Diese Studie untersuchte die Wirkungen der organischen Düngung und von Biostimulanzanwendungen auf Fenchel unter Feldbedingungen in Ägypten. Die höchsten Erträge wurden bei 600 L ha⁻1 Komposttee in Kombination mit Azolla oder Spirulina erzielt. Diese Behandlung verbesserte den Ertrag und die Qualität des ätherischen Fenchelöls.
Forschungsartikel
Organische Düngung und Biostimulanzien verbessern Wachstum, Ertrag und ätherische Ölproduktion bei Fenchel (Foeniculum vulgare): Eine Feldstudie
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Die vorliegende Studie wurde über zwei aufeinanderfolgende Anbausaisons (2023/24 und 2024/25) auf der Versuchsstation El-Qassassin des Gartenbauforschungszentrums in der Provinz Ismailia, Ägypten, durchgeführt, um die Reaktion von Fenchel (Foeniculum vulgare Mill.) auf organische Düngung und die Anwendung von Biostimulanzien zu untersuchen. Das Experiment folgte einem Split-Plot-Design, bei dem drei Stufen von Komposttee (360, 480 und 600 L ha⁻1) den Hauptparzellen zugeordnet wurden, während fünf Biostimulanzien-Behandlungen (Kontrolle, Azolla, Spirulina, Nostoc und Chlorella-Extrakte) den Teilparzellen zugewiesen wurden, was insgesamt 15 Behandlungskombinationen ergab. Es wurden Parameter des vegetativen Wachstums, Ertragskomponenten, der Gehalt an ätherischem Öl (EO) sowie die Ölproduktion pro Pflanze und pro Hektar erfasst. Höhere Komposttee-Dosen, insbesondere 600 L ha⁻1 (Ct3), in Kombination mit den Biostimulanzien Azolla (F2) oder Spirulina (F3), führten durchgängig zu einer höheren Ölproduktion pro Pflanze und pro Hektar, wobei die Kombination Ct3 × F3 die maximalen Erträge erzielte (55,58 kg ha⁻1 in der ersten Saison und 58,85 kg ha⁻1 in der zweiten Saison). Eine Hauptkomponentenanalyse bestätigte diese Ergebnisse und zeigte, dass die Ertragssteigerungen auf eine koordinierte Zunahme mehrerer ölbezogener Merkmale zurückzuführen waren und nicht auf einen einzelnen Faktor. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kombination von Ct3 mit F2 oder F3 die wirksamste Behandlung zur Verbesserung von Ölmenge und -qualität unter Feldbedingungen darstellt.
Einleitung
Fenchel (F. vulgare Mill.) ist eine weit verbreitete Heil- und Aromapflanze, die aufgrund ihrer Samen und ihres ätherischen Öls geschätzt wird, das pharmakologische, antibakterielle, entzündungshemmende und antioxidative Eigenschaften besitzt1,2,3,4,5. Die steigende Nachfrage nach Fenchelprodukten in der pharmazeutischen, nahrungsergänzenden und Lebensmittelindustrie führt zu einem erhöhten Druck auf die Produktionssysteme, Ertrag und Ölqualität zu verbessern und gleichzeitig die Umweltbelastung zu minimieren.
Der konventionelle Anbau von Fenchel ist stark auf Mineraldünger angewiesen, um eine hohe Produktivität zu erzielen. Allerdings ist die übermäßige Verwendung synthetischer Inputstoffe mit langfristigen Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit verbunden, darunter eine verminderte mikrobielle Aktivität und Bodendegradation5. Diese Herausforderungen haben das Interesse an organischen Düngestrategien, insbesondere kompostbasierten Düngemitteln, geweckt, die die Bodenstruktur, biologische Aktivität und Nährstoffverfügbarkeit verbessern6.
Komposttee, ein belüfteter wässriger Extrakt aus reifem Kompost, hat sich aufgrund seines Gehalts an löslichen Nährstoffen, organischen Säuren und nützlichen Mikroorganismen als vielversprechende organische Düngemittelzusatzstoff erwiesen7. Die Anwendung von Komposttee über Bewässerungssysteme hat sich als wirksam erwiesen, um das Pflanzenwachstum und die Nährstoffaufnahme zu verbessern und gleichzeitig die Abhängigkeit von chemischen Düngemitteln zu verringern8. Parallel dazu haben aquatische Pflanzen und Mikroalgen wie Azolla, Spirulina, Nostoc und Chlorella aufgrund ihres hohen Gehalts an Aminosäuren, Phytohormonen, Vitaminen und Mineralstoffen als Biostimulanzien Beachtung gefunden7,9,10. Es wurde berichtet, dass die Blattanwendung dieser Extrakte das Wachstum, die Biomasseakkumulation und den Ertrag verschiedener gartenbaulicher Kulturen verbessert8,11,12.
Trotz zunehmender Belege für die jeweiligen Vorteile von Komposttee und Biostimulanzien ist die kombinierte Anwendung unter Feldbedingungen noch unzureichend erforscht, insbesondere bei Heilpflanzen wie dem Fenchel. Die meisten früheren Studien konzentrierten sich auf einzelne Applikationen oder kontrollierte Umgebungen, wodurch unklar bleibt, wie sich diese in Wechselwirkung auf das vegetative Wachstum, die Ertragskomponenten und die Produktion von ätherischem Öl in kommerziellen Anbausystemen auswirken.
Um diese Lücke zu schließen, untersuchte die vorliegende Studie die kombinierten Wirkungen von vier verschiedenen Biostimulanzien-Extrakten und drei Anwendungsniveaus von Komposttee auf das Wachstum, die Erträge und die Produktion ätherischer Öle von Fenchel unter Freilandbedingungen mit Tropfbewässerung. Diese Studie bietet einen klar definierten, auf Freilandversuchen basierenden Ansatz zur Integration von bodenangewendetem Komposttee mit blattapplizierten Biostimulanzien und liefert Erkenntnisse zu nachhaltigen Nährstoffmanagementstrategien, die in ariden und semiariden Regionen anwendbar sind.
Protokoll
Diese Studie umfasste ausschließlich Pflanzenmaterialien und beinhaltete keine Experimente an Menschen oder Tieren. Daher war keine ethische Genehmigung erforderlich. Die in diesem Protokoll verwendeten Forschungswerkzeuge sind in der Tabelle der Materialien aufgeführt.
1. Versuchsstandort
Das Experiment wurde während der Anbausaisons 2023/24 und 2024/25 auf der Versuchsstation des Gartenbauforschungsinstituts El-Qassassin, Provinz Ismailia, Ägypten (30°53′ N, 31°56′ E), durchgeführt, um die Reaktion von Fenchel (F. vulgare Mill.)-Pflanzen auf organische Düngung und die Applikation von Biostimulanzien zu untersuchen. Die klimatischen Bedingungen während der Wachstumsperiode (November–April) wurden von der meteorologischen Station Ismailia erfasst. Die durchschnittlichen minimalen und maximalen Lufttemperaturen lagen zwischen 12–18 °C bzw. 22–30 °C, während die relative Luftfeuchtigkeit zwischen 50 % und 65 % schwankte. Während der Versuchszeiträume wurden keine extremen Wetterereignisse verzeichnet (Abbildung 1).
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Split-Plot-Versuchsdesigns mit Komposttee-Stufen, die den Hauptparzellen zugewiesen sind, und Biostimulanz-Behandlungen, die innerhalb der Teilparzellen über drei Wiederholungen verteilt sind. Ct.1, Ct.2 und Ct.3 stehen für 360, 480 bzw. 600 Liter pro Hektar (ha) als Bodenanwendung, wobei F.1, F.2, F.3, F.4 und F.5 Blattspritzungen mit 2 cm3/L Wasser für die jeweiligen Extrakte der Kontrolle, Azolla, Spirulina, Nostoc und Chlorella darstellen. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
2. Pflanzenmaterial
Fenchelsamen wurden von der Abteilung für Forschung zu Arznei- und Aromatischen Pflanzen, Hortikultur-Forschungsinstitut, Agrarforschungszentrum, Dokki, Gizeh, Ägypten, bezogen. Die Samen wurden in der ersten Novemberwoche in Saatzuchtbetten ausgesät, und nach der Etablierung wurden die Sämlinge auf eine Pflanze pro Hügel ausgedünnt.
3. Bodenprobennahme und -analyse
Vor der Bodenvorbereitung wurden zusammengesetzte Bodenproben (0–30 cm Tiefe) entnommen, luftgetrocknet, durch ein 2-mm-Sieb gesiebt und hinsichtlich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften mit standardisierten Verfahren analysiert13,14 (Tabelle 1).
| Partikelgrößenverteilung (%) | Texturklasse | *O.M. (%) | |||||||
| Grobsand | Feinsand | Schluff | Ton | Sandig | 0.48 | ||||
| 80,65 | 14,06 | 3,8 | 1,49 | ||||||
| pH | EC dS/m | SP % | Kationen (meq/l) | Anionen (meq/l) | |||||
| Ca++ | Mg++ | Na+ | K+ | HCO3- | Cl- | SO4 | |||
| 8 | 0,79 | 28 | 4 | 2,68 | 1,79 | 0,61 | 1,4 | 4,38 | 2,98 |
| *O.M.(%): organische Substanz | |||||||||
Tabelle 1: Physikalische und chemische Eigenschaften des Versuchsbodens. Zu den Merkmalen gehören die Korngrößenverteilung, die texturale Klasse, der Gehalt an organischer Substanz, der pH-Wert, die elektrische Leitfähigkeit, der Sättigungsprozentsatz sowie die wichtigsten Kationen und Anionen.
4. Experimenteller Aufbau
Das Experiment folgte einem Split-Plot-randomisierten vollständigen Blockdesign mit drei Wiederholungen. Den Hauptparzellen wurden Komposttee-Stufen zugewiesen und den Teilparzellen die Biostimulanz-Behandlungen (Abbildung 2). Jede Parzelle maß 8,4 m2 und enthielt 24 Pflanzen, die in drei Reihen (4 m Länge) angeordnet waren, mit 70 cm Abstand zwischen den Reihen und 50 cm Abstand zwischen den Pflanzen innerhalb der Reihen.
Die Tropfbewässerung erfolgte mit Tropfern, die alle zwei Tage während einer Stunde 4 L h⁻1 pro Hügel abgaben. Um Störungen zwischen den Behandlungen zu vermeiden, blieb ein Graben zwischen den Parzellen unbebaut als Pufferzone.
Alle Parzellen erhielten während der Bodenvorbereitung zwei Wochen vor der Pflanzung 24 t ha⁻1 Kompost. Mineraldünger wurden in 50 % der empfohlenen Dosis (RD) angewendet: 360 kg ha⁻1 Ammoniumsulfat (20,6 % N), 240 kg ha⁻1 Calciumsuperphosphat (15,5 % P₂O₅) und 120 kg ha⁻1 Kaliumsulfat (48 % K₂O). Stickstoff- und Kaliumdünger wurden in drei gleichen Gaben im Abstand von 15 Tagen ausgebracht, während der Phosphordünger als einmalige Grundgabe appliziert wurde. Während der gesamten Wachstumsperiode wurden standardmäßige agronomische Praktiken befolgt.
Abbildung 2: Ölausbeute pro Hektar (kg ha⁻¹) und deren relativer Anstieg im Vergleich zur Kontrollbehandlung (T1: Ct1 × F1) in der ersten (S1) und zweiten (S2) Saison. Ct1 steht für die niedrigste Komposttee-Konzentration (360 L ha⁻¹) und F1 für die unbehandelte Kontrolle. Die Behandlungen sind wie folgt definiert: T1 (Ct1 × F1), T2 (Ct1 × F2), T3 (Ct1 × F3), T4 (Ct1 × F4), T5 (Ct1 × F5), T6 (Ct2 × F1), T7 (Ct2 × F2), T8 (Ct2 × F3), T9 (Ct2 × F4), T10 (Ct2 × F5), T11 (Ct3 × F1), T12 (Ct3 × F2), T13 (Ct3 × F3), T14 (Ct3 × F4) und T15 (Ct3 × F5). Die Fehlerbalken zeigen die Standardfehler des Mittelwerts (SEM). Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
5. Komposttee-Behandlungen
Ausgereifter pflanzenbasierter Kompost wurde 24–48 h lang aerob in Süßwasser extrahiert. Der resultierende Komposttee wies eine elektrische Leitfähigkeit von 1,2–1,6 dS m⁻¹ auf.1 und einen leicht alkalischen pH-Wert (7,5–8,0). Komposttee wurde angewendet über Tropfbewässerung mit Raten von 360, 480 oder 600 L ha⁻1 über einen Zeitraum von 16 Wochen, beginnend einen Monat nach der Aussaat.
6. Herstellung und Anwendung von Biostimulanzien
Frische Biomasse von Azolla caroliniana, Spirulina platensis, Nostoc muscorum und Chlorella vulgaris wurde im Verhältnis von 1:10 (w/v) in destilliertem Wasser homogenisiert, filtriert und auf eine Endkonzentration von 2 cm3 L⁻1 (entspricht etwa 1200 L ha⁻1) verdünnt. Die Extrakte wurden frisch vor der Anwendung hergestellt und während der Wachstumsperiode dreimal (30, 60 und 90 Tage nach der Pflanzung) mittels Handsprüher bis zum Abtropfen als Blattspray aufgebracht.
7. Aufgezeichnete Daten
Parameter des vegetativen Wachstums
Sechs zufällig ausgewählte Pflanzen jeder Versuchseinheit wurden 65 Tage nach der Pflanzung geerntet. Die Pflanzenhöhe (cm) wurde von der Basis bis zur Spitze des Hauptstamms gemessen. Das gesamte frische Krautgewicht (g) und Trockengewicht (g) wurde erfasst, wobei das Trockengewicht nach dem Trocknen der Proben im Ofen bei 70 °C für 48 h bis zur Gewichtskonstanz bestimmt wurde. Die Anzahl der Seitentriebe pro Pflanze wurde als Durchschnittswert der untersuchten Pflanzen berechnet.
Extraktion von ätherischem Öl (EO)
Ätherisches Öl wurde aus 40 g geernteter Früchte mittels Wasserdampfdestillation über 3 h extrahiert, gemäß der von Miller beschriebenen Methode15. Das extrahierte Öl wurde ruhend stehengelassen, um eine vollständige Trennung sicherzustellen16.
Bestimmung des Gehalts und der Ausbeute von ätherischem Öl
Der Gehalt an ätherischem Öl (% w/w) wurde wie folgt berechnet:
Wobei:
WEO = Gewicht des extrahierten ätherischen Öls (g)
Wsample = Trockengewicht der der Hydrodestillation unterzogenen Pflanzenprobe (g)
Die ätherische Öl-Ausbeute pro Pflanze wurde wie folgt berechnet:
Wobei:
DWplant = Trockenmasse der gesamten Pflanze pro Pflanze (g)
EO-Gehalt = Gehalt an ätherischem Öl bezogen auf die Trockenmasse (% Gew./Gew.)
Hinweis: Es wurde angenommen, dass die Dichte von ätherischem Öl etwa 1 g cm⁻3 beträgt, was eine Umrechnung von Gramm in Kubikzentimeter ermöglicht.
Die ätherische Öl-Ausbeute pro Hektar wurde wie folgt berechnet:
Wobei:
EO AusbeutePflanze - 1 = ätherisches Öl pro Pflanze (cm3)
NPflanzen = Anzahl der Pflanzen pro Hektar
1000 = Umrechnungsfaktor von cm3 in L
Hinweis: Alle Berechnungen der Öl-Ausbeute basierten auf Trockenmasse, um Variabilitäten aufgrund des Feuchtigkeitsgehalts der Pflanze zu vermeiden.
Ausbeuteattribut
Die Anzahl der Dolden pro Pflanze wurde im Stadium der Fruchtreife erfasst, indem alle Dolden an jeder Pflanze gezählt wurden.
8. Statistische Analyse
Für jedes Merkmal und jede Saison wurden die Beobachtungen auf Ebene der Wiederholungen mittels des Shapiro-Wilk-Tests auf Normalverteilung überprüft. Da keine signifikanten Abweichungen von der Normalverteilung festgestellt wurden (p > 0,05), wurde eine parametrische Analyse durchgeführt. Die Daten wurden mittels Varianzanalyse (ANOVA) für ein Split-Plot-Design mit Statistix 8.1 (Analytical Software, 2008) ausgewertet, und die Behandlungsmittelwerte wurden mit dem Test der kleinsten signifikanten Differenz (LSD-Test)17 verglichen.
Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde als multivariates Werkzeug zur Zusammenfassung der Beziehungen zwischen den gemessenen Merkmalen durchgeführt. Eigenwerte wurden verwendet, um den relativen Beitrag jeder Komponente zu bestimmen, und die Biplot-Visualisierung diente zum Vergleich der Behandlungen und der Assoziationen zwischen Merkmalen18.
Ergebnisse
Shapiro-Wilk-Tests zeigten, dass die Verteilungen aller gemessenen Variablen in beiden Anbausaisons nicht signifikant von der Normalverteilung abwichen (p > 0,05). Die Varianzanalyse ergab, dass die Wechselwirkung zwischen Komposttee-Konzentration (Ct) und Blattdüngung mit Biostimulanzien (F) die Wachstumseigenschaften, die Zahl der Dolden sowie ölbasierte Merkmale (Ölanteil, Ölproduktion pro Pflanze und Ölproduktion pro Hektar) in beiden Anbausaisons signifikant beeinflusste.
Ertragsreaktion im Vergleich zur Kontrollbehandlung
In der ersten Saison (Abbildung 2) stieg der Ölertrag pro Hektar (Oy ha⁻1) stetig mit zunehmender Kompostteemenge an. Alle Ct3-Behandlungen (600 L ha⁻1) erzielten höhere Ölerträge als die Kontrollbehandlung (T1: Ct1 × F1, 360 L ha⁻1 ohne Blattsprühung). Den höchsten Ölertrag (55,58 kg ha⁻1) erhielt man bei Kombination von Ct3 mit Spirulina in einer Konzentration von 2 cm3 L⁻1 (T13), der signifikant über der Kontrolle und allen Ct1-Behandlungen lag und den LSD-Wert (2,93 kg ha⁻1) übertraf. Im Vergleich zur Kontrolle zeigte diese Behandlung eine deutliche Steigerung des Ölertrags pro Hektar (Abbildung 3).
Abbildung 3: Biplot-Hauptkomponentenanalyse für die fünfzehn kombinierten Behandlungen, basierend auf vier vegetativen Merkmalen, der Anzahl der Dolden pro Pflanze und drei ölbasierten Merkmalen, unter Verwendung der ersten und zweiten Hauptkomponenten; jede Behandlung wird durch einen Punkt dargestellt. Die Position innerhalb des Diagramms zeigt das Ausmaß der Ähnlichkeit oder Unterschiedlichkeit zwischen den Behandlungen gemäß den Eingabefaktoren (8 Wachstums- und Ölmerkmale); je näher beieinander, desto ähnlicher, und je weiter auseinander, desto unterschiedlicher. PH: Pflanzenhöhe (cm), NB: Anzahl der Seitentriebe/Pflanze, HFW: Gesamtfrischgewicht des Krauts (g), HDW: Gesamttrockengewicht des Krauts (g), O%: Gehalt an ätherischem Öl, Oy/p: Ölproduktion pro Pflanze (cm3), Oy/ha: Ölproduktion pro Hektar (L) und NU: Anzahl der Dolden/Pflanze T1 (Ct1 × F1), T2 (Ct1 × F2), T3 (Ct1 × F3), T4 (Ct1 × F4), T5 (Ct1 × F5), T6 (Ct2 × F1), T7 (Ct2 × F2), T8 (Ct2 × F3), T9 (Ct2 × F4), T10 (Ct2 × F5), T11 (Ct3 × F1), T12 (Ct3 × F2), T13 (Ct3 × F3), T14 (Ct3 × F4) und T15 (Ct3 × F5). Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
Ähnliche Trends zeigten sich bezüglich des Ölertrags pro Pflanze und der Anzahl der Dolden, was darauf hinweist, dass Behandlungen mit höherem Ölertrag pro Hektar auch mit einer stärkeren Fortpflanzungsleistung und größerer Biomasseakkumulation verbunden waren. Diese Zusammenhänge werden als statistische Assoziationen zwischen gemessenen Merkmalen dargestellt, ohne dass kausale Wirkmechanismen abgeleitet werden.
In der zweiten Saison erzielte Ct3 × F3 (T13) erneut den höchsten Ölgehalt pro Hektar (58,85 kg ha⁻1), der signifikant über der Kontrolle und den meisten Ct2-Behandlungen lag (LSD = 3,17 kg ha⁻1). Die Rangfolge der Behandlungen im Vergleich zur Kontrolle war über beide Saisons weitgehend konsistent, was auf reproduzierbare Behandlungseffekte unter den getesteten Umweltbedingungen hinweist.
Hauptkomponentenanalyse (PCA)
Die Hauptkomponentenanalyse wurde als exploratives Werkzeug angewandt, um multivariate Beziehungen zwischen den acht gemessenen Merkmalen über die 15 Behandlungen hinweg zusammenzufassen. Die ersten beiden Hauptkomponenten erklärten 98,4 % der gesamten Varianz, wobei PC₁ 96,5 % und PC₂ 1,9 % ausmachte (Tabelle 2;Abbildung 4). Die Dominanz von PC₁ spiegelt eine starke Kovarianz zwischen wachstums- und ertragsbezogenen Merkmalen im Datensatz wider, anstatt klar voneinander getrennte zugrundeliegende biologische Prozesse.
| Parameter | PC1 | PC2 | PC3 | PC4 |
| NU | 0.3516 | 0.3064 | -0.3732 | 0.772 |
| O% | 0.349 | -0.6068 | -0.1873 | -0.0634 |
| Oy/p | 0.3591 | -0.11 | -0.0028 | -0.0974 |
| Oy/ha | 0.3583 | -0.1579 | -0.1046 | -0.2021 |
| PH | 0.3476 | 0.5757 | 0.3834 | -0.3296 |
| NB | 0.3495 | -0.26 | 0.7504 | 0.3693 |
| HFW | 0.3551 | 0.3138 | -0.1821 | -0.1535 |
| HDW | 0.358 | -0.0575 | -0.2675 | -0.2847 |
| Eigenwert | 7.7201 | 0.1518 | 0.0721 | 0.0346 |
| % der Varianz | 96,5 | 1,9 | 0,9 | 0,43 |
| Kumulativ (%) | 96,5 | 98,4 | 99,3 | 99,73 |
| PH: Pflanzenhöhe (cm), NB: Anzahl der Äste/Pflanze, HFW: gesamte frische Krautmasse (g), HDW: gesamte trockene Krautmasse (g), O%: Gehalt an ätherischem Öl, Oy/p: Öl-Ausbeute pro Pflanze (cm³), Oy/ha: Öl-Ausbeute pro Hektar (L) und NU: Anzahl der Dolden/Pflanze | ||||
Tabelle 2: Eigenwerte, Eigenvektoren, prozentuale Varianz und kumulierte Varianz der ersten vier Hauptkomponenten basierend auf acht Wachstums- und ölbasierten Merkmalen über 15 Behandlungskombinationen hinweg. Die Abkürzungen für die Merkmale lauten wie folgt: PH (Pflanzenhöhe, cm), NB (Anzahl der Seitenzweige pro Pflanze), HFW (Frischmasse des Krauts, g), HDW (Trockenmasse des Krauts, g), O% (Gehalt an ätherischem Öl), Oy/p (Ölausbeute pro Pflanze, cm3), Oy/ha (Ölausbeute pro Hektar, L) und NU (Anzahl der Dolden pro Pflanze).
Abbildung 4: Ladeplot des Eigenvektors für 8 untersuchte Merkmale, behandelt mit 15 wechselwirkenden Behandlungen: Die Balken für PC₁ verwenden die linke Achse; PC₂, PC₃, PC₄ verwenden unterschiedliche Symbolformen und Farben auf der rechten Achse. PH: Pflanzenhöhe (cm), NB: Anzahl der Seitentriebe/Pflanze, HFW: Gesamtfrischmasse der Pflanze (g), HDW: Gesamttrockenmasse der Pflanze (g), O%: Gehalt an ätherischem Öl, Oy/p: Öl-Ausbeute pro Pflanze (cm3), Oy/ha: Öl-Ausbeute pro Hektar (L) und NU: Anzahl der Dolden/Pflanze. Fehlerbalken zeigen die Standardfehler des Mittelwerts (SEM). Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
Alle Merkmale wiesen starke und ähnliche positive Ladungen auf der PC₁ auf, einschließlich der Anzahl der Schirme, des Ölanteils, des Ölertrags pro Pflanze, des Ölertrags pro Hektar, der Pflanzenhöhe, der Anzahl der Seitenzweige, der frischen und der trockenen Krautmasse (Tabelle 2; Abbildung 5). Demnach kann die PC₁ als allgemeiner Produktivitätsgradient interpretiert werden, der die Variation in Biomasse- und Ölertragsmerkmalen über die Behandlungen hinweg zusammenfasst. Die PC₂ erklärte nur einen geringen Anteil der Varianz und trug nur begrenzt zur zusätzlichen Differenzierung zwischen den Behandlungen bei.
Abbildung 5: PCA-Score-Plot zur Veranschaulichung der Verteilung von 15 Behandlungskombinationen basierend auf den gemessenen Merkmalen. Die Behandlungen sind wie folgt definiert: T1 (Ct1 × F1), T2 (Ct1 × F2), T3 (Ct1 × F3), T4 (Ct1 × F4), T5 (Ct1 × F5), T6 (Ct2 × F1), T7 (Ct2 × F2), T8 (Ct2 × F3), T9 (Ct2 × F4), T10 (Ct2 × F5), T11 (Ct3 × F1), T12 (Ct3 × F2), T13 (Ct3 × F3), T14 (Ct3 × F4) und T15 (Ct3 × F5). Die Fehlerbalken zeigen die Standardfehler des Mittelwerts (SEM). Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
PCA-Scores und Vergleich mit der Kontrolle
Behandlungen mit hohen positiven PC₁-Werten (insbesondere T13, T12, T15 und T14) wiesen ebenfalls die größten prozentualen Zunahmen im Vergleich zur Kontrolle (T1) bei den meisten Merkmalen auf (Abbildung 5 und Abbildung 6). Beispielsweise zeigte T13 eine Zunahme von 94,44 % bei der Anzahl der Dolden und von 98,18 % beim Ölertrag pro Hektar im Vergleich zur Kontrolle.
Abbildung 6: Relative prozentuale Zunahme der gemessenen Merkmale im Vergleich zur Kontrollbehandlung (T1: Ct1 × F1). Die Behandlungen sind wie folgt definiert: T1 (Ct1 × F1), T2 (Ct1 × F2), T3 (Ct1 × F3), T4 (Ct1 × F4), T5 (Ct1 × F5), T6 (Ct2 × F1), T7 (Ct2 × F2), T8 (Ct2 × F3), T9 (Ct2 × F4), T10 (Ct2 × F5), T11 (Ct3 × F1), T12 (Ct3 × F2), T13 (Ct3 × F3), T14 (Ct3 × F4) und T15 (Ct3 × F5). Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Ansicht dieser Abbildung einzusehen.
Behandlungen mit intermediären PC₁-Werten (z. B. T8 und T10) zeigten moderate Verbesserungen gegenüber der Kontrolle, während Behandlungen mit negativen PC₁-Werten, einschließlich der Kontrolle und anderer Ct1-Kombinationen, nur minimale relative Veränderungen aufwiesen. Diese Muster deuten darauf hin, dass die PC₁-Werte eng mit den baselinerichtigten Behandlungsantworten korrelierten, was die Ergebnisse der univariaten ANOVA untermauert. Die PCA wurde jedoch ausschließlich zur Datenreduktion und Visualisierung multivariater Muster verwendet und ersetzt keine inferenzstatistischen Tests.
Merkmalsassoziationen im PCA-Biplot
Die PCA-Biplot-Darstellung (Abbildung 4) verdeutlicht enge Zusammenhänge zwischen Öl-Ausbeute pro Pflanze, Öl-Ausbeute pro Hektar und Trockengewicht des Krauts, was auf starke Korrelationen zwischen diesen Variablen hinweist. Pflanzenhöhe, Frischgewicht des Krauts und Anzahl der Dolden wiesen ebenfalls ähnliche Vektororientierungen auf, was auf eine koordinierte Variation dieser Merkmale innerhalb des Datensatzes schließen lässt. Die Anzahl der Seitentriebe zeigte eine teilweise Trennung von anderen Ertragskomponenten, was auf schwächere Assoziationen unter den vorliegenden Versuchsbedingungen hindeutet. Diese Beziehungen beschreiben lediglich beobachtete Korrelationen und implizieren keine mechanistischen Verknüpfungen.
Behandlungen (T12–T15), die Komposttee in einer Menge von 600 L ha⁻1 in Kombination mit Blattdüngern erhielten, zeigten eine überlegene multivariate Leistung hinsichtlich Wachstums- und Ölmerkmalen. Im Gegensatz dazu wiesen die Behandlungen (T7–T11) vergleichsweise niedrigere Werte bei den meisten untersuchten Parametern auf. Behandlungen, die in entgegengesetzter Richtung zu den meisten Vektoren lagen, wie beispielsweise Ct1 (360 L ha⁻1) ohne Blattdüngung oder in Kombination mit Nostoc, waren mit niedrigeren Werten bei den meisten gemessenen Merkmalen assoziiert.
Insgesamt lieferte die PCA eine prägnante multivariate Zusammenfassung, die die ANOVA ergänzt, indem sie verdeutlicht, wie sich die Behandlungen hinsichtlich mehrerer Merkmale gleichzeitig vom Kontrollansatz unterschieden. Die Übereinstimmung zwischen den Mustern der PCA und den univariaten Ergebnissen nach Basislinienanpassung untermauert die Robustheit der Behandlungseffekte, ohne die Interpretation über die gemessenen Variablen hinaus auszuweiten.
VERFÜGBARKEIT VON DATEN:
Die Rohdaten für diese Arbeit sind in den ergänzenden Dateien verfügbar.
Zusatz-Tabelle 1: Rohdaten der Experimente zu den Ergebnissen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Diskussion
Die vorliegende Studie zeigt, dass eine erhöhte Zugabe von Komposttee über zwei Anbausaisons hinweg das Wachstum von Fenchel, seine Fortpflanzungsmerkmale sowie die Produktivität von ätherischem Öl signifikant verbesserte, insbesondere in Kombination mit bestimmten Blattdüngern auf Biobasis.
Höhere Komposttee-Konzentrationen (Ct3) erhöhten die Zahl der Dolden und die Öl-Ausbeute, was mit früheren Befunden übereinstimmt, dass organische Flüssigdünger die Pflanzenvitalität und Nährstoffverfügbarkeit verbessern und dadurch die Fortpflanzungsleistung steigern6,11. Ähnliche Verbesserungen der Ausbeute und des Gehalts an ätherischem Öl wurden bei Fenchel und anderen Arten der Familie der Apiaceae nach der Anwendung von Kompostextrakten oder Bio-Düngemitteln berichtet, was darauf hindeutet, dass diese Reaktionen allgemeine Verbesserungen der Pflanzenwachstumsbedingungen widerspiegeln und keine kulturspezifischen Effekte darstellen8,19.
Die verbesserte Leistung, die bei kombinierter Anwendung von Komposttee und Azolla (F2) oder Spirulina (F3) beobachtet wurde, stimmt mit früheren Studien überein, die berichten, dass Algen- und Cyanobakterien-Extrakte die Biomasseakkumulation, Blütenbildung und Produktion sekundärer Metaboliten fördern11,20. Die stärkere Reaktion, die in der vorliegenden Studie insbesondere beim Öl-Ertrag pro Hektar festgestellt wurde, ist wahrscheinlich auf die kombinierte Boden- und Blattapplikationsstrategie zurückzuführen, anstatt auf die alleinige Verwendung einzelner Inputstoffe.
Die gleichzeitigen Zunahmen von Ölertrag, Doldenanzahl und vegetativem Wachstum deuten darauf hin, dass die Ertragssteigerung auf koordinierten Verbesserungen mehrerer Merkmale statt nur eines einzigen Faktors beruht. Dieses Muster stimmt mit früheren Untersuchungen überein, die darauf hinweisen, dass organische Zusätze die photosynthetische Kapazität, die Wurzelaktivität und die Nährstoffnutzungseffizienz verbessern können, wodurch sowohl die Biomasseakkumulation als auch die reproduktive Entwicklung gefördert werden6,8.
Obwohl physiologische und biochemische Parameter wie Nährstoffaufnahmeraten, endogene Hormonspiegel und mikrobielle Aktivität in dieser Studie nicht gemessen wurden, liefern frühere Untersuchungen plausible Erklärungen für die beobachteten Reaktionen. Bekanntlich liefert Komposttee leicht verfügbare Nährstoffe und biologisch aktive Verbindungen, während auf Algen und Cyanobakterien basierende Biostimulanzien mit einer gesteigerten Stoffwechselaktivität und Stressresistenz in Verbindung gebracht wurden11,19. Diese Interpretationen basieren auf bestehender Literatur und stellen keine direkten Messungen der vorliegenden Studie dar.
Die PCA-Ergebnisse zeigen, dass der Ölgehalt pro Hektar und pro Pflanze die Hauptfaktoren für die Unterscheidung der Behandlungen darstellten, was die Befunde der univariaten Analyse bestätigt. Behandlungen mit 600 L ha⁻1 Komposttee in Kombination mit Blattdüngern nahmen entlang der primären Produktivitätsachse durchgängig günstige Positionen ein. Ähnliche PCA-Anwendungen in agronomischen Studien haben gezeigt, dass merkmalsbezogene Ertragsparameter häufig stark auf der ersten Hauptkomponente lasten, was integrierte Pflanzenreaktionen und nicht unabhängige Effekte widerspiegelt20.
Die PCA wurde in dieser Studie als exploratives Werkzeug verwendet, um Zusammenhänge zwischen den gemessenen Variablen zu beschreiben, ohne Kausalität abzuleiten. Die Übereinstimmung zwischen den PCA-Werten und den relativen Verbesserungen gegenüber der Kontrolle stärkt das Vertrauen in die beobachteten Behandlungseffekte, bleibt dabei jedoch innerhalb der Grenzen der erhobenen Daten.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kombination von Komposttee mit ausgewählten Blattdüngern auf biologischer Basis ein wirksamer agronomischer Ansatz zur Förderung des Fenchelwachstums und der ätherischen Ölproduktion unter Feldbedingungen sein kann. Allerdings schränkt das Fehlen direkter Messungen der mikrobiellen Aktivität, der hormonellen Regulation und der Nährstoffdynamik die mechanistische Interpretation ein. Künftige Studien, die physiologische, biochemische und bodenbiologische Analysen einbeziehen, würden ein umfassenderes Verständnis der diesen Reaktionen zugrunde liegenden Prozesse ermöglichen.
Insgesamt trägt diese Studie dazu bei, das Verständnis darüber zu vertiefen, wie Komposttee und Biostimulanzien zusammenwirken, um das Wachstum von Fenchel und die Öl-Ausbeute zu beeinflussen, indem univariate statistische Analysen mit multivariater Musteranalyse kombiniert und die Ergebnisse in den Kontext der bestehenden Fachliteratur eingeordnet werden.
Schlussfolgerung
Die Applikation von Komposttee in einer Menge von 600 L ha⁻1 über einen Zeitraum von 16 Wochen, kombiniert mit der Blattapplikation eines Spirulina-Extrakts in einer Konzentration von 2 cm3 L⁻1, führte unter den Bedingungen dieser Studie zu der höchsten Fenchelernte und Produktion von ätherischem Öl. Der Azolla-Extrakt zeigte vergleichbare Wirkungen und könnte als alternativer Biostimulanz verwendet werden. Zukünftige Forschungsarbeiten sollten das Potenzial zur Verringerung des Einsatzes von Mineraldünger bewerten, während eine Grundanwendung von Kompost in einer Menge von 24 t ha⁻1 beibehalten wird. Die Standardisierung der Eigenschaften von Komposttee, einschließlich pH-Wert, elektrischer Leitfähigkeit und Nährstoffzusammensetzung, wird empfohlen, um eine Konsistenz zwischen den Applikationen sicherzustellen. Die Überwachung des vegetativen Wachstums, des Gehalts an ätherischem Öl und des Ertrags, unterstützt durch multivariate Analysen wie die PCA, könnte die Bewertung der Behandlungsreaktionen unter Feldbedingungen verbessern.
Offenlegungen
Die Autoren geben keine Interessenkonflikte an.
Danksagungen
Die Autoren möchten dem Dekanat für Graduiertenstudien und wissenschaftliche Forschung der Taif University für die Finanzierung dieser Arbeit danken.
Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Fenchelsamen (Foeniculum vulgare Mill.) | Abteilung für Forschung zu Arznei- und Aromatischen Pflanzen, Institut für Gartenbau, ARC, Ägypten | N/V | Samen für Feldversuch verwendet |
| Pflanzenkompost | Lokaler kommerzieller Lieferant / Versuchsfarmquelle | N/V | Verwendet zur Zubereitung von Komposttee und als Grunddüngung des Bodens |
| Komposttee | Zubereitet gemäß experimentellem Protokoll | N/V | Belüfteter wässriger Extrakt aus reifem Kompost |
| Azolla caroliniana-Biomasse | Institut für Wasser- und Umweltforschung, Agrarforschungszentrum, Gizeh, Ägypten | N/V | Verwendet zur Zubereitung von Blattextrakten |
| Spirulina platensis-Biomasse | Institut für Wasser- und Umweltforschung, Agrarforschungszentrum, Gizeh, Ägypten | N/V | Verwendet zur Zubereitung von Blattextrakten |
| Nostoc muscorum-Biomasse | Institut für Wasser- und Umweltforschung, Agrarforschungszentrum, Gizeh, Ägypten | N/V | Verwendet zur Zubereitung von Blattextrakten |
| Chlorella vulgaris-Biomasse | Institut für Wasser- und Umweltforschung, Agrarforschungszentrum, Gizeh, Ägypten | N/V | Verwendet zur Zubereitung von Blattextrakten |
| Destilliertes Wasser | Institut für Wasser- und Umweltforschung, Agrarforschungszentrum, Gizeh, Ägypten | N/V | Verwendet zur Extraktzubereitung |
| Ammoniumsulfat (20,6 % N) | Ministerium für Landwirtschaft und Bodenbewirtschaftung, Ägypten | N/V | Mineralischer Dünger |
| Calciumsuperphosphat (15,5 % P2O5) | Ministerium für Landwirtschaft und Bodenbewirtschaftung, Ägypten | N/V | Mineralischer Dünger |
| Kaliumsulfat (48 % K2O) | Ministerium für Landwirtschaft und Bodenbewirtschaftung, Ägypten | N/V | Mineralischer Dünger |
| Tropfbewässerungsdüsen (4 L h-1) | Abteilung für Forschung zu Arznei- und Aromatischen Pflanzen, Institut für Gartenbau, ARC, Ägypten | N/V | Bewässerungssystem |
| Handsprühgerät | Abteilung für Forschung zu Arznei- und Aromatischen Pflanzen, Institut für Gartenbau, ARC, Ägypten | N/V | Verwendet für die Blattapplikation |
| Trockenofen | Abteilung für Forschung zu Arznei- und Aromatischen Pflanzen, Institut für Gartenbau, ARC, Ägypten | N/V | Ofen, gehalten bei 70 °C |
| Apparatur zur Hydrodestillation | Abteilung für Forschung zu Arznei- und Aromatischen Pflanzen, Institut für Gartenbau, ARC, Ägypten | N/V | Verwendet zur Gewinnung von ätherischem Öl |
| Analytische Waage | Abteilung für Forschung zu Arznei- und Aromatischen Pflanzen, Institut für Gartenbau, ARC, Ägypten | N/V | Verwendet zum Wägen von Proben |
| 2-mm-Sieb | Abteilung für Forschung zu Arznei- und Aromatischen Pflanzen, Institut für Gartenbau, ARC, Ägypten | N/V | Verwendet zur Bodenvorbereitung |
| Statistix 8.1-Software | Analytical Software | Version 8.1 | Verwendet für ANOVA und statistische Analyse |
Referenzen
- Ozbek H, et al. Hepatoprotective effect of Foeniculum vulgare. essential oil. Fitoterapia. 2003;74:317–319. https://doi.org/10.1016/S0367-326X(03)00028-5
- Choi EM, Hwang JK. Antiinflammatory, analgesic and antioxidant activities of the fruit of Foeniculum vulgare. Fitoterapia. 2004;75:557–565. https://doi.org/10.1016/j.fitote.2004.05.005
- Singh G, et al. Chemical constituents, antifungal and antioxidative potential of Foeniculum vulgare. volatile oil and its acetone extract. Food Control. 2005;17:745–752. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2005.03.010
- Cioanca O, et al. Essential oils from Apiaceae as valuable resources in neurological disorders: Foeniculi vulgare aetheroleum. Ind Crops Prod. 2016;88:51–57. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.02.064
- Saleem F, et al. Phenolic bioactives and associated antioxidant and anti-hyperglycemic functions of select species of Apiaceae family targeting type 2 diabetes nutraceuticals. Ind Crops Prod. 2017;107:518–525. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.06.023
- Safaei Z, et al. The effect of foliar application of humic acid and nanofertilizer on yield and yield components of black cumin (Nigella sativa. L.). J Med Plants Byproducts. 2014;3:133–140. https://doi.org/10.22092/JMPB.2014.108725
- Radhakrishnan S, et al. Nutritional profile of Spirulina platensis, Chlorella vulgaris, and Azolla pinnata. as novel protein sources for aquaculture feed formulation. Austin J Aquac Mar Biol. 2017;2(1):1–8.
- Pérez-Madruga Y, et al. Algae as a natural alternative for crop production. Cultivos Tropicales. 2020;41(2).
- Anvar AA, Nowruzi B. Bioactive properties of Spirulina.: A review. Microb Bioact. 2021;4:134–142. https://doi.org/10.25163/microbbioacts.412117
- Thangaraj M, et al. Phytochemicals of algae (Arthospira platensis, Chlorella vulgaris, and Azolla pinnata.). GSC Biol Pharm Sci. 2022;19(2):23–43. https://doi.org/10.30574/gscbps.2022.19.2.0167
- Chatterjee A, et al. Role of algae as a biofertilizer. In: Algal Green Chemistry: Recent Progress in Biotechnology. 2017:189–200. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63784-0.00010-2
- Yanni YG, et al. Differential response of cotton growth, yield and fiber quality to foliar application of Spirulina platensis. and urea fertilizer. Asian J Adv Agric Res. 2020;12:29–40.
- Page AL, et al. Methods of Soil Analysis. Part 2: Chemical and Microbiological Properties. Madison (WI): SSSA; 1982:39–41.
- Klute A. Methods of Soil Analysis. Part 1: Physical and Mineralogical Methods. 2nd ed. Madison (WI): ASA; 1986.
- Miller LC. The British Pharmacopoeia 1963. J Pharm Pharmacol. 1963;15:766–768. https://doi.org/10.1111/j.2042-7158.1963.tb12872.x
- United States Pharmacopeia (USP). United States Pharmacopeia. Convention Inc.; 1995.
- Gomez KA, Gomez AA. Statistical Procedures for Agricultural Research. New York: John Wiley & Sons; 1984.
- Pradhan AM, et al. Analysis of genetic diversity in Indian potato genotypes using principal component analysis. Electron J Plant Breed. 2015;6(3):782–786.
- Dasgan HY, et al. Biostimulants enhance the nutritional quality of soilless greenhouse tomatoes. Plants. 2024;13(18):2587. https://doi.org/10.3390/plants13182587
- Sivaprakash KR, et al. Genetic diversity of black gram (Vigna mungo.) landraces evaluated by AFLP markers. Curr Sci. 2004;86(10):1411–1416.