В данном исследовании оценивалось влияние органического удобрения и применения биостимуляторов на фенхель в полевых условиях в Египте. Наивысшая урожайность была получена при внесении 60 L ha⁻1 компостного чая в сочетании с Azolla или Spirulina. Данная обработка повысила урожайность и качество эфирного масла фенхеля.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Исследовательская статья
Органическое удобрение и биостимуляторы улучшают рост, урожайность и производство эфирного масла фенхеля (Foeniculum vulgare): полевое исследование
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Настоящее исследование проводилось в течение двух последовательных сезонов (2023/24 и 2024/25) на экспериментальной ферме horticultural research station в Эль-Кассасине, провинция Исмаилия, Египет, с целью оценки отклика растений фенхеля (Foeniculum vulgare Mill.) на органическое удобрение и применение биостимуляторов. Эксперимент был основан на методе расщепленных делянок, при котором трем уровням дозировки компостного чая (360, 480 и 600 L ha⁻1) были назначены основные делянки, а пять вариантов обработки биостимуляторами (контроль, экстракты Azolla, Spirulina, Nostoc и Chlorella) — подделянки, что в итоге дало 15 комбинаций обработок. Оценивались параметры вегетативного роста, компоненты урожайности, содержание эфирного масла (EO), а также выход масла с одного растения и с гектара. Более высокие уровни внесения компостного чая, особенно 60 L ha⁻1 (Ct3), в сочетании с биостимуляторами Azolla (F2) или Spirulina (F3), последовательно приводили к увеличению выхода масла с одного растения и с гектара, при этом комбинация Ct3 × F3 обеспечила максимальную урожайность (5.58 kg ha⁻1 в первом сезоне и 58.85 kg ha⁻1 во втором сезоне). Анализ главных компонентов подтвердил эти результаты, указав на то, что повышение урожайности было связано с согласованным увеличением показателей, относящихся к выработке масла, а не с одним единственным фактором. Эти результаты показывают, что применение Ct3 в сочетании с F2 или F3 было наиболее эффективным методом повышения выхода и качества масла в полевых условиях.
Введение
Фенхель (F. vulgare Mill.) — широко культивируемое лекарственное и ароматическое растение, ценное своими семенами и эфирным маслом, которые обладают фармакологическими, антибактериальными, противовоспалительными и антиоксидантными свойствами1,2,3,4,5. Растущий спрос на продукты из фенхеля в фармацевтической, нутрицевтической и пищевой промышленности заставляет совершенствовать системы производства для повышения урожайности и качества масла при одновременном снижении воздействия на окружающую среду.
Традиционное выращивание фенхеля в значительной степени опирается на минеральные удобрения для достижения высокой продуктивности. Однако чрезмерное использование синтетических добавок связывают с проблемами долгосрочной устойчивости, включая снижение микробной активности и деградацию почвы5. Эти проблемы вызвали интерес к стратегиям органического удобрения, в частности к внесению компостных добавок, которые улучшают структуру почвы, биологическую активность и доступность питательных веществ6.
Компостный чай, представляющий собой аэрированный водный экстракт зрелого компоста, стал перспективным органическим удобрением благодаря содержанию растворимых питательных веществ, органических кислот и полезных микроорганизмов7. Было показано, что внесение компостного чая через ирригационные системы способствует ускорению роста растений и улучшению усвоения питательных веществ, одновременно снижая зависимость от химических удобрений8. Параллельно с этим внимание в качестве биостимуляторов привлекли водные растения и микроводоросли, такие как Azolla, Spirulina, Nostoc и Chlorella, owing to их высокому содержанию аминокислот, фитогормонов, витаминов и минералов7,9,10. Сообщалось, что некорневая подкормка этими экстрактами улучшает рост, накопление биомассы и урожайность различных садовых культур8,1,12.
Несмотря на растущее количество данных, подтверждающих индивидуальную эффективность компостного чая и биостимуляторов, их совместное применение в полевых условиях изучено недостаточно, особенно для лекарственных культур, таких как фенхель. Большинство предыдущих исследований были сосредоточены на применении одного из этих средств или проводились в контролируемых условиях, что оставляет неопределенность в отношении их синергического воздействия на вегетативный рост, компоненты урожайности и выработку эфирных масел в системах коммерческого выращивания.
Чтобы восполнить этот пробел, в настоящем исследовании оценивалось комбинированное воздействие четырех различных экстрактов биостимуляторов и трех уровней применения компостного чая на рост, урожайность и выработку эфирного масла фенхеля в условиях открытого грунта при капельном орошении. Данная работа представляет четко определенный полевой подход к интеграции почвенного внесения компостного чая с листовыми биостимуляторами и дает представление о стратегиях устойчивого управления питанием, применимых в засушливых и полузасушливых регионах.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
В данном исследовании использовались только растительные материалы; эксперименты с участием людей или животных не проводились. Таким образом, этическое одобрение не потребовалось. Инструменты исследования, используемые в данном протоколе, перечислены в Таблице материалов.
1. Экспериментальный участок
Эксперимент проводили в сезоны 2023/24 и 2024/25 на экспериментальной ферме станции садовых исследований Эль-Кассасин, провинция Исмаилия, Египет (30°53′ N, 31°56′ E), с целью оценки реакции растений фенхеля (F. vulgare Mill.) на внесение органических удобрений и применение биостимуляторов. Климатические условия в период вегетации (ноябрь–апрель) регистрировались метеостанцией Исмаилии. Средние минимальная и максимальная температуры воздуха составляли 12–18 °C и 22–30 °C соответственно, а относительная влажность воздуха варьировала в пределах 50%–65%. В течение периодов проведения эксперимента экстремальных погодных явлений зафиксировано не было (Рисунок 1).
Рисунок 1: Схематическое представление дизайна эксперимента методом разделенных участков, показывающее уровни внесения компостного чая на основных участках и варианты обработки биостимуляторами на подучастках в трех повторностях. Ct.1, Ct.2 и Ct.3 соответствуют 360, 480 и 600 литрам на гектар (ha) при внесении в почву, где F.1, F.2, F.3, F.4 и F.5 обозначают некорневое опрыскивание в концентрации 2 cm3/L воды для экстрактов контрольной группы, Azolla, Spirulina, Nostoc и Chlorella соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
2. Растительный материал
Семена фенхеля были получены из Отдела исследований лекарственных и ароматических растений Исследовательского института садоводства Центра сельскохозяйственных исследований в Докки, Гиза, Египет. Семена высевали в питомники в первую неделю ноября, после приживаления сеянцы прореживали до одного растения на одну лунку.
3. Отбор и анализ проб почвы
Перед подготовкой почвы были отобраны смешанные пробы почвы (глубина 0–30 см), которые подвергли воздушному высушиванию, просеяли через сито с ячейками 2 mm и проанализировали на физико-химические свойства с использованием стандартных протоколов13,14 (Таблица 1).
| Распределение частиц по размеру (%) | Гранулометрический состав | *О.В. (%) | |||||||
| Крупнозернистый песок | Мелкий песок | Ил | Глина | Сэнди | 0.48 | ||||
| 80.65 | 14.06 | 3.8 | 1.49 | ||||||
| pH | ЭП дС/м | % SP | Катионы (мэкв/л) | Анионы (мэкв/л) | |||||
| Ca++ | Mg++ | Na+ | К+ | ГК О (гидрокарбонат)3- | Cl- | СО4 | |||
| 8 | 0.79 | 28 | 4 | 2.68 | 1.79 | 0.61 | 1.4 | 4.38 | 2.98 |
| *О.В.(%): органическое вещество | |||||||||
Таблица 1: Физические и химические свойства экспериментальной почвы. Характеристики включают гранулометрический состав, текстурный класс, содержание органического вещества, pH, электропроводность, процент насыщения, а также основные катионы и анионы.
4. Схема эксперимента
Эксперимент был проведен по методу расщепленного рандомизированного полного блока с тремя повторностями. Уровни концентрации компостного чая назначались основным делянкам, а варианты применения биостимуляторов — подделянкам (Рисунок 2). Площадь каждой делянки составляла 8,4 m2, на которой было высажено 24 растения, расположенных в три ряда (длиной 4 m), с расстоянием 70 cm между рядами и 50 cm между растениями внутри рядов.
Капельный полив осуществляли с помощью эмиттеров, подававших 4 L h⁻1 на один холмик в течение 1 h каждые два дня. Чтобы предотвратить взаимное влияние вариантов опыта, одна гряда между делянками оставалась незасаженной в качестве буферной зоны.
Все участки при подготовке почвы за две недели до посадки получили 24 t ha⁻1 компоста. Минеральные удобрения вносились в дозе 50% от рекомендуемой нормы (RD): 360 kg ha⁻1 сульфата аммония (20,6% N), 240 kg ha⁻1 суперфосфата кальция (15,5% P₂O₅) и 120 kg ha⁻1 сульфата калия (48% K₂O). Азотные и калийные удобрения вносились тремя равными дозами с интервалом в 15 дней, в то время как фосфорное удобрение вносилось однократно в качестве основной дозы. На протяжении всего периода вегетации соблюдались стандартные агротехнические приемы.
Рисунок 2: Выход масла на гектар (kg ha⁻¹) и его относительное увеличение по сравнению с контрольным вариантом (T1: Ct1 × F1) в течение первого (S1) и второго (S2) сезонов. Ct1 соответствует самому низкому уровню компостного чая (360 L ha⁻¹), а F1 — необработанному контролю. Варианты обработки определены следующим образом: 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) и T15 (Ct3 × F5). Планки погрешностей представляют стандартную ошибку среднего (SEM). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
5. Обработка компостным чаем
Зрелый компост на растительной основе подвергали аэробной экстракции в пресной воде в течение 24–48 ч. Полученный компостный чай имел электропроводность 1,2–1,6 dS m⁻1 и слабощелочное значение pH (7,5–8,0). Компостный чай вносили способом капельного орошения в дозах 360, 480 или 600 L ha⁻1 в течение 16-недельного периода, начиная через один месяц после посева.
6. Приготовление и применение биостимулятора
Свежая биомасса Azolla caroliniana, Spirulina platensis, Nostoc muscorum и Chlorella vulgaris была гомогенизирована в дистиллированной воде в соотношении 1:10 (м/об), отфильтрована и разведена до конечной концентрации 2 cm3 L⁻1 (приблизительно 1200 L ha⁻1). Экстракты готовили непосредственно перед применением и наносили путем некорневой подкормки трижды за вегетационный период (30, 60 и 90 дней после посадки), используя ручной распылитель до полного увлажнения поверхности.
7. Зарегистрированные данные
Параметры вегетативного роста
Шесть случайно выбранных растений из каждой экспериментальной единицы были собраны через 65 дней после посадки. Высота растений (cm) измерялась от основания до верхушки главного стебля. Регистрировали общую сырую массу надземной части (g) и сухую массу (g), при этом сухую массу определяли после высушивания образцов в сушильном шкафу при 70 °C в течение 48 h до достижения постоянного веса. Количество ветвей на одном растении рассчитывали как среднее значение по всем отобранным растениям.
Экстракция эфирного масла (ЭМ)
Эфирное масло экстрагировали из 40 g собранных плодов методом гидроперегонки в течение 3 h согласно методу, описанному Миллером15. Полученное масло оставляли в покое до полного разделения фаз16.
Определение содержания и выхода эфирного масла
Содержание эфирного масла (% масс.) рассчитывали следующим образом:
Где:
WEO = масса экстрагированного эфирного масла (g)
Wsample = сухая масса образца растения, подвергнутого гидродистилляции (g)
Выход эфирного масла с одного растения рассчитывали следующим образом:
Где:
DWplant = сухая масса всей травы на одно растение (g)
EO content = процентное содержание эфирного масла в пересчете на сухую массу (% w/w)
Примечание: Плотность эфирного масла была принята приблизительно за 1 g cm⁻3, что позволило перевести граммы в кубические сантиметры.
Выход эфирного масла на гектар рассчитывали следующим образом:
Где:
EO yieldplant - 1= выход эфирного масла с одного растения (cm3)
Nplants = количество растений на гектар
1000 = коэффициент пересчета из cm3 в L
Примечание: Все расчеты выхода масла основывались на сухом веществе, чтобы избежать вариабельности, связанной с влажностью растений.
Показатель выхода
Количество зонтиков на одно растение регистрировали на стадии созревания плодов путем подсчета всех зонтиков на каждом растении.
8. Статистический анализ
Для каждого признака и сезона наблюдения на уровне повторов были проверены на нормальность распределения с помощью критерия Шапиро–Уилка. Поскольку значимых отклонений от нормальности не наблюдалось (p > 0.05), был применен параметрический анализ. Данные анализировали с помощью дисперсионного анализа (ANOVA) для схемы с расщепленным участком в программе Statistix 8.1 (Analytical Software, 2008), а средние значения по вариантам сравнивали с использованием критерия наименьшей значимой разности (LSD)17.
Анализ главных компонентов (PCA) был проведен как многомерный инструмент для обобщения взаимосвязей между измеренными признаками. Собственные значения использовались для определения относительного вклада каждого компонента, а визуализация с помощью биплота — для сравнения вариантов обработки и ассоциаций признаков18.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Тесты Шапиро–Уилка показали, что распределения всех измеренных переменных существенно не отклонялись от нормального в оба сезона (p > 0.05). Дисперсионный анализ выявил, что взаимодействие между уровнем компостного чая (Ct) и обработкой листьев биостимулятором (F) оказывало значительное влияние на показатели вегетативного роста, количество зонтиков и показатели содержания масла (процент масла, выход масла с одного растения и выход масла с гектара) в оба вегетационных периода.
Отклик...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Настоящее исследование демонстрирует, что повышение уровней компостного чая значительно улучшило рост фенхеля, его репродуктивные признаки и продуктивность эфирных масел в течение двух вегетационных периодов, особенно в сочетании с определенными некорневыми биостимуляторами.
Более высокие концентрации компостного чая (Ct3) привели к увеличению количества зонтиков и выхода масла, что согласуется с предыдущими данными о том, что органические жидкие подкормки повышают жизнеспособность растений и ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Благодарности
Авторы выражают благодарность Деканату последипломного образования и научных исследований Университета Таифа за финансирование данной работы.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Семена фенхеля (Foeniculum vulgare Mill.) | Отдел исследований лекарственных и ароматических растений, Научно-исследовательский институт садоводства, ARC, Египет | Данные отсутствуют | Семена, использованные для полевого эксперимента |
| Компост на растительной основе | Местный коммерческий поставщик / источник на экспериментальной ферме | Нет данных | Используется для приготовления компостного чая и внесения основных почвенных поправок |
| Компостный чай | Подготовлено в соответствии с экспериментальным протоколом | Нет данных | Аэрированный водный экстракт зрелого компоста |
| Azolla caroliniana биомасса | Научно-исследовательский институт воды и окружающей среды, Центр сельскохозяйственных исследований, Гиза, Египет | Нет данных | Используется для приготовления экстракта из листьев |
| Spirulina platensis биомасса | Научно-исследовательский институт воды и окружающей среды, Центр сельскохозяйственных исследований, Гиза, Египет | Данные отсутствуют | Используется для приготовления экстракта из листьев |
| Nostoc muscorum биомасса | Научно-исследовательский институт водных ресурсов и окружающей среды, Центр сельскохозяйственных исследований, Гиза, Египет | Нет данных | Используется для приготовления экстракта из листьев |
| Chlorella vulgaris биомасса | Научно-исследовательский институт воды и окружающей среды, Центр сельскохозяйственных исследований, Гиза, Египет | Данные отсутствуют | Используется для приготовления экстракта из листьев |
| Дистиллированная вода | Научно-исследовательский институт воды и окружающей среды, Центр сельскохозяйственных исследований, Гиза, Египет | Поскольку исходный текст не был предоставлен, пожалуйста, введите текст, который необходимо перевести. | Используется для приготовления экстракта |
| Сульфат аммония (20,6% N) | Министерство сельского хозяйства и мелиорации земель Египта | Данные отсутствуют | Источник минеральных удобрений |
| Суперфосфат кальция (15,5% P2О5) | Министерство сельского хозяйства и мелиорации земель Египта | Данные отсутствуют | Источник минеральных удобрений |
| Сульфат калия (48% K2О) | Министерство сельского хозяйства и мелиорации земель Египта | Текст отсутствует. | Источник минеральных удобрений |
| Эмиттеры капельного орошения (4 л/ч)-1) | Отдел исследований лекарственных и ароматических растений, Научно-исследовательский институт садоводства, ARC, Египет | Нет данных | Система ирригации |
| Ручной распылитель | Отдел исследований лекарственных и ароматических растений, Научно-исследовательский институт садоводства, ARC, Египет | Нет данных | Используется для некорневой подкормки |
| Сушильный шкаф | Отдел исследований лекарственных и ароматических растений, Научно-исследовательский институт садоводства, Сельскохозяйственный исследовательский центр (ARC), Египет | Н/П | Температура в печи поддерживается на уровне 70 °C |
| Аппарат для гидродистилляции | Отдел исследований лекарственных и ароматических растений, Научно-исследовательский институт садоводства, Сельскохозяйственный исследовательский центр (ARC), Египет | Данные отсутствуют | Используется для экстракции эфирных масел |
| Аналитические весы | Отдел исследований лекарственных и ароматических растений, Научно-исследовательский институт садоводства, Центр сельскохозяйственных исследований (ARC), Египет | Данные отсутствуют | Используется для взвешивания образцов |
| сито с размером ячеек 2 мм | Отдел исследований лекарственных и ароматических растений, Научно-исследовательский институт садоводства, ARC, Египет | Поскольку исходный текст не был предоставлен, пожалуйста, введите контент, который необходимо перевести. | Используется для подготовки почвы |
| программное обеспечение Statistix 8.1 | Аналитическое программное обеспечение | Версия 8.1 | Используется для дисперсионного анализа (ANOVA) и статистической обработки данных |
Ссылки
- 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.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.