Arundo donax — это высокий многолетний тростник . Это один из нескольких так называемых видов тростника . У него есть несколько общих названий, включая гигантский тростник , слоновая трава , карризо , арундо , испанский тростник , колорадский речной тростник , дикий тростник и гигантский тростник . Arundo и donax — это соответственно старые латинское и греческое названия тростника. [3]
Арундо индийский растет на влажных почвах, как пресных, так и умеренно засоленных, и является родным для Большого Ближнего Востока . [4] [5] Он широко распространен и натурализовался в умеренно умеренных, субтропических и тропических регионах обоих полушарий, особенно в Средиземноморье , Калифорнии , западной части Тихого океана и Карибском бассейне , и считается инвазивным в Северной Америке и Океании. [6] [4] [5] [7] [8] Он образует густые заросли на нарушенных участках, песчаных дюнах, водно-болотных угодьях и прибрежных местообитаниях.
Arundo donax обычно вырастает до 6 метров (20 футов) в высоту, или в идеальных условиях может превышать 10 метров (33 фута). Полые стебли имеют диаметр от 2 до 3 сантиметров (от 0,79 до 1,18 дюйма). Серо-зеленые мечевидные листья очередные, от 30 до 60 сантиметров (от 12 до 24 дюймов) в длину и от 2 до 6 сантиметров (от 0,79 до 2,36 дюйма) в ширину с заостренным кончиком и имеют волосатый пучок у основания. В целом растение напоминает огромный тростник обыкновенный ( Phragmites australis ) или бамбук (подсемейство Bambusoideae).
A. donax цветет в конце лета, образуя вертикальные, перистые соцветия длиной от 40 до 60 сантиметров (от 16 до 24 дюймов), которые обычно бессемянные или с семенами, которые редко бывают фертильными. [9] Вместо этого он в основном размножается вегетативно с помощью жестких, волокнистых подземных корневищ , которые образуют узловатые, раскидистые коврики, которые проникают глубоко в почву, до 1 метра (3,3 фута) в глубину. [10] [11] Части стебля и корневища длиной менее 5 сантиметров (2,0 дюйма), содержащие один узел , могут легко прорастать при различных условиях. [12] Такое вегетативное размножение , по-видимому, хорошо приспособлено к наводнениям, которые могут разбивать отдельные скопления A. donax , распространяя части, которые могут прорастать и колонизировать ниже по течению. [10]
Arundo donax — высокая многолетняя трава подсемейства Arundinoideae , характеризующаяся фотосинтезом C3 . Стебли , образующиеся в течение первого вегетационного периода, неразветвленные и фотосинтезирующие. В Средиземноморье , где умеренный климат характеризуется теплым и сухим летом и мягкой зимой, новые побеги гигантского тростника появляются примерно в марте, быстро растут в июне и июле и производят стебли и листья. С конца июля нижние листья начинают высыхать в зависимости от сезонных температурных режимов. Высыхание ускоряется осенью, когда цветение происходит с начала октября до конца ноября. На этой фенологической стадии содержание влаги значительно падает. При низких температурах зимы гигантский тростник прекращает свой рост; отрастание происходит весной. Гигантский тростник ведет себя как однолетнее растение в Центральной Европе , где температура почвы низкая из-за плохой морозостойкости корневищ .
Базовая температура роста, зарегистрированная для гигантского тростника, составляет 7 °C, [13] с максимальной температурой 30 °C. Он обладает высокой фотосинтетической способностью , связанной с отсутствием светового насыщения. Скорость обмена углекислого газа высока по сравнению с другими видами C 3 и C 4 ; максимальное поглощение CO 2 варьировалось от 19,8 до 36,7 мкмоль/с·м 2 в естественных условиях, в зависимости от освещенности и возраста листьев. Обмен углекислого газа регулируется проводимостью листьев. [14]
Исследования показали, что это растение богато активными триптаминовыми соединениями, но есть больше указаний на то, что растения в Индии содержат эти соединения, чем в Соединенных Штатах . [15] Также были обнаружены такие токсины , как буфотенидин [16] и грамин [15] .
Высушенное корневище с удаленным стеблем содержит 0,0057% DMT , 0,026% буфотенина , 0,0023% 5-MeO-MMT. [15] Известно, что в цветках также содержится DMT и 5-метоксилированный N-деметилированный аналог, также 5-MeO-NMT . Довольно токсичная четвертичная метилированная соль DMT, буфотенидин, [15] была обнаружена в цветках, а циклический дегидробуфотенидин был обнаружен в корнях. [ необходима цитата ] Известно также, что A. donax выделяет летучие органические соединения (ЛОС), в основном изопрен . [17]
В большинстве районов, где растет гигантский тростник ( Средиземноморье и США ), жизнеспособные семена не производятся. [18] Сообщается, что стерильность гигантского тростника является результатом неспособности материнской клетки мегаспоры делиться. [19] Эта стерильность , которая резко ограничивает генетическую изменчивость, является препятствием для программ селекции, направленных на повышение производительности и качества биомассы для преобразования энергии. [20] Всего было собрано 185 клонов A. donax от Калифорнии до Южной Каролины и подвергнуто генетическому отпечатку с помощью маркеров на основе SRAP и TE . [21] Гигантский тростник не продемонстрировал молекулярно-генетической изменчивости, несмотря на широкий геномный охват маркеров, использованных в этом исследовании. Молекулярные данные однозначно указывают на единственный генетический клон A. donax в Соединенных Штатах , хотя были задокументированы многочисленные интродукции этого растения в Соединенные Штаты . Другое исследование, проведенное в районе Средиземноморья, взяло образцы гигантского тростника из 80 различных мест и также продемонстрировало низкое генетическое разнообразие в этом регионе. Результаты указывают на возникновение постмейотических изменений в пути развития семяпочки и пыльцы. Данные AFLP подтверждают монофилетическое происхождение гигантского тростника и предполагают, что он возник в Азии , распространившись оттуда в Средиземноморский бассейн .
Гигантский тростник приспособлен к широкому спектру экологических условий, но обычно ассоциируется с прибрежными и водно-болотными системами. Он распространен на юге Соединенных Штатов от Мэриленда до Калифорнии . Растения могут расти на различных почвах, от тяжелых глин до рыхлых песков и гравийных почв, но предпочитают влажные дренированные почвы, где они образуют густые монотипные насаждения.
Арундо — чрезвычайно инвазивное растение в реках юго-западной части Северной Америки, и его продвижение в качестве биотоплива в других регионах вызывает большую озабоченность у экологов и землеустроителей. [22] Арундо индийский был завезен из Средиземноморья в Калифорнию в 1820-х годах в качестве кровельного материала и средства борьбы с эрозией в дренажных каналах в районе Лос-Анджелеса. [23] [10] Благодаря распространению и последующим посадкам в качестве декоративного растения , а также для использования в качестве тростника в духовых инструментах, он натурализовался во всех теплых прибрежных пресных водах Северной Америки , и его ареал продолжает расширяться.
Он также был широко распространен в Южной Америке и Австралазии [23] [12] , а в Новой Зеландии он внесен в список Национального соглашения о вредных растениях как «нежелательный организм». [24] Несмотря на свои инвазивные характеристики в регионах по всему миру, где он не является местным, Арундо продвигается энергетической промышленностью как биотопливная культура. В некоторых регионах, таких как юго-восток Соединенных Штатов, происходят природные катаклизмы, такие как ураганы и наводнения, которые могут широко распространить это растение.
Это одно из самых быстрорастущих наземных растений в мире (почти 10 сантиметров (3,9 дюйма) в день). [8] Согласно имеющимся данным, Арундо не предоставляет никаких источников пищи или мест гнездования для диких животных. Замена местных растительных сообществ Арундо приводит к низкому качеству среды обитания и изменению функционирования экосистемы. [23] [10] Например, он наносит ущерб прибрежным экосистемам Калифорнии, вытесняя местные виды, такие как ивы, за воду. Стебли и листья A. donax содержат множество вредных химических веществ, включая кремний и различные алкалоиды , которые защищают его от большинства насекомых- травоядных и удерживают диких животных от питания им. [23] [25] [10] Травянистые животные, такие как крупный рогатый скот , овцы и козы, могут оказывать на него некоторое влияние, но вряд ли будут полезны для его контроля. [8]
Arundo donax, по-видимому, хорошо приспособлен к пожарам. Он легко воспламеняется в течение всего года, а в более сухие месяцы года (с июля по октябрь) может увеличить вероятность, интенсивность и распространение лесных пожаров в прибрежной среде, изменяя сообщества с определяемых наводнением на определяемые пожаром сообщества. [26] После пожаров корневища A. donax могут быстро восстанавливаться, перерастая местные растения, что может привести к появлению больших зарослей A. donax вдоль прибрежных коридоров. [27] [23] Таким образом, пожары подталкивают систему дальше к моноспецифичным зарослям A. donax .
Сообщество прибрежных растений, в котором доминирует A. donax, также может иметь уменьшенное затенение полога в месте обитания в ручье, что может привести к повышению температуры воды. Это может привести к снижению концентрации кислорода и снижению разнообразия водных животных. [23]
По мере того, как воздействие Arundo donax на окружающую среду и местные виды увеличивалось, предпринимались различные усилия по сокращению его популяции. У него мало естественных врагов в его интродуцированном ареале. Несколько средиземноморских насекомых были импортированы в Соединенные Штаты в качестве агентов биологической борьбы . [23] [25] [10] Известно, что оса арундо, Tetramesa romana , щитовка арундо, Rhizaspidiotus donacis , и муха арундо, Cryptonevra , оказывают определенное воздействие на повреждение растения. Tetramesa romana и совсем недавно Rhizaspidiotus donacis были зарегистрированы в США в качестве агентов биологической борьбы.
Также применялись и другие средства, например, механическая сила, поскольку за пределами своего естественного ареала Arundo donax не размножается семенами, поэтому удаление его корневой системы может быть эффективным средством борьбы с ним. Лишение растения солнечного света истощит его ресурсы и в конечном итоге убьет его. [10] Системные гербициды и глифосат также используются в качестве химических средств.
Министерство внутренней безопасности США считает это растение инвазивным и в 2007 году начало исследования по биологическому контролю. [28] В 2015 году сенатор от Техаса Карлос Урести принял закон о создании программы по искоренению Arundo donax с помощью гербицидов и ос Arundo. [29]
В самом северном регионе Новой Зеландии Arundo donax вытесняет местные растения, [30] сокращает среду обитания диких животных, способствует более высокой частоте и интенсивности пожаров и изменяет гидрологию рек. [31]
Энергетические культуры — это растения, которые выращиваются с четкой целью использования их биомассы энергетически [32] и в то же время сокращения выбросов углекислого газа . Биотопливо, полученное из лигноцеллюлозного растительного материала, представляет собой важную альтернативу возобновляемой энергии ископаемому топливу для транспорта. [33] Многолетние корневищные травы демонстрируют несколько положительных свойств в качестве энергетических культур из-за их высокой производительности, низкой (отсутствия) потребности в питательных веществах вследствие рециркуляции питательных веществ их корневищами , исключительного связывания углерода в почве — просо прутьевидное 4X , множественных продуктов, адаптации к засоленным почвам и соленой воде и устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам .
Гигантский тростник является одной из самых перспективных культур для производства энергии в средиземноморском климате Европы и Африки, где он показал преимущества как местная культура (уже адаптированная к окружающей среде ), долговечная урожайность и устойчивость к длительным периодам засухи . Несколько полевых исследований подчеркнули благотворное влияние гигантского тростника на окружающую среду из-за его минимальной обработки почвы , потребности в удобрениях и пестицидах . Кроме того, он обеспечивает защиту от эрозии почвы [ 34], одного из важнейших процессов деградации земель в средиземноморской и американской среде. Биоэнергетическое сырье A. donax имеет впечатляющий потенциал для нескольких процессов преобразования. Высушенная биомасса имеет высокую теплотворную способность прямого сгорания 19 000 кДж/кг (8 000 БТЕ/фунт). В Италии Arundo donax использовался в одном случае с 1937 по 1962 год в крупномасштабном промышленном масштабе для производства бумаги и растворимой целлюлозы . Этот интерес был стимулирован в первую очередь желанием диктатуры, как раз перед Второй мировой войной , быть независимым от иностранных источников текстильных волокон и желанием экспортировать продукцию. [6] Согласно историческим записям, сделанным Snia Viscosa , гигантский тростник был посажен на 6 300 га в Торвискозе ( Удине ), достигнув среднегодового производства 35 т / га . [35] Сегодня несколько университетов в США, а также в ЕС провели несколько скрининговых исследований энергетических культур с целью оценки и выявления лучших методов управления для максимизации урожайности биомассы и оценки воздействия на окружающую среду.
Установление является критической точкой выращивания. Стебель и корневище обладают большой способностью прорастать после отделения от материнского растения, и оба могут быть использованы для клонального размножения . Было обнаружено, что использование корневищ является лучшим методом размножения для этого вида, достигая лучшей выживаемости. [36] В этом полевом исследовании было замечено, что самая низкая плотность (12 500 корневищ / га ) привела к более высоким и толстым растениям по сравнению с более плотной посадкой (25 000 корневищ / га ). Подготовка семенного ложа проводится весной , непосредственно перед посадкой, проходом с двухдисковым боронованием и проходом с полевым культиватором . Гигантский тростник имеет возможность принять низкую плотность растений. Корневища высаживали на глубину 10–20 сантиметров (3,9–7,9 дюйма) почвы с минимальной плотностью посадки 10 000 растений на гектар , в то время как зрелые стебли с двумя или более узлами можно высаживать на глубину 10–15 сантиметров (3,9–5,9 дюйма). Для обеспечения хорошего корневого столба и адекватного контакта с почвой необходимо достаточное количество влаги сразу после посадки. Предпосевное удобрение распределяется в соответствии с начальным плодородием почвы , но обычно применяется внесение фосфора в размере 80–100 килограммов (180–220 фунтов)/ га .
A. donax сохраняет высокую производительность без орошения в условиях полузасушливого климата . В Южной Италии был проведен эксперимент по проверке урожайности 39 генотипов , и была достигнута средняя урожайность 22,1 т/ га сухого вещества на второй год [37] , что сопоставимо с другими результатами, полученными в Испании (22,5 т/ га ), а также в Южной Греции (19,0 т/ га ). В нескольких отчетах подчеркивалось, что выращивать гигантский тростник более экономично при умеренном орошении .
Для оценки различных методов управления азотные удобрения и потребность во вложениях были оценены в 6-летнем полевом исследовании, проведенном в Университете Пизы . Удобрения повышали производительность в первые годы, но с течением лет и по мере того, как радикальный аппарат постепенно углубляется, различия, вызванные удобрениями, уменьшаются, пока не исчезают. Было обнаружено, что время сбора урожая и плотность растений не влияют на урожайность биомассы .
Благодаря высокой скорости роста и превосходной способности захвата ресурсов (свет, вода и питательные вещества) A. donax не подвержен конкуренции со стороны сорняков со второго года. Обычно рекомендуется применение послевсходовой обработки. Гигантский тростник имеет мало известных болезней или насекомых-вредителей , но при интенсивном выращивании пестициды не используются.
Для удаления гигантского тростника в конце цикла выращивания урожая в основном используются два метода: механический или химический. [38] Экскаватор может быть полезен для выкапывания корневищ или, в качестве альтернативы, однократное внесение 3% глифосата в конце сезона на лиственную массу является эффективным и действенным с наименьшей опасностью для биоты. [39] Глифосат был выбран как наиболее подходящий продукт по конкретным соображениям эффективности, экологической безопасности, остаточной активности почвы, безопасности оператора, времени применения и экономической эффективности. Однако глифосат эффективен только осенью, когда растения активно транспортируют питательные вещества в корневую зону, и обычно требуется многократное повторное применение. Другие гербициды, зарегистрированные для использования в водной среде, могут быть очень эффективны в борьбе с арундо в другое время года.
Arundo donax является сильным кандидатом на использование в качестве возобновляемого источника биотоплива из-за его быстрого роста и его способности расти на разных типах почв и в разных климатических условиях. A. donax будет производить в среднем три килограмма биомассы на квадратный метр (12 тонн на акр/год) после укоренения. [40] Общее количество энергии, необходимое для выращивания одного гектара, увеличивается от неудобренных (4 ГДж га−1) до удобренных (18 ГДж га−1) культур, в то время как максимальный выход энергии составил 496 ГДж га−1, полученный при 20 000 растений на гектар и удобрении; удобрение привело к 15% увеличению биомассы. Среднее значение теплотворной способности биомассы (технически, теплотворная способность, полученная при сжигании образца биомассы в адиабатической системе) гигантского тростника составляет около 17 МДж кг−1 сухого вещества независимо от использования удобрений. [40]
Исследования, проведенные в Европейском Союзе, выявили, что A. donax является наиболее продуктивной и наименее вредной для окружающей среды культурой из всех видов энергетической биомассы (см. FAIR REPORT EU 2004).
Также имеет значение его способность расти в течение 20–25 лет без пересадки.
В Великобритании считается пригодным для посадки в водоемах и вокруг них. [41]
Арундо донакс, выращенный в Австралии, был продемонстрирован как потенциальное сырье для производства современного биотоплива путем гидротермального сжижения . [42]
За пределами его естественного ареала интерес к использованию его в качестве биотопливной культуры необходимо сопоставлять с его значительным инвазивным потенциалом.
Растущая экологическая обеспокоенность вызывает здоровье почвенной системы как один из основных факторов, влияющих на качество и производительность агроэкосистем. Во всем мире несколько регионов подвержены снижению плодородия из-за растущей деградации почв, потери органического вещества и растущего опустынивания. [43] Недавно было проведено исследование для оценки в тех же почвенных и климатических условиях воздействия трех долгосрочных (14 лет) сельскохозяйственных систем, непрерывного гигантского тростника, естественных пастбищ и последовательности возделывания культур, на характеристики органического вещества и размер микробной биомассы в почве. [44] Исследование показало, что долгосрочная система возделывания гигантского тростника, характеризующаяся низкой интенсивностью обработки, положительно влияет на количество и качество органического вещества почвы . Arundo donax показал более высокие значения, чем система вспашки для общего органического углерода почвы, углерода легкой фракции, растворенного органического углерода и углерода микробной биомассы. Что касается параметров гумификации, то статистических различий между гигантским тростником и последовательностью возделывания культур (злаки-бобовые, возделываемые традиционно) не отмечено.
Arundo donax выращивается по всей Азии, Южной Европе, Северной Африке и на Ближнем Востоке на протяжении тысяч лет. Древние египтяне заворачивали своих мертвецов в листья. Трости содержат кремний , возможно, это причина их прочности, и использовались для изготовления удочек и тростей . [ нужна цитата ] Его жесткие стебли также используются в качестве опоры для вьющихся растений или виноградных лоз . [ нужна цитата ]
Это растение, возможно, использовалось в сочетании с гармалой ( Peganum harmala ) для создания напитка, похожего на южноамериканскую аяуаску , и его корни, возможно, восходят к преданию о соме . [45]
Зрелый тростник используется в строительстве в качестве сырья, учитывая его превосходные свойства и трубчатую форму. Его сходство с бамбуком позволяет комбинировать их в зданиях, хотя арундо более гибкий.
В сельских районах Испании на протяжении столетий существовала техника под названием каньисо , состоящая из прямоугольников размером примерно 2 на 1 метр из плетеного тростника, к которым можно было добавить глину или штукатурку. Правильно изолированная каньисо на крыше могла сохранять свои механические свойства более 60 лет. Высокое содержание кремния позволяет тростнику сохранять свои качества с течением времени. Его малый вес, гибкость, хорошее сцепление ткани каньисо и низкая цена сырья были основными причинами использования этой техники. Однако в последние десятилетия миграция сельских жителей из сельской местности в городские центры и интенсивная эксплуатация земель сократили ее использование.
В последнее время предпринимаются инициативы по восстановлению использования этого материала, сочетающие древние методы строительства мудхифов (тростниковых домов) на юге Ирака с новыми материалами.
Различные ассоциации и коллективы, такие как CanyaViva, выступают пионерами в исследованиях совместно с испанскими университетами.
Древние греки использовали тростник для изготовления флейт , известных как kalamaulos , от kalamos («тростник») + aulos («флейта»). В то время лучший тростник для флейт привозили с берегов реки Кефисс в Аттике, Греция . Несколько kalamauloi, настроенных по-разному и связанных вместе, составляли сиринкс . Гигантский тростник использовался для изготовления флейт более 5000 лет. Флейты Пана состоят из десяти или более труб, сделанных из тростника. Древняя флейта с продольным выдуванием ney сделана из того же тростника. [46]
A. donax по-прежнему является основным исходным материалом для производителей тростей для кларнетов , саксофонов , гобоев , фаготов , волынок и других духовых инструментов. [47] Область Вар на юге Франции славится своими инструментальными тростями.
В молодом возрасте A. donax легко поедается жвачными животными, но по мере созревания становится несъедобным. [48] A. donax также использовался в искусственных водно-болотных угодьях для очистки сточных вод. [49]
{{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )