron seis plántulas de trigo (Mianyou-1) por maceta y se aclarearon a 3 plántulas30.

El experimento de campo comenzó en diciembre de 2019 en Wenzhou, provincia de Zhejiang, China y se cosechó en mayo de 2020. Se establecieron cuatro tratamientos (control, biocarbón de cáscara de arroz al 2 %, piedra caliza al 2 % y biocarbón de cáscara de arroz al 1 % + piedra caliza al 1 %) y cada el tratamiento tuvo tres repeticiones. El tamaño de la parcela fue de 3 m de largo x 1 m de ancho. Las semillas de grano de trigo se sembraron en 15 columnas con una línea de dispersión de 20 cm, de 10 a 30 granos por cada línea. La gestión diaria fue la misma que la producción de campo convencional.

Las muestras de plantas y suelos se recolectaron en la madurez. Las muestras de plantas se separaron en raíces, tallos, hojas de espada, otras hojas, cáscara de trigo y granos. Las muestras se lavaron con agua destilada y luego se secaron en estufa a 70 °C hasta peso constante y se registraron los pesos secos antes de ser molidas para su análisis. El suelo se secó al aire y se tamizó pasándolo por un tamiz de 2 mm para su análisis.

El pH del suelo se determinó utilizando un medidor de pH (FE20, Mettler Toledo, China). El nitrógeno de hidrólisis alcalina, el fósforo disponible y el potasio disponible se midieron mediante el método de difusión alcalina, el método de Olsen y el método de fotometría de llama con extracción de acetato de amonio, respectivamente. El Cd disponible en el suelo y el contenido total de Cd en el suelo se determinaron mediante extracción con 0,1 mol/l de HCl y digestión con HF-HClO4-HNO3, respectivamente. Las muestras de plantas se digirieron con HNO3. El cadmio en las soluciones fue examinado por ICP-OES (Optima 7000DV, Perkin Elmer Co. USA).

Todos los análisis estadísticos y el mapeo de datos se realizaron con SPSS 26.0 y ORIGIN 2021.

Como se muestra en el Cuadro 2, en comparación con CK, todos los tratamientos incrementaron el pH del suelo mientras que el grado de influencia fue diferente. Los tratamientos de L y RL aumentaron significativamente el pH del suelo en un 34,6 % y un 32,1 % en comparación con CK en suelo con bajo contenido de Cd. Los resultados del suelo con alto contenido de Cd fueron similares a los del suelo con bajo contenido de Cd, el pH del suelo aumentó significativamente en un 19,3 % y un 20,4 % con L y RL en comparación con CK. La disponibilidad de Cd en el suelo disminuyó significativamente (P < 0.05) al usar enmiendas tanto en suelos con bajo contenido de Cd como con alto contenido de Cd en comparación con CK, excepto por L en el suelo con bajo contenido de Cd. La mayor disminución en la disponibilidad de Cd en el suelo se observó en R, que fue de alrededor del 25 % y 12,5 % en suelo con bajo contenido de Cd y suelo con alto contenido de Cd, respectivamente. La disponibilidad de Cd en el suelo disminuyó mediante enmiendas en el siguiente orden R > RL > L > CK. En general, la tendencia del efecto de las enmiendas fue básicamente la misma bajo diferentes niveles de contaminación por Cd del suelo.

En general, el crecimiento de las plantas de trigo se vio inhibido por el tratamiento con alto contenido de Cd en comparación con el bajo Cd, y se vio afectado por los tratamientos de enmienda (Cuadro 3). Con excepción de L, los otros tratamientos aumentaron la biomasa aérea de la planta y el rendimiento de grano en comparación con el control. El aumento más alto en la biomasa aérea y el rendimiento de grano de trigo lo obtuvo R, que fue de aproximadamente 25,6 % y 13,9 %, 34,0 % y 24,6 % más alto en comparación con CK, respectivamente, en los suelos con bajo contenido de Cd y alto contenido de Cd. La biomasa de la raíz del trigo se incrementó mediante tratamientos de enmienda en el siguiente orden R > RL > L > CK en suelo con bajo contenido de Cd. Por el contrario, en suelos con alto contenido de Cd, la biomasa de la raíz mostró una tendencia decreciente por el encalado (tratamientos L y RL) y no se vio afectada por R. La aplicación de biocarbón de cáscara de arroz (tratamientos R y RL) mostró una clara mejora en la parte aérea. biomasa y rendimiento de grano de trigo independientemente de los niveles de Cd en el suelo.

Las concentraciones de Cd en trigo bajo diferentes tratamientos se observaron como raíces > otras hojas > tallos y vainas > hojas de espada > granos > glumas (Fig. 1). Las concentraciones de Cd en diferentes partes de la planta se redujeron en gran medida mediante tratamientos de enmienda en suelos bajos en Cd. Las concentraciones de Cd en raíces, otras hojas, tallos y vainas, hojas de espada, granos y glumas por el tratamiento R se redujeron en un 58,4 %, 61,7 %, 19,7 %, 53,8 %, 47,6 % y 40,4 %, respectivamente, en comparación con el control en el suelo bajo en Cd. De igual forma, en los tratamientos L y RL, las concentraciones de Cd disminuyeron en 79.6, 49.4, 41.0, 48.6, 38.1 y 4.5%; 26,5, 46,7, 28,1, 46,2, 23,85 y 21,1%. En el suelo con alto contenido de Cd, las concentraciones de Cd en raíces, otras hojas, hojas espada, granos y glumas por el tratamiento R se redujeron en un 31,5 %, 32,5 %, 28,2 %, 5 % y 17,6 %, respectivamente, en comparación con el control . En suelos con alto contenido de Cd, la acumulación de Cd en los granos de trigo fue de 2,1 a 4,7 veces mayor que la del suelo con bajo contenido de Cd, lo que superó con creces el estándar de seguridad de la producción de trigo. En resumen, el tratamiento R mostró una clara disminución de la disponibilidad de Cd en el suelo y del contenido de Cd en el grano, independientemente del nivel de Cd en el suelo.

Efecto del biocarbón de cascarilla de arroz y/o piedra caliza sobre el contenido de Cd en diferentes órganos de trigo (mg/kg). Los valores seguidos de letras diferentes indican significativamente diferente a P < 0,05 determinado por Duncan. Los tratamientos incluyen CK: sin adición de enmiendas, R: 2 % de biocarbón de cáscara de arroz, L: 2 % de piedra caliza y RL: 1 % de biocarbón de cáscara de arroz + 1 % de piedra caliza.

El pH del suelo aumentó significativamente (P < 0,05) con las enmiendas del suelo en comparación con el control (Tabla 4). El mayor aumento de pH lo observó RL, que fue de aproximadamente 1,39 unidades en comparación con el control. Sin embargo, la R fue la más eficaz para reducir el contenido de Cd disponible en el suelo, que fue de alrededor del 38,9 % en comparación con la CK. De manera similar, la R también mostró la mayor disminución del contenido de Cd del grano, que fue aproximadamente un 38,5% más bajo que la CK.

Observó el descubrimiento de diferentes líneas de tendencia (Fig. 2), bajo diferentes modos experimentales, el pH del suelo siguió las reglas de L> RL> R> CK bajo enmiendas. Pero, en el experimento de campo, no hubo diferencia significativa entre L y RL. La concentración de Cd disponible en el suelo en dos experimentos bajo diferentes tratamientos fue similar, lo que se mostró en el orden de R > RL > L > CK. Los resultados de la recopilación sugirieron que R bajo cualquier condición experimental podría mostrar una eficiencia de eliminación de Cd relativamente alta.

Cambios dinámicos del pH del suelo, concentración de Cd disponible afectada por diferentes tratamientos. Los tratamientos incluyen CK: sin adición de enmiendas, R: 2 % de biocarbón de cáscara de arroz, L: 2 % de piedra caliza y RL: 1 % de biocarbón de cáscara de arroz + 1 % de piedra caliza.

La aplicación única o combinada de enmiendas al suelo contaminado con Cd ha sido examinada durante mucho tiempo para ver sus efectos en la reducción de la absorción de Cd por parte de la planta. Numerosos estudios han informado que la absorción de Cd en la planta depende significativamente de la biodisponibilidad de Cd en el suelo, mientras que la biodisponibilidad de Cd está controlada por el pH, la precipitación, la absorción y la complejación del suelo. En este estudio se demostró que todos los tratamientos de enmienda disminuyeron el contenido de Cd en los granos mientras que el grado de influencia fue diferente. El contenido más bajo de Cd en los granos se observó en el tratamiento con biocarbón de cáscara de arroz, una disminución del 47,65 % y del 38,5 % en comparación con la CK en el suelo bajo en Cd y en el campo. Esto fue consistente con su efecto sobre la disponibilidad de Cd en el suelo. La disponibilidad más baja de Cd en el suelo se observó en el tratamiento con biocarbón de cáscara de arroz, con una disminución del 25 %, 12,5 % y 38,9 % en comparación con la CK en experimentos de campo y con bajo contenido de Cd, alto contenido de Cd. Muchos investigadores también han informado resultados similares. En un estudio con plántulas de roble, Amirahmadi et al.27 informaron que las enmiendas con biocarbón de cáscara de arroz redujeron la biodisponibilidad de Cd, que fue más significativa a tasas de enmiendas del 3 % y el 5 %. La disminución de la biodisponibilidad de Cd en el suelo se atribuyó a mecanismos complejos, como la precipitación con minerales, el intercambio catiónico y la complejación23,24,25,26,31. Una gran cantidad de grupos funcionales, pH y porosidad del biocarbón de cáscara de arroz sirven como adsorbente de metales o precipitante. Bushra28 propuso que el biocarbón contiene el grupo funcional aromático y el grupo hidroxilo que interactúan con el catión-Π y facilitan la adsorción de cationes metálicos29,32. Rehman et al.33 encontraron que la concentración más baja de Cd en el grano de trigo se logró mediante la aplicación de biocarbón de cáscara de arroz (96,5 % en comparación con CK) a una tasa del 2 %. También informaron el aumento en el crecimiento y la producción de biomasa después de la aplicación de biocarbón y el efecto se atribuyó a la mejora de las condiciones nutricionales de las plantas y las características de unión a metales del biocarbón34,35,36. Además, se ha demostrado que el silicio alivia el estrés de los metales pesados ​​principalmente a través de la formación de complejos de metal-silicato por adsorción4,37,38,39,40. Por lo tanto, el silicio del biocarbón de cáscara de arroz también podría desempeñar un papel importante4,41. En particular, en nuestro estudio, el aumento más alto en el pH del suelo lo obtuvo la piedra caliza, que fue de aproximadamente 34,6 %, 19,3 % y 27,6 % en comparación con el control bajo los experimentos de campo, bajo Cd y alto Cd. Numerosos estudios sobre piedra caliza mostraron un efecto mejorado significativo sobre el pH del suelo42,43,44. Los materiales calcáreos podrían proporcionar cationes Ca2+ o Mg2+ al suelo para neutralizar la acidez del suelo 45. Aunque el pH del suelo mejoró mucho mediante la aplicación de piedra caliza, el efecto sobre el contenido de Cd en los granos de trigo fue irregular. Este fenómeno podría deberse a muchos factores no controlados que pudieron limitar los resultados de las cales en el suelo45,46,47. Que la piedra caliza reduzca la actividad de Cd en el suelo podría deberse en gran parte a su efecto sobre el aumento del pH del suelo. Por el contrario, además de aumentar el pH del suelo, la abundante función (p. ej., intercambio catiónico, formación de complejos, la porosidad del biocarbón y el silicato40) del biocarbón de cáscara de arroz puede ser una de las razones de la reducción significativa de la biodisponibilidad de Cd en comparación con la piedra caliza. Además, Ramtahal et al.48 señalaron que la aplicación de cal podría inducir una deficiencia de zinc (Zn) para aumentar la absorción de Cd en suelos de pH alto. En un estudio previo de Fageria49, el Zn extraíble disminuyó con el aumento de la tasa de cal y la disponibilidad de Zn disminuyó 100 veces con cada unidad de incremento en el pH. Además, el Zn es un metal esencial indispensable y un micronutriente que promueve directamente el crecimiento de las plantas50. En un estudio realizado por Adrees et al.51, con el aumento de los niveles de nanopartículas de óxido de zinc aplicados, el contenido de Cd biodisponible del suelo disminuyó mientras que el rendimiento del trigo aumentó. En nuestros experimentos, aunque el encalado (tratamientos L y RL) dio como resultado un gran aumento del pH del suelo e incluso un pH superior a 7,0 en el experimento de la maceta, no hubo una diferencia significativa en el Cd disponible en el suelo en comparación con CK. Además, la aplicación de 2% de caliza provocó una disminución significativa de la biomasa de trigo. Deducimos que la razón del efecto insignificante del tratamiento con piedra caliza en la reducción del Cd disponible en el suelo y menos efectivo en la reducción del Cd en los granos puede deberse en parte a la deficiencia de zinc en el suelo inducida por el exceso de piedra caliza. El efecto del 1 % de biocarbón de cáscara de arroz + 1 % de caliza fue similar al del 2 % de caliza, pero menos efectivo que el del 2 % de biocarbón de cascarilla de arroz. Por el contrario, en los experimentos con arroz, el cambio de pH del suelo fue similar al de nuestros experimentos, el contenido de Cd del grano de arroz disminuyó en su mayor parte por la aplicación combinada de biocarbón y piedra caliza17,52. El pH del suelo tuvo un aumento menor con L2 (1,2 % de cal) en comparación con RBL1 (2,5 % de biocarbón de paja de arroz + 0,6 % de piedra caliza) en un experimento en maceta52. En otro experimento de maceta de arroz, el pH del suelo se mantuvo con cambios similares en los dos tratamientos cuando la cantidad de biocarbón de paja de colza era igual (12 g/kg) y la diferencia entre las calizas se duplicaba (0,3 g/kg, 0,6 g/kg)17 . Los diferentes resultados de los experimentos de trigo y arroz pueden deberse a las diferentes condiciones del agua del suelo y la proporción de biocarbón y piedra caliza.

Hubo una disminución significativa en el rendimiento del grano de trigo por la aplicación de 2% de piedra caliza en el suelo bajo en Cd en comparación con CK (Cuadro 3). También se informó que los rendimientos de grano de trigo se redujeron notablemente por la alta tasa de aplicación de piedra caliza (a una tasa del 2 %) en comparación con las tasas más bajas (a una tasa del 0,5 % y el 1 %) Zhou9. Las evidencias de varios estudios indicaron que agregar cantidades sustanciales de piedra caliza puede afectar la disponibilidad biológica y la utilización de iónicos (como Mg, K y P), lo que resulta en una disminución del rendimiento de los cultivos45. Por lo tanto, la alta tasa de aplicación de enmiendas induciría la pérdida de rendimiento del cultivo. Se necesitan más estudios para mejorar la aplicación de enmiendas para la reducción de los efectos negativos en los ecosistemas suelo-planta5.

Biochar puede mejorar la productividad del suelo. El mayor aumento en la biomasa total y el rendimiento de grano de trigo se obtuvo con el biocarbón de cáscara de arroz en suelo con bajo contenido de Cd, que fue aproximadamente un 25,6 % y un 34,0 % más alto en comparación con el CK (Cuadro 3). Las enmiendas con biocarbón podrían mejorar el rendimiento de los cultivos al actuar como una fuente directa de nutrientes y al mejorar el pH del suelo, la CIC, las interacciones de la superficie, etc.53,54. En un experimento en macetas con trigo55, el contenido de materia orgánica del suelo aumentó de manera más eficaz mediante la aplicación de biocarbón de cáscara de arroz que de paja o cáscara de arroz debido a la resistencia del C orgánico en el biocarbón de cáscara de arroz56,57. El biocarbón de cáscara de arroz proporciona nutrientes al suelo, especialmente algunos nutrientes primarios. macroelementos (et. potasio) y aumentar la fertilidad del suelo para aumentar el rendimiento de los cultivos. Además, vale la pena mencionar que el biocarbón de cáscara de arroz es la fuente más rica de Si que, a través de la pirólisis, puede aumentar la solubilidad del Si58 y promueve el crecimiento de las plantas40.

En general, este estudio encontró que los efectos del biocarbón de cáscara de arroz en el crecimiento de las plantas y la acumulación de Cd en el trigo fueron mejores que la piedra caliza y el biocarbón de cáscara de arroz + piedra caliza bajo la misma tasa de aplicación. Como resultado, el efecto general del biocarbón de cáscara de arroz al 2% fue mejor y propicio para la aplicación en la producción de campo.

La aplicación de las enmiendas influyó positivamente en los trigos y suelos estudiados. El máximo incremento en el pH del suelo lo obtuvo la caliza que fue alrededor de un 35,3% mayor en comparación con el testigo. El biocarbón de cáscara de arroz fue más efectivo en el aumento del rendimiento del grano de trigo y la disminución del contenido de Cd del grano que aumentó en un 25,6 % y disminuyó en un 34,0 %, respectivamente. El efecto de la aplicación combinada de enmiendas fue más pobre, probablemente debido a la proporción subóptima de biachar y piedra caliza. Se necesitan trabajos futuros para explorar el mecanismo de adsorción de Cd por biocarbón de cáscara de arroz y la proporción óptima de enmiendas combinadas.

Todos los métodos se realizaron siguiendo las directrices y normativas pertinentes. Los datos sin procesar que respaldan las conclusiones de este artículo están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Agradecemos a muchos miembros del laboratorio y revisores anónimos por su ayuda con la preparación del manuscrito y la mejora de la escritura en inglés.

Este trabajo fue apoyado financieramente por el Proyecto Clave de Investigación y Desarrollo del Departamento de Ciencia y Tecnología de la provincia de Zhejiang (2022C02022).

Laboratorio estatal clave de silvicultura subtropical, Universidad A&F de Zhejiang, Hangzhou, 311300, Zhejiang, China

Zehui Niu, Jiayan Ma y Zhaokun Xue

Laboratorio clave de biorremediación de la contaminación del suelo de la provincia de Zhejiang, Universidad A&F de Zhejiang, Hangzhou, 311300, Zhejiang, China

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

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El artículo es aprobado por todos los autores para su publicación. ZN escribió el texto principal del manuscrito y preparó las Tablas 1, 2, 3 y 4. JM fue probado experimentalmente. Otros fueron los responsables de la revisión del artículo.

Correspondencia a Zhengqian Ye.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Niu, Z., Ma, J., Fang, X. et al. Efectos de la aplicación de biocarbón de cáscara de arroz y piedra caliza sobre la acumulación de cadmio en el trigo en condiciones de invernadero y de campo. Informe científico 12, 21929 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25927-3

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Recibido: 01 Agosto 2022

Aceptado: 07 diciembre 2022

Publicado: 19 diciembre 2022

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

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