Panicum virgatum , широко известный как просо прутьевидное , является многолетним теплосезонным дернистым злаком, произрастающим в Северной Америке, где он встречается в природе от 55° северной широты в Канаде на юг в Соединенные Штаты и Мексику. Просо прутьевидное является одним из доминирующих видов высокотравных прерий центральной Северной Америкии может быть найдено в остаточных прериях, на местных пастбищах и натурализовалось вдоль обочин дорог. Он используется в основном для сохранения почвы , производства кормов , укрытия для дичи, как декоративная трава , в проектах фиторемедиации , для производства волокна, электроэнергии, тепла, для биосеквестрации атмосферного углекислого газа , а в последнее время как культура биомассы для производства этанола и бутанола .
Другие распространенные названия проса прутьевидного включают в себя: высокую траву, траву Вобсквы, полевицу черную, высокую луговую траву, дикую красную траву , соломенную траву и виргинское просо.
Просо прутьевидное — выносливая, глубоко укорененная, многолетняя корневищная трава, которая начинает расти поздней весной . Она может вырасти до 2,7 м (8 футов 10 дюймов) в высоту, но обычно короче, чем большая сизая трава или индийская трава . Листья имеют длину 30–90 см (12–35 дюймов) с выступающей средней жилкой. Просо прутьевидное использует фиксацию углерода C4 , что дает ему преимущество в условиях засухи и высокой температуры. [2] Его цветы имеют хорошо развитую метелку , часто до 60 см (24 дюйма) в длину, и она приносит хороший урожай семян . Семена имеют длину 3–6 мм ( 1 ⁄ 8 – 1 ⁄ 4 дюйма) и ширину до 1,5 мм ( 1 ⁄ 16 дюйма) и развиваются из одноцветкового колоска . Обе колосковые чешуи присутствуют и хорошо развиты. При созревании семена иногда приобретают розовый или тускло-фиолетовый оттенок, а осенью становятся золотисто-коричневыми вместе с листвой растения. Просо прутьевидное является как многолетней, так и самосевной культурой, что означает, что фермерам не нужно сажать и пересевать после ежегодного сбора урожая. После того, как просо сформировалось, травостой прутьевидного может существовать в течение десяти лет или дольше. [3] В отличие от кукурузы , просо прутьевидное может расти на маргинальных землях и требует относительно скромного уровня химических удобрений . [3] В целом, оно считается ресурсоэффективной, низкозатратной культурой для производства биоэнергии из сельскохозяйственных угодий.
Большая часть Северной Америки, особенно прерии Среднего Запада Соединенных Штатов, когда-то была основным местом обитания обширных полос местных трав, включая просо прутьевидное, индийскую траву ( Sorghastrum nutans ), восточную траву гамаграсс ( Tripsacum dactyloides ), андропогон герарди ( Andropogon gerardi ), малую траву голубую ( Schizachyrium scoparium ) [4] и другие. Когда европейские поселенцы начали распространяться на запад по континенту, местные травы были распаханы, а земли преобразованы в сельскохозяйственные культуры, такие как кукуруза , пшеница и овес . Ввезенные травы, такие как овсяница , мятлик и ежа сборная [5], также заменили местные травы для использования в качестве сена и пастбища для скота. [4]
Просо прутьевидное — универсальное и легко приспосабливаемое растение. Оно может расти и даже процветать при многих погодных условиях, продолжительности вегетационного периода, типах почв и состояниях земли. Его распространение простирается к югу от широты 55° с. ш. от Саскачевана до Новой Шотландии , на юге — на большей части Соединенных Штатов к востоку от Скалистых гор и далее на юг в Мексику . [7] Как многолетняя трава теплого сезона , большая часть его роста приходится на период с конца весны до начала осени; он становится спящим и непродуктивным в более холодные месяцы. Таким образом, продуктивный сезон в его северной среде обитания может быть всего три месяца, но в южных пределах его среды обитания вегетационный период может длиться до восьми месяцев, вокруг побережья Мексиканского залива . [8]
Просо прутьевидное — это разнообразный вид с поразительными различиями между растениями. Это разнообразие, которое, предположительно, отражает эволюцию и адаптацию к новым условиям по мере распространения вида по континенту, обеспечивает ряд ценных признаков для селекционных программ. Просо прутьевидное имеет две различные формы, или «цитотипы»: сорта низменности , которые, как правило, производят больше биомассы, и горные сорта, которые, как правило, имеют более северное происхождение, более устойчивы к холоду и поэтому обычно предпочтительны в северных районах. Типы горного проса, как правило, ниже, ≤ 2,4 м (7 футов 10 дюймов) в высоту, и менее грубые, чем типы низменности. Сорта низменности могут вырастать до ≥ 2,7 м (8 футов 10 дюймов) в благоприятных условиях. Как горные, так и низинные сорта имеют глубокие корни, > 1,8 м (5 футов 11 дюймов) в благоприятных почвах, и имеют короткие корневища . Типы горных растений, как правило, имеют более мощные корневища, поэтому сорта низинных растений могут выглядеть как кустистые злаки, в то время как типы горных растений, как правило, более дернообразующие. Сорта низинных растений кажутся более пластичными по своей морфологии, дают более крупные растения, если насаждения редеют или когда их высаживают широкими рядами, и они, по-видимому, более чувствительны к стрессу от влаги, чем сорта горных растений. [9]
В местных прериях просо просо исторически встречается в ассоциации с несколькими другими важными местными высокотравными растениями прерий , такими как большой голубой стебель, индийская трава, маленький голубой стебель, овсянка боковая , восточная гамаграсс и различные разнотравья ( подсолнечник , гейпер , прерийный клевер и прерийная эхинацея). Эти широко адаптированные виды высокотравья когда-то занимали миллионы гектаров. [10]
Пригодность проса проса для выращивания в Гран-Чако изучает Аргентинский национальный институт агропекуарии (INTA). [11]
Просо прутьевидное можно выращивать на землях, которые считаются непригодными для выращивания пропашных культур , включая земли, которые слишком подвержены эрозии для выращивания кукурузы , а также на песчаных и гравийных почвах во влажных регионах, которые обычно дают низкую урожайность других сельскохозяйственных культур. Невозможно предложить единый метод выращивания проса прутьевидного для всех ситуаций. Культуру можно выращивать как с помощью нулевой обработки, так и с помощью традиционной обработки почвы . При посеве в составе разнообразной смеси следует соблюдать рекомендации по посадке смесей трав теплого сезона для природоохранных насаждений. Существуют региональные рекомендации по выращиванию и уходу за просом прутьевидным для биоэнергетических или природоохранных насаждений. Несколько ключевых факторов могут повысить вероятность успеха выращивания проса прутьевидного. К ним относятся: [12]
Для борьбы с сорняками рекомендуется скашивание и правильно маркированные гербициды . Химическую борьбу с сорняками можно использовать осенью перед укоренением или до или после посадки. Сорняки следует скашивать чуть выше высоты растущего проса. Следует избегать гормональных гербицидов, таких как 2,4-Д , поскольку они, как известно, снижают развитие проса при применении в начале года укоренения. [13] Посадки, которые кажутся неудавшимися из-за заражения сорняками, часто оцениваются неправильно, поскольку неудача часто более очевидна, чем на самом деле. Посевы проса, которые изначально засорены сорняками, обычно хорошо укореняются при соответствующем управлении в последующие годы. [12] После укоренения просу может потребоваться до трех лет, чтобы достичь своего полного производственного потенциала. [14] В зависимости от региона, он обычно может производить от 1/4 до 1/3 своего потенциала урожайности в первый год и 2/3 своего потенциала в год после посева. [15]
После укоренения управление просом будет зависеть от цели посева. Исторически большинство посевов проса управлялись для Программы сохранения резервов в США. Для оптимизации полезности насаждения для поощрения биоразнообразия требуется такое вмешательство, как периодическое скашивание, сжигание или дискование . Повышенное внимание уделяется управлению просом как энергетической культурой . Как правило, культура требует умеренного внесения азотных удобрений , поскольку она не является тяжелым кормом. Типичное содержание азота (N) в стареющем материале осенью составляет 0,5% N. Внесение азотных удобрений в размере около 5 кг N/ га (га), применяемых на каждую тонну удаленной биомассы , является общим руководством. Более конкретные рекомендации по удобрению доступны на региональном уровне в Северной Америке . Гербициды не часто используются для проса после года посева, поскольку эта культура, как правило, довольно конкурентоспособна с сорняками. Большинство процессов преобразования биоэнергии для проса, включая процессы для производства целлюлозного этанола и топливных гранул, обычно допускают некоторые альтернативные виды в собранной биомассе . Посадки проса следует собирать не чаще двух раз в год, и один укос часто обеспечивает столько же биомассы, сколько два. Просо можно собирать с помощью того же полевого оборудования , что и для производства сена , и оно хорошо подходит для тюкования или сбора урожая навалом. Если его биология должным образом принята во внимание, просо может иметь большой потенциал в качестве энергетической культуры. [12] [16]
Просо прутьевидное может использоваться в качестве сырья для производства энергии из биомассы , как почвопокровное растение для сохранения почвы и для борьбы с эрозией , в качестве корма и пастбища , как укрытие для дичи и как сырье для биоразлагаемых пластиков. Его могут использовать фермеры, занимающиеся скотоводством, для сена и пастбищ , а также в качестве заменителя пшеничной соломы во многих областях применения, включая подстилку для скота , соломенные тюки и субстрат для выращивания грибов.
Кроме того, просо прутьевидное выращивается как засухоустойчивая декоративная трава на почвах средней и высокой влажности, на открытом солнце и в полутени.
Это предпочтительное растение-хозяин для личинок Dargida rubripennis . [17] Это также растение-хозяин для личинок делавэрского толстоклюва и толстоклюва Hobomok . [18]
Просо прутьевидное исследовалось как возобновляемая биоэнергетическая культура с середины 1980-х годов, поскольку это местная многолетняя трава теплого сезона, способная давать умеренные и высокие урожаи на маргинальных сельскохозяйственных угодьях. В настоящее время рассматривается возможность его использования в нескольких процессах преобразования биоэнергии, включая производство целлюлозного этанола , биогаза и прямого сжигания для получения тепловой энергии . Основными агрономическими преимуществами проса прутьевидного как биоэнергетической культуры являются его долговечность, устойчивость к засухе и наводнениям, относительно низкие требования к внесению гербицидов и удобрений , простота управления, выносливость в плохих почвенных и климатических условиях и широко распространенная приспособляемость в умеренном климате. В некоторых теплых влажных южных зонах, таких как Алабама , он способен производить до 25 тонн сухой массы с гектара (ODT/га). Сводка урожайности проса на 13 исследовательских испытательных участках в Соединенных Штатах показала, что два лучших сорта в каждом испытании давали от 9,4 до 22,9 т/га при средней урожайности 14,6 ODT/га. [19] Однако эта урожайность была зафиксирована на небольших участках испытаний, и можно было бы ожидать, что коммерческие полевые участки будут по крайней мере на 20% ниже этих результатов. В Соединенных Штатах урожайность проса, по-видимому, самая высокая в теплых влажных регионах с длинными вегетационными периодами, такими как юго-восток США, и самая низкая в сухих районах с коротким сезоном на севере Великих равнин . [19] Энергозатраты, необходимые для выращивания проса, благоприятны по сравнению с однолетними семенными культурами, такими как кукуруза , соя или рапс , которые могут потребовать относительно высоких энергетических затрат для полевых работ, сушки урожая и удобрения. Целые растения травянистых многолетних трав C4- трав являются желательными источниками энергии биомассы, так как они требуют меньше ископаемой энергии для роста и эффективно улавливают солнечную энергию из-за их фотосинтетической системы C4 и многолетней природы. В одном исследовании говорится, что для производства 1 тонны проса требуется от 0,97 до 1,34 ГДж, по сравнению с 1,99 до 2,66 ГДж для производства 1 тонны кукурузы. [20] Другое исследование показало, что просо использует 0,8 ГДж/ODT ископаемой энергии по сравнению с 2,9 ГДж/ODT зерновой кукурузы. [21] Учитывая, что просо содержит приблизительно 18,8 ГДж/ODT биомассы, соотношение выхода и входа энергии для урожая может достигать 20:1. [22] Это весьма благоприятное соотношение объясняется сравнительно высокой выработкой энергии на гектар и низкими затратами энергии на производство.
Значительные усилия прилагаются для разработки проса как целлюлозной этанольной культуры в США. В своем обращении к Конгрессу США в 2006 году Джордж Буш-младший предложил использовать просо для производства этанола; [23] [24] [25] с тех пор более 100 миллионов долларов США было инвестировано в исследование проса как потенциального источника биотоплива. [26] Просо имеет потенциал для производства до 380 литров этанола на тонну собранного урожая. [27] Однако современная технология преобразования травянистой биомассы в этанол составляет около 340 литров на тонну. [28] Напротив, кукурузный этанол дает около 400 литров на тонну. [29]
Главным преимуществом использования проса по сравнению с кукурузой в качестве сырья для этанола является то, что себестоимость его производства обычно составляет около 1/2 от стоимости зерна кукурузы, и в поле можно получить больше энергии биомассы с гектара. [22] Таким образом, целлюлозный этанол из проса должен давать более высокий выход этанола с гектара при более низких затратах. Однако это будет зависеть от того, можно ли значительно снизить стоимость строительства и эксплуатации заводов по производству целлюлозного этанола. Энергетический баланс отрасли по производству этанола из проса также считается существенно лучшим, чем у этанола из кукурузы . В процессе биоконверсии лигниновую фракцию проса можно сжигать, чтобы обеспечить достаточное количество пара и электроэнергии для работы биоперерабатывающего завода . Исследования показали, что на каждую единицу потребляемой энергии, необходимую для создания биотоплива из проса, получается четыре единицы энергии . [30] Напротив, кукурузный этанол дает около 1,28 единиц энергии на единицу потребляемой энергии. [31] Исследование 2008 года, проведенное на Великих равнинах [32], показало, что для производства этанола из проса этот показатель составляет 6,4, или, альтернативно, что в произведенном этаноле содержалось на 540% больше энергии, чем было использовано при выращивании проса и превращении его в жидкое топливо . Однако остаются барьеры коммерциализации для разработки технологии целлюлозного этанола. Прогнозы начала 1990-х годов о коммерциализации целлюлозного этанола к 2000 году [33] не были выполнены. Таким образом, коммерциализация целлюлозного этанола оказывается серьезной проблемой, несмотря на заслуживающие внимания исследовательские усилия.
Тепловые энергетические применения проса, по-видимому, ближе к краткосрочному масштабированию, чем целлюлозный этанол для промышленных или мелкомасштабных применений. Например, просо можно прессовать в топливные гранулы , которые впоследствии сжигаются в пеллетных печах, используемых для отопления домов (которые обычно сжигают кукурузные или древесные гранулы ). [14] Просо широко тестировалось в качестве замены угля в производстве электроэнергии . Наиболее широко изученным проектом на сегодняшний день был проект Chariton Valley в Айове . [34] Кооператив Show-Me-Energy (SMEC) в Миссури [35] использует просо и другие травы теплого сезона, а также древесные отходы в качестве сырья для гранул, используемых для сжигания на угольной электростанции. В Восточной Канаде просо используется в пилотном масштабе в качестве сырья для коммерческих отопительных систем. Были проведены исследования горения , и, по-видимому, оно хорошо подходит в качестве коммерческого котельного топлива. Также проводятся исследования по разработке проса в качестве пеллетного топлива из-за нехватки излишков древесных отходов в восточной Канаде [36] , поскольку замедление в лесной промышленности в 2009 году теперь приводит к нехватке древесных гранул по всей восточной части Северной Америки. Вообще говоря, прямое сжигание проса для термических применений может обеспечить самый высокий чистый прирост энергии и соотношение выхода и затрат энергии среди всех процессов биоконверсии проса. [37] Исследования показали, что проса, когда ее гранулируют и используют в качестве твердого биотоплива, является хорошим кандидатом на замену ископаемого топлива. Было установлено, что гранулы проса имеют соотношение выхода и затрат энергии 14,6:1, что существенно лучше, чем у жидких вариантов биотоплива с сельскохозяйственных угодий. [21] В качестве стратегии смягчения последствий выбросов парниковых газов было обнаружено, что гранулы проса являются эффективным средством использования сельскохозяйственных угодий для смягчения последствий выбросов парниковых газов порядка 7,6–13 тонн CO 2 на гектар. Напротив, было обнаружено, что целлюлозный этанол из проса и кукурузный этанол снижают выбросы CO2 на 5,2 и 1,5 тонны на гектар соответственно. [16]
Исторически основным ограничением для разработки трав для тепловой энергетики была сложность, связанная со сжиганием трав в обычных котлах , поскольку проблемы качества биомассы могут вызывать особую озабоченность при сжигании. Эти технические проблемы теперь, по-видимому, в значительной степени решены с помощью методов управления урожаем, таких как осеннее скашивание и весенний сбор урожая , которые позволяют происходить выщелачиванию , что приводит к меньшему количеству аэрозолеобразующих соединений (таких как K и Cl) и N в траве. Это уменьшает образование клинкера и коррозию и позволяет просу быть чистым источником топлива для сжигания для использования в небольших сжигательных приборах. Травы, собранные осенью, вероятно, имеют большее применение для более крупных коммерческих и промышленных котлов. [38] [39] [40] Просо также используется для отопления небольших промышленных и фермерских зданий в Германии и Китае с помощью процесса, используемого для производства низкокачественного заменителя природного газа . [41]
Бай и др. (2010) провели исследование для анализа экологической устойчивости использования растительного материала проса в качестве сырья для производства этанола . [42] Для проведения этой оценки использовался анализ жизненного цикла . Они сравнили эффективность E10 , E85 и этанола с бензином . Они приняли во внимание выбросы в атмосферу и воду, связанные с выращиванием, управлением, обработкой и хранением урожая проса. Они также учли транспортировку хранящегося проса на завод по производству этанола, где, по их мнению, расстояние составляло 20 км. Снижение потенциала глобального потепления при использовании E10 и E85 составило 5 и 65% соответственно. Их модели также предполагали, что «потенциал токсичности для человека» и «потенциал экотоксичности» были существенно выше для топлива с высоким содержанием этанола (т. е. E85 и этанола), чем для бензина и E10.
В 2014 году была создана генетически измененная форма бактерии Caldicellulosiruptor bescii , которая может дешево и эффективно превращать просо в этанол. [43] [44]
В новом приложении американские ученые генетически модифицировали просо прутьевидное, чтобы оно могло производить полигидроксибутират , который накапливается в виде гранул, похожих на бусины, внутри клеток растения. [45] В предварительных испытаниях было показано, что сухой вес листьев растения содержит до 3,7% полимера. [46] Такие низкие показатели накопления не позволяют, по состоянию на 2009 год, коммерческое использование проса прутьевидного в качестве биоисточника.
Просо прутьевидное полезно для сохранения и улучшения почвы , особенно в Соединенных Штатах и Канаде, где просо прутьевидное является эндемичным. Просо прутьевидное имеет глубокую мочковатую корневую систему — почти такую же глубокую, как и высота растения. Поскольку оно, наряду с другими местными злаками и разнотравьем , когда-то покрывало равнины Соединенных Штатов, которые сейчас являются кукурузным поясом , влияние прошлой среды обитания просо прутьевидного было благоприятным, что способствовало появлению плодородных сельскохозяйственных угодий, которые существуют сегодня. Глубокие мочковатые корневые системы просо прутьевидного оставили глубокий богатый слой органического вещества в почвах Среднего Запада, сделав эти моллисолевые почвы одними из самых продуктивных в мире. Возвращая просо прутьевидное и другие многолетние травы прерий в качестве сельскохозяйственной культуры, многие маргинальные почвы могут выиграть от повышения уровня органического материала, проницаемости и плодородия из-за глубокой корневой системы травы.
Эрозия почвы , как от ветра, так и от воды, вызывает большую озабоченность в регионах, где растет просо прутьевидное. Благодаря своей высоте просо прутьевидное может образовывать эффективный барьер от ветровой эрозии. [47] Его корневая система также отлично удерживает почву на месте, что помогает предотвратить эрозию от наводнений и стоков. Некоторые департаменты автодорог (например, KDOT ) использовали просо прутьевидное в своих семенных смесях при восстановлении роста вдоль дорог. [48] Его также можно использовать на участках карьеров , дамб [47] и плотин прудов. Округа охраны природы во многих частях Соединенных Штатов используют его для контроля эрозии в травяных водотоках из-за его способности закреплять почвы, одновременно обеспечивая среду обитания для диких животных.
Просо прутьевидное — отличный корм для крупного рогатого скота; однако, оно показало токсичность для лошадей, овец и коз [49] [50] [51] из-за химических соединений, известных как сапонины , которые вызывают светочувствительность и повреждение печени у этих животных. Исследователи продолжают узнавать больше о конкретных условиях, при которых просо прутьевидное наносит вред этим видам, но пока не будет обнаружено больше, рекомендуется не кормить их просо прутьевидным. Однако для крупного рогатого скота его можно кормить в качестве сена или выпасать.
Выпас проса требует бдительных методов управления, чтобы обеспечить выживание насаждения. Рекомендуется начинать выпас, когда растения достигают высоты около 50 см, и прекращать выпас, когда растения будут съедены до высоты около 25 см, и давать пастбищу отдохнуть 30–45 дней между периодами выпаса. [52] Просо становится стебельчатым и невкусным по мере созревания, но в течение целевого периода выпаса это благоприятный корм с относительной кормовой ценностью (RFV) 90–104. [53] Вертикальный характер роста травы помещает ее точку роста с поверхности почвы на ее стебель, поэтому для повторного роста важно оставить 25 см стерни. При уборке проса на сено первый срез происходит на поздней стадии выхода в трубку — примерно в середине июня. Это должно позволить провести второй срез в середине августа, оставив достаточно отрастания, чтобы пережить зиму. [54]
Просо прутьевидное хорошо известно среди защитников дикой природы как хороший корм и среда обитания для горных видов птиц , таких как фазан , перепел , тетерев и дикая индейка , а также певчих птиц , с его обильными мелкими семенами и высоким покровом. Исследование, опубликованное в 2015 году, показало, что просо прутьевидное, выращиваемое в традиционной монокультуре, оказывает неблагоприятное воздействие на некоторых диких животных. [55] В зависимости от того, насколько густо посажено просо прутьевидное и с чем оно сочетается, оно также обеспечивает отличный корм и укрытие для других диких животных по всей стране. Для тех производителей, у которых на ферме есть насаждения проса, это считается экологическим и эстетическим преимуществом из-за обилия диких животных, привлекаемых насаждениями проса. Некоторые члены Prairie Lands Bio-Products, Inc. в Айове даже превратили это преимущество в прибыльный бизнес, сдавая в аренду свои земли, занятые просом, для охоты в соответствующие сезоны. [56] Преимущества для дикой природы могут быть расширены даже в крупномасштабном сельском хозяйстве посредством процесса полосовой уборки, как рекомендует Общество дикой природы , которое предполагает, что вместо того, чтобы убирать урожай со всего поля сразу, можно практиковать полосовую уборку, чтобы не уничтожать всю среду обитания, тем самым защищая диких животных, населяющих просо. [57]
Сорта Panicum virgatum используются как декоративные растения в садах и ландшафтном дизайне. Следующие сорта получили награду Королевского садоводческого общества « За заслуги в садоводстве »:
