Для чого використовують біомасу міскантусу
Стебла збирають сухими наприкінці зими або на початку весни. Це волокниста біомаса з низькою зольністю, придатна для кількох напрямів використання; двом із них, мульчі та субстрату, присвячено окремі статті:
Тверде біопаливо
З біомаси виготовляють пелети й брикети, які спалюють у котлах, зокрема для опалення.
Підстилка для тварин
Підстилку з міскантусу використовують для худоби та коней: вона добре вбирає вологу й дає мало пилу.
Біогаз
Біомасу зброджують в анаеробних умовах, щоб отримати біогаз.
Целюлоза та волокно
Із целюлози та волокна міскантусу виготовляють папір, картон, пакувальні матеріали й біокомпозити.
Який напрям найвигідніший, залежить від місцевого попиту, вартості перевезення, можливостей переробки та площі плантації. Ціну тепла з тюків, газу, пічного палива й пелет ми порівнюємо в статті про міскантус як паливо. У промисловому масштабі з’являється ще один напрям: виробництво сировини для сталого авіаційного палива (SAF). Законодавство ЄС тепер встановлює мінімальну частку SAF у реактивному паливі, яке продають в аеропортах Євросоюзу. Відпрацьованими оліями можна покрити лише невелику частину цього попиту. Подальше зростання виробництва SAF доведеться забезпечувати за рахунок нехарчової целюлозної біомаси й синтетичного палива з водню та уловленого CO₂. Докладніше про це йдеться в статті про авіаційне паливо з міскантусу.
Клімат і зимостійкість
Де росте клон Illinois і як він перезимовує
У Європі клон Illinois може прижитися і давати врожай на дуже різних ділянках, від південних до прохолодніших центральних і північних регіонів. За межами Європи він росте в холоднішому й більш континентальному кліматі Середнього Заходу США, де Іллінойський університет вивчає його з 2002 року. Почасти це пояснюється тим, що фотосинтез у нього триває за нижчих температур, ніж у багатьох рослин типу C4.
Міскантус — зимостійка багаторічна культура. Узимку стебла відмирають, і їх збирають сухими. Під землею рослина зимує у вигляді ризом у стані спокою, а навесні відростає знову. Плантації, що вже прижилися, витримують і холодні зими, бо ґрунт, сніг і опале листя захищають ризоми від промерзання. Ризоми гинуть, якщо температура ґрунту навколо них опускається на кілька градусів нижче нуля. У першу зиму після садіння плантація найвразливіша.
Міскантус може добре рости й на маргінальних землях, менш придатних для продовольчих культур, зокрема на легких, кам’янистих або малопродуктивних ґрунтах. Тому господарство може відвести під нього гірші поля, а кращі залишити в сівозміні. Проте умови ділянки мають значення: на перезволожених або малопотужних ґрунтах урожайність нижча. Садіння на таких землях ми докладніше описуємо в статті про маргінальні й забруднені землі.
Як вибрати ділянку й закласти плантацію, докладно пояснюємо в посібнику з вирощування міскантусу.
Біобезпека
Стерильність і ризик поширення
Міскантус походить з Азії, тому кожен, хто вирощує його на великих площах у Європі, має знати, чи може він поширитися за межі поля і стати інвазивним. Для Miscanthus × giganteus Illinois відповідь на це питання залежить насамперед від його стерильності.
Клон Illinois — стерильний триплоїд. У нього три набори хромосом, і він не утворює життєздатного насіння. Трави поширюються за межі поля здебільшого насінням: його розносить вітер або воно осипається в канави, живоплоти, на узбіччя та сусідні землі. Клон цим шляхом не поширюється. Це одна з головних причин, чому його вирощують на біомасу: він дає високі врожаї без ризику поширення насінням, характерного для фертильних форм міскантусу.
Проте клон може поширюватися ризомами. Плантація повільно розростається по краях, і це легко помітити. Щоб стримати це розростання, край підрізають, уздовж нього обробляють ґрунт або скошують поворотну смугу. Від поширення водою ці заходи не захищають: під час повені або внаслідок ерозії шматки ризом може віднести вниз за течією. Тому плантації не варто закладати на берегах струмків і на укосах канав, які затоплює вода.
Для землевласників, покупців і регуляторів це так само важливо, як і для аграріїв. Плантація на біомасу стоїть у полі багато років і часто займає великі площі, тому законність, простежуваність і біобезпеку теж враховують в економічному обґрунтуванні. Оскільки клон розмножують ризомами, приживлюваність і врожайність на кожному гектарі залежать від якості садивного матеріалу.
Рід Miscanthus
Гігантський міскантус і його батьківські види
Про міскантус часто говорять як про одну культуру, хоча ця назва охоплює кілька споріднених азійських трав, які в полі дуже по-різному ростуть і поширюються. Для комерційної плантації на біомасу найважливіше значення має генотип: чи фертильна рослина, як вона поширюється і чи можна простежити походження її садивного матеріалу.
Обидва батьківські види, Miscanthus sinensis і Miscanthus sacchariflorus, фертильні й можуть утворювати життєздатне насіння. Їхній гібрид, клон Illinois, — це високоврожайний стерильний триплоїд, про який ішлося вище.
M. sinensis
Його знають насамперед як декоративну траву. Він фертильний, утворює життєздатне насіння і за сприятливих умов може поширюватися за межі ділянок, де його висадили.
M. sacchariflorus
Це сильнорослий вид, поширений у вологіших місцях. Він фертильний, утворює життєздатне насіння, а також активно розростається ризомами. Тому в деяких частинах Європи до нього ставляться обережно як до потенційно інвазивного виду.
Походження
Звідки походить наш садивний матеріал: покоління G0–G2
Комерційні плантації міскантусу в ЄС зазвичай закладають ризомами стерильного триплоїда Miscanthus × giganteus. Проте якість ризом цього генотипу в різних постачальників дуже відрізняється. Покупець може перевірити її ще до садіння, а від неї значною мірою залежить приживлюваність плантації.
Наш садивний матеріал походить від рослин G0, вирощених у лабораторії. Їх перевіряють на патогени, а відповідність клону підтверджують генетичним аналізом. Далі ми розмножуємо їх у полі протягом двох поколінь, G1 і G2, а матеріал наступних поколінь для розмноження не використовуємо.
Коли ланцюжок розмноження короткий, легше зберегти генетичну однорідність плантації, простежуваність матеріалу й здоров’я рослин. Знижується і ризик того, що в рослинах накопичаться патогени або до лінії потрапить інший матеріал. Таке може статися, якщо лінію розмножують без обмежень.
Вибір генотипу
У таблиці зіставлено клон Illinois, насіннєві лінії міскантусу та форми M. sinensis за основними критеріями вибору садивного матеріалу.
Насіннєві лінії міскантусу не варто подавати як пряму заміну клону Illinois для комерційного вирощування на біомасу в ЄС. Вони фертильні й утворюють насіння, тому щодо них виникають окремі питання регулювання та біобезпеки. Окрім урожайності й вартості закладання плантації, аграрій має знати, чи зареєстрований такий матеріал, чи дозволений і чи прийнятний для комерційного вирощування у виробничих масштабах.
Клон Illinois залишається стандартом для комерційного вирощування на біомасу, бо він стерильний, має тривалу історію польових досліджень, а садять його ризомами з простежуваним походженням.
Історія та походження
Походження клону Illinois та історія його досліджень у Європі й США
Походження комерційного Miscanthus × giganteus незвично добре задокументоване. Майже всі комерційні лінії походять від стерильного гібрида, який данський садівник Аксель Ольсен 1935 року привіз із Японії до Данії. Пізніше рослину визначили як Miscanthus × giganteus, гібрид Miscanthus sinensis і Miscanthus sacchariflorus.
Оскільки M. × giganteus не утворює життєздатного насіння, його розмножують поділом ризом. Тому комерційні плантації закладають матеріалом одного відомого клонального генотипу.
Привезено з Японії
Садівник Аксель Ольсен привозить до Данії первісний стерильний гібрид.
Визначено як M. × giganteus
Рослину визначають як стерильний триплоїдний гібрид за участю M. sinensis і M. sacchariflorus. Її поширюють між європейськими ботанічними та дослідницькими колекціями.
Польові випробування в Європі
Європейські дослідники переносять рослину з ботанічних колекцій у польові досліди як культуру на біомасу. У таких програмах, як Miscanthus Productivity Network (MPN) і European Miscanthus Improvement (EMI), вивчають у дуже різних умовах Європи приживлюваність, урожайність, якість біомаси, напрями використання та генетичні ресурси.
Закон про біомасу та перший звіт Billion-Ton у США
У 2000 році в США ухвалюють закон про дослідження та розробки в галузі біомаси (Biomass Research and Development Act). Він створює федеральну основу для спільної роботи міністерств сільського господарства (USDA) та енергетики (DOE) над біомасою, біоенергією та біопродуктами. У 2005 році DOE і USDA публікують перший звіт Billion-Ton Study, у якому оцінюють, чи можуть Сполучені Штати на сталій основі постачати понад мільярд тонн сухої біомаси на рік. Високоврожайні багаторічні трави, зокрема міскантус, починають обговорювати на національному рівні як сировину.
Перші досліди в Іллінойсі
В Іллінойському університеті перевіряють, чи може M. × giganteus рости в Іллінойсі, чи дасть він більше врожаю, ніж просо прутоподібне, і чи досягне в полі врожайності, розрахованої за моделями.
Довгострокові досліди та назва клону
Дослідники Іллінойського університету починають багаторічні польові досліди з M. × giganteus як джерелом біомаси. Від цих північноамериканських робіт походить комерційна назва «клон Illinois». Результати американських польових і біоенергетичних досліджень, які тривають майже три десятиліття, стосуються і європейського клону.
Значне фінансування біоенергетичних досліджень у США
У США від моделювання переходять до масштабних досліджень із біоенергетики. DOE фінансує нові центри біоенергетичних досліджень. Компанія BP вкладає 500 млн доларів у новий Інститут енергетичних біонаук (Energy Biosciences Institute), а одним із головних партнерів стає Іллінойський університет. Серед багаторічних культур, які випробовують як сировину для целюлозного палива та біопродуктів, є і міскантус.
Стаття дослідників з Іллінойсу
Емілі Гітон, Френк Долеман і Стівен Лонг публікують статтю «Meeting US biofuel goals with less land: The potential of Miscanthus». Автори показують, що M. × giganteus може давати високі врожаї біомаси з меншої площі, ніж звичайні однорічні культури. Завдяки цій статті культура стає широко відомою серед американських фахівців із біоенергетики.
Оновлені звіти Billion-Ton і проєкт OPTIMISC
У звітах Billion-Ton Update і Billion-Ton Report 2016 року уточнено національну модель постачання біомаси в США, а міскантус зараховано до трав’янистих енергетичних культур, які вирощують спеціально на біомасу. У Європі в межах проєкту OPTIMISC новий генетичний матеріал міскантусу порівнюють зі стандартним клоном M. × giganteus у різноманітних кліматичних і ґрунтових умовах. Результати проєкту доповнюють дані про вибір генотипу, вирощування на маргінальних землях, строки збирання, якість біомаси та її придатність для різних напрямів використання.
Центр CABBI в США та проєкт GRACE у Європі
Міністерство енергетики США засновує в Іллінойсі CABBI, Центр передових інновацій у біоенергетиці та біопродуктах. Там вивчають міскантус: від генетики та вдосконаленої сировини до переробки й біопродуктів. У Європі в межах проєкту GRACE демонструють вирощування міскантусу й конопель у великому масштабі на малопродуктивних, забруднених і невикористовуваних землях. Це виробництво пов’язують із промисловими ланцюгами доданої вартості.
Отже, походження клону Illinois відоме, у Європі його вивчають у польових дослідах уже кілька десятиліть, в Іллінойському університеті досліджують майже три десятиліття, а в американських звітах Billion-Ton його враховано. Для покупця, який на 15–20 років віддає землю під плантацію на біомасу, це означає, що опубліковані дані про врожайність отримано на тій самій рослині, яку він вирощуватиме. Це справедливо за умови, що його садивний матеріал можна простежити до самого клону.
Часті запитання
Джерела
- Heaton, E. A., Dohleman, F. G. & Long, S. P. (2008). Meeting US biofuel goals with less land: the potential of Miscanthus. Global Change Biology, 14(9).
- Hodkinson, T. R. & Renvoize, S. (2001). Nomenclature of Miscanthus × giganteus (Poaceae). Kew Bulletin, 56(3).
- U.S. Department of Energy (2016). 2016 Billion-Ton Report. DOE EERE.
- Regulation (EU) 2016/2031 on protective measures against pests of plants. EUR-Lex.
