stringtranslate.com

Мискантус × гигантский

Miscanthus × giganteus , также известный как гигантский мискантус , является стерильным гибридом Miscanthus sinensis и Miscanthus sacchariflorus . [b] Это многолетняя трава с бамбукоподобными стеблями, которая может вырасти до высоты 3–4 метров (13 футов) за один сезон (начиная с третьего сезона). [c] Так же, как Pennisetum purpureum , Arundo donax и Saccharum ravennae , ее также называют слоновой травой.

Многолетняя природа Miscanthus × giganteus , его способность расти на маргинальных землях, его водоэффективность, неинвазивность, низкая потребность в удобрениях, значительная секвестрация углерода и высокая урожайность вызвали значительный интерес среди исследователей, [d] некоторые утверждают, что он обладает «идеальными» свойствами энергетической культуры . [e] Некоторые утверждают, что он может обеспечить отрицательные выбросы, в то время как другие подчеркивают его свойства очистки воды и улучшения почвы. Однако существуют практические и экономические проблемы, связанные с его использованием в существующей инфраструктуре сжигания на основе ископаемого топлива. Торрефикация и другие методы улучшения топлива изучаются в качестве контрмер для решения этой проблемы.

Области использования

Miscanthus × giganteus в основном используется как сырье для твердого биотоплива . Его можно сжигать напрямую или перерабатывать в гранулы или брикеты. Его также можно использовать как сырье для жидкого биотоплива или биогаза.

В качестве альтернативы, мискантус также можно использовать в качестве строительного материала и в качестве изоляции. [f] Материалы, производимые из мискантуса, включают древесноволокнистые плиты, композитные мискантус/древесностружечные плиты и блоки. Его можно использовать в качестве сырья для целлюлозы и волокон, а также формованных изделий, таких как экологически чистые одноразовые тарелки, чашки, картонные коробки и т. д. Целлюлоза может быть далее переработана в метилцеллюлозу и использована в качестве пищевой добавки и во многих промышленных целях. Волокна мискантуса являются сырьем для армирования биокомпозитных или синтетических материалов. В сельском хозяйстве солома мискантуса используется для мульчирования почвы для сохранения влажности почвы, подавления роста сорняков и предотвращения эрозии. Кроме того, высокое соотношение углерода к азоту в мискантусе делает его негостеприимным для многих микробов, создавая чистую подстилку для птицы, крупного рогатого скота, свиней, лошадей и домашних животных. Мискантус, используемый в качестве подстилки для лошадей, можно сочетать с производством органических удобрений. [1] Мискантус также может использоваться в качестве источника клетчатки в кормах для домашних животных. [2]

Жизненный цикл

Распространение

Miscanthus × giganteus размножается путем разрезания корневищ (его подземных стеблей) на небольшие части, а затем повторной посадки этих частей на глубину 10 см (4 дюйма) под землей. Один гектар (2,5 акра) корневищ мискантуса, разрезанных на части, можно использовать для посадки 10–30 гектаров новых полей мискантуса (коэффициент размножения 10–30). [g] Размножение корневищ — это трудоемкий способ посадки новых культур, но происходит только один раз в течение жизни культуры. Доступны альтернативные методы размножения, [3] или находящиеся в разработке [h] [i], такие как узловое размножение. [j] Для размножения семенами прогнозируется снижение стоимости вдвое. [k]

Управление

Растение требует мало гербицидов , если вообще требует, и только в начале первых двух сезонов. После этого плотный полог и мульча, образованная мертвыми листьями, эффективно подавляют рост сорняков. [4] [5] Из-за высокой эффективности использования азота мискантусом , [l] удобрения также обычно не требуются. [m] Мульчирующая пленка, с другой стороны, помогает как M. x giganteus, так и различным гибридам на основе семян расти быстрее и выше, с большим количеством стеблей на растение, эффективно сокращая фазу укоренения с трех лет до двух. [n] Причина, по-видимому, в том, что эта пластиковая пленка сохраняет влажность в верхнем слое почвы и повышает температуру. [o]

Урожай

Компьютерное моделирование оценки урожайности Miscanthus x giganteus в Европе (без орошения).
Компьютерная модель оценки урожайности для Miscanthus × giganteus в США (средняя на основе всех типов почв). Карту с оценками урожайности в 2–4 раза выше см. Miguez et al. (рисунок 3). Здесь неэкономичные типы почв (ниже 10 т/га) исключены из расчета. [6]

Мискантус необычайно эффективен в превращении солнечной радиации в биомассу , [p] и его эффективность использования воды является одной из самых высоких среди всех культур. [q] Он имеет вдвое большую эффективность использования воды, чем его собрат C4- растение кукуруза , вдвое большую эффективность, чем энергетическая культура C3 ива ( Salix viminalis ), и в четыре раза большую эффективность, чем растение C3 пшеница. [r] Типичный зимний урожай Великобритании в 11–14 тонн сухой массы на гектар (1,1–1,4 килограмма на квадратный метр (0,23–0,29 фунта/кв. фут)) производит 200–250 ГДж/га (22 000–28 000 кВт·ч/акр) энергии в год. Это выгодно отличается от кукурузы (98 ГДж/га), рапса (25 ГДж/га) и пшеницы / сахарной свеклы (7–15 ГДж/га). [s] В США было показано, что M. × giganteus дает урожай в два раза больше, чем просо прутьевидное. [7]

Во многих местах в Европе плантации мискантуса производят больше чистой энергии, чем любые конкурирующие энергетические культуры, из-за высокой урожайности и низких требований к использованию энергии для управления фермерским хозяйством. [t] Основными конкурентами по урожайности являются ива и тополь, выращиваемые на плантациях с коротким оборотом поросли (SRC) или лесного хозяйства с коротким оборотом (SRF). В северных частях Европы ива и тополь приближаются, а иногда и превосходят зимнюю урожайность мискантуса в том же месте. [u] В глобальном масштабе, по оценкам ФАО , урожайность лесных плантаций колеблется от 0,4 до 12,2 тонн с гектара (0,16–4,86 длинных тонн/акр; 0,18–5,44 коротких тонн/акр) сухой массы в год. Русская сосна имеет самую низкую урожайность (0,4–2 т/га), в то время как эвкалипт в Аргентине, Бразилии, Чили и Уругвае, а также тополь во Франции/Италии имеют самую высокую, с 7,8–12,2 т/га для эвкалипта и 2,7–8,4 т/га для тополя. [v] МГЭИК оценивает, что мировая урожайность лесных плантаций (до потерь, связанных с вырубкой) колеблется от 0,4 до 25 тонн, при этом большинство плантаций дают от 5 до 15 тонн. Однако естественные леса имеют более низкую урожайность, от 0,1 до 9,3 сухих тонн с гектара в год, при этом большинство естественных лесов дают от 1 до 4 тонн. [8] Средняя урожайность естественных лесов в умеренном климате составляет от 1,5 до 2 сухих тонн с гектара в год до потерь, связанных с вырубкой. [w] [9]

Пик урожайности мискантуса приходится на конец лета, но сбор урожая обычно откладывается до зимы или ранней весны. Урожайность в этот момент примерно на треть ниже из-за опадения листьев, но качество сгорания выше (из-за меньшего количества влаги и хлора в биомассе). Отложенный сбор урожая также позволяет азоту вернуться обратно в корневище для использования растением в следующем вегетационном сезоне. [x]

В Европе пиковая (осенняя) урожайность сухой массы была измерена примерно до 10–40 тонн с гектара в год (4–16 тонн с акра в год), в зависимости от местоположения, со средней пиковой урожайностью сухой массы 22 тонны. [y] Отдельные испытания показывают пиковую урожайность 17 тонн (Дания), 17–30 тонн (Германия и Австрия), 25 тонн (Нидерланды), 39 тонн (Португалия) и 42–49 тонн (Франция). Отдельные испытания также показывают отложенную (зимнюю/весеннюю) урожайность 10 тонн (Дания), 11–17 тонн (Великобритания), 14 тонн (Испания), 10–20 тонн (Германия), 16–17 тонн (Нидерланды), 22 тонны (Австрия), 20–25 тонн (Италия), 26–30 тонн (Португалия) и 30 тонн (Франция). [1] Другое испытание показало отсроченный урожай в 15 тонн в Германии. [z] Исследователи оценили средний отсроченный урожай в 10 тонн для Великобритании, [aa] и от 10,5 до 15 тонн для Великобритании. [10]

Как можно видеть, урожайность самая высокая в Южной Европе; в целом 25–30 тонн в богарных условиях (если сбор урожая откладывается до зимы/весны). При орошении отдельные испытания в Португалии дали 36 тонн, в Италии 34–38 тонн и в Греции 38–44 тонны. [11] Испытания в Иллинойсе, США, дали 10–15 тонн с акра (25–37 т/га). Как и в Европе, урожайность увеличивается по мере продвижения на юг.

Для биомассы в целом ожидается, что урожайность будет выше в тропическом климате, чем в умеренном. [ab] Однако , что касается Miscanthus × giganteus , исследователи расходятся во мнениях относительно потенциальной урожайности. Поскольку в тропиках пока не проводились реальные полевые испытания, возможны только оценки, основанные на теории. Некоторые утверждают, что растение переносит жару, [ac] и что потенциальная урожайность составляет от 60 до 100 сухих тонн с гектара в год. [ad] Другие утверждают, что устойчивость к жаре низкая, и, следовательно, прогнозируют низкую урожайность. [ae] Существует согласие, что другие генотипы мискантуса обладают высокой устойчивостью к жаре, например, Miscanthus Sinensis . [12] Другие типы слоновой травы, явно подходящие для высоких температур (различные варианты слоновой травы), как было показано, дают урожай до 80 тонн с гектара, [af] [ag] [ah] , а коммерческие разработчики слоновой травы заявляют об урожайности примерно в 100 сухих тонн с гектара в год, при условии наличия достаточного количества осадков или орошения (100 мм в месяц). [ai] [aj]

Общая площадь пригодных для сельского хозяйства земель, земель, уже используемых для производства продуктов питания, и земель, доступных для биоэнергетики в 2010, 2020 и 2030 годах. [13]
Крутые, малообитаемые земли.

В целом, ожидания урожайности для маргинальных земель ниже, чем для пахотных земель в той же географической области. Маргинальные земли — это земли с проблемами, которые ограничивают рост, например, низкая способность хранить воду и питательные вещества , высокая соленость , токсичные элементы, плохая текстура, малая глубина почвы, плохой дренаж , низкое плодородие или крутой рельеф. В зависимости от того, как определяется этот термин, в мире существует от 1,1 до 6,7 млрд гектаров маргинальных земель. [ak] Для сравнения, Европа состоит примерно из 1 млрд гектаров (10 млн км2 или 3,9 млн квадратных миль), а Азия — из 4,5 млрд гектаров (45 млн км2 или 17 млн ​​квадратных миль). По данным IRENA (Международного агентства по возобновляемым источникам энергии), в настоящее время для производства продуктов питания во всем мире используется 1,5 млрд гектаров земли, в то время как «[...] около 1,4 млрд га [гектаров] дополнительных земель пригодны, но не используются на сегодняшний день и, таким образом, могут быть выделены для поставок биоэнергии в будущем». [14] По оценкам МГЭИК, в мире имеется от 0,32 до 1,4 млрд га маргинальных земель, пригодных для биоэнергетики. [al] По оценкам проекта ЕС MAGIC, в Европейском союзе имеется 45 млн га (449 901 км2; сопоставимо со Швецией по площади) маргинальных земель, пригодных для плантаций Miscanthus × giganteus , [15] с тремя классами ожидаемой урожайности (высокая: 30–40 т/га/год, средняя: 20–30 т/га/год и низкая: 0–20 т/га/год). [16]

Miscanthus × giganteus умеренно или высокоустойчив к жаре, засухе, наводнениям, засолению (ниже 100  мМ ) и низким температурам почвы (до −3,4 °C или 25 °F). [am] Эта устойчивость позволяет создавать относительно высокоурожайные поля мискантуса на маргинальных землях, например, в прибрежных районах, влажных местообитаниях, лугах, заброшенных мельницах, опушках лесов, берегах рек, предгорьях и горных склонах. [17] 99% засоленных маргинальных земель Европы можно использовать для плантаций M. × giganteus, при этом ожидаемая максимальная потеря урожайности составит всего 11%. [an] Поскольку засоление до 200 мМ не влияет на корни и корневища, секвестрация углерода продолжается без изменений. [ao] Исследователи обнаружили потерю урожая в 36% на маргинальном участке, ограниченном низкими температурами (Москва), по сравнению с максимальной урожайностью на пахотных землях в Центральной Европе. Они также обнаружили потерю урожая в 21% на маргинальном участке, ограниченном засухой (Турция), по сравнению с максимальной урожайностью на пахотных землях в Центральной Европе. [ap]

Исследователи прогнозируют среднюю урожайность 14,6 сухих тонн с гектара в год для мискантуса на маргинальных землях в Китае, что на 12,6% ниже ожидаемой средней урожайности на пахотных землях. Они подсчитали, что мискантус на маргинальных землях в Китае может производить 31,7 ЭДж (эксаджоулей) энергии в год, [18] что эквивалентно 39% от потребления угля в стране в 2019 году. [aq] Отдельное испытание в Ирландии показало среднюю отсроченную урожайность 9 тонн с гектара в год на участке, страдающем от низких температур, заболачивания зимой и сухой, потрескавшейся почвы летом. [19] Исследователи сообщили об урожайности от 17 до 31 тонны на различных почвах в США (Кентукки, Иллинойс, Небраска, Нью-Джерси, Вирджиния и Северная Каролина) и сравнили их с конкретным испытанием с использованием слегка удобренных 3-летних культур мискантуса на эродированных глинистых почвах, распространенных на Среднем Западе (глинистый слой — это слой глины под верхним слоем почвы, который делает почву непригодной для зерновых культур). Урожайность мискантуса составляла 20–24 тонны с гектара в год (задержка сбора урожая). Авторы пришли к выводу, что «[...] эродированные глинистые почвы не могут отрицательно влиять на укоренение или урожайность мискантуса». [20]

Программное обеспечение для прогнозирования урожайности Miscanfor предсказывает, что 30 дней сухости почвы — это средний максимальный период времени, в течение которого урожай мискантуса может выдержать до увядания, в то время как 60 дней — это максимальный период, прежде чем его корневища погибнут и урожай придется пересаживать. [ar] Помимо достаточного количества осадков, для высокой урожайности важна водоудерживающая способность почвы, особенно в засушливые периоды. [as] В почвах с плохой водоудерживающей способностью орошение в сезон укоренения важно, поскольку оно позволяет корням проникать гораздо глубже под землю, тем самым увеличивая способность растений собирать воду. [at] [au] [av]

Мискантус относительно хорошо растет на почвах, загрязненных металлами или промышленной деятельностью в целом. [21] Например, в одном испытании было обнаружено, что M. × giganteus поглотил 52% свинца и 19% мышьяка в почве за три месяца. [22] Поглощение стабилизирует загрязняющие вещества, поэтому они не попадают в воздух (в виде пыли), в грунтовые воды, соседние поверхностные воды или соседние районы, используемые для производства продуктов питания. [aw] Если загрязненный мискантус используется в качестве топлива, на месте сжигания необходимо установить соответствующее оборудование для решения этой ситуации. [23] В целом, однако, «[…] мискантус является [a] подходящей культурой для объединения производства биомассы и экологического восстановления загрязненных и маргинальных земель». [24] Исследователи утверждают, что из-за способности мискантуса быть «[…] продуктивным на сельскохозяйственных землях более низкого качества, включая загрязненные тяжелыми металлами и засоленные почвы […]», он может «[…] способствовать устойчивой интенсификации сельского хозяйства, позволяя фермерам диверсифицировать и поставлять биомассу для расширяющегося рынка, не ставя под угрозу продовольственную безопасность». [25]

Выход – сравнение с другими источниками энергии

Для расчета потребностей в землепользовании для различных видов производства энергии необходимо знать соответствующие удельные показатели производства энергии на поверхности (например, производство энергии на квадратный метр).

Ядерная энергетика имеет очень высокую плотность мощности. Ядерная генерирующая станция Брюс , одна из крупнейших атомных электростанций в мире, занимает в общей сложности 932 гектара (2300 акров) земли и имеет общую тепловую мощность 22 656 МВт. Общая чистая электрическая мощность составляет 6508 МВт. Таким образом, площадная плотность мощности составляет 2431 Вт/м 2 (225,8 Вт/кв. фут) для тепловой мощности и 698,3 Вт/м 2 (64,87 Вт/кв. фут) для чистой электрической мощности. Нефтяные месторождения также могут быть очень энергоплотными. Нефтяное месторождение Гавар производит нефтяной эквивалент 7,955 эксаджоулей (2,210 × 10 12  кВт·ч) в год на площади примерно 8400 квадратных километров (3200 квадратных миль). Усреднение этих показателей за год дает 252,25 ГВт или около 30,03 Вт/м 2 (2,790 Вт/кв. фут).

Средняя поверхностная плотность производства энергии для современного биотоплива, ветра, гидро- и солнечной энергии составляет 0,3 Вт/м 2 (0,028 Вт/кв. фут), 1 Вт/м 2 (0,093 Вт/кв. фут), 3 Вт/м 2 (0,28 Вт/кв. фут) и 5 ​​Вт/м 2 (0,46 Вт/кв. фут) соответственно (энергия в форме тепла для биотоплива и электричества для ветра, гидро- и солнечной энергии). [26] Поверхностная плотность производства энергии для плантаций мискантуса, используемых для производства тепла, составляет 0,6 Вт/м 2 на 10 тонн урожая с гектара. Другими словами, урожайность в 30 тонн равна 1,8 Вт/м 2 , что фактически помещает плотность мощности плантации с такой урожайностью между средними плотностями мощности ветра и гидроэнергетики (см. ниже). Среднее потребление энергии человеком на свободной ото льда земле составляет 0,125 Вт/м 2 (0,0116 Вт/кв. фут) (тепло и электричество вместе взятые) [27] , хотя в городских и промышленных районах оно возрастает до 20 Вт/м 2 (1,9 Вт/кв. фут) [28] .

Причиной низкой удельной мощности других видов биотоплива является сочетание низкой урожайности и лишь частичного использования растения (например, этанол обычно производится из сахара, содержащегося в сахарном тростнике или крахмала, содержащегося в кукурузе, в то время как биодизель часто производится из масла, содержащегося в рапсе или сое). Кроме того, потери при конверсии происходят при спиртовой ферментации (экзотермическом процессе) сахаров в этанол.

При использовании для производства этанола плантации мискантуса с урожайностью 15 тонн с гектара в год генерируют всего 0,40 Вт/м 2 . [29] Кукурузные поля генерируют 0,26 Вт/м 2 (урожайность 10 т/га). [30] В Бразилии поля сахарного тростника обычно генерируют 0,41 Вт/м 2 . [30] Озимая пшеница (США) генерирует 0,08 Вт/м 2 , а немецкая пшеница генерирует 0,30 Вт/м 2 . [31] При выращивании для получения реактивного топлива соя генерирует 0,06 Вт/м 2 , в то время как пальмовое масло генерирует 0,65 Вт/м 2 . [32] Ятропа, выращиваемая на маргинальных землях, генерирует 0,20 Вт/м 2 . [32] При выращивании для получения биодизеля рапс генерирует 0,12 Вт/м 2 (в среднем по ЕС). [33] В отличие от выращивания мискантуса и производства твердого топлива, типичное выращивание жидкого биотопливного сырья и производство топлива требуют больших энергетических затрат. Когда эти затраты компенсируются (когда использованная энергия вычитается из произведенной энергии), плотность мощности падает еще ниже: производство биодизеля на основе рапса в Нидерландах имеет самую высокую энергоэффективность в ЕС с скорректированной плотностью мощности 0,08 Вт/м2 , в то время как биоэтанол на основе сахарной свеклы, произведенный в Испании, имеет самую низкую, всего 0,02 Вт/м2 . [ 34]

Использование твердой биомассы для энергетических целей более эффективно, чем использование жидкостей, поскольку можно использовать все растение. Например, кукурузные плантации, производящие твердую биомассу для сжигания, генерируют более чем в два раза больше энергии на квадратный метр по сравнению с кукурузными плантациями, производящими этанол, при одинаковой урожайности: 10 т/га генерируют 0,60 Вт/м 2 и 0,26 Вт/м 2 соответственно, без компенсации затрат энергии. [35] Было подсчитано, что крупномасштабные плантации с соснами, акациями, тополями и ивами в умеренных регионах достигают урожайности 5–15 сухих тонн с гектара в год, что означает поверхностную плотность производства энергии 0,30–0,90 Вт/м 2 . [36] Для подобных крупных плантаций с эвкалиптом, акацией, леуценой, сосной и далбергией в тропических и субтропических регионах урожайность обычно составляет 20–25 т/га, что означает плотность производства поверхностной энергии 1,20–1,50 Вт/м2 . Обратите внимание, что эта оценка урожайности несколько выше, чем оценка ФАО выше, и она фактически помещает плотность мощности этих плантаций между плотностями ветра и воды. [36] В Бразилии средняя урожайность эвкалипта составляет 21 т/га, но в Африке, Индии и Юго-Восточной Азии типичная урожайность эвкалипта ниже 10 т/га. [37]

Сухая в печи биомасса в целом, включая древесину, мискантус [38] и траву сапфир [39] , имеет теплотворную способность примерно 18 мегаджоулей на килограмм (2,3 кВт·ч/фунт). [40] При расчете выработки электроэнергии на квадратный метр каждая тонна/га урожая сухой биомассы увеличивает выработку электроэнергии плантацией на 0,06 Вт/м 2 . [41] Как упоминалось выше, средний мировой показатель выработки ветровой, гидро- и солнечной энергии составляет 1 Вт/м 2 , 3 Вт/м 2 и 5 Вт/м 2 соответственно. Чтобы соответствовать этим показателям плотности мощности, урожайность плантаций должна достигать 17 т/га, 50 т/га и 83 т/га для ветра, гидро- и солнечной энергии соответственно. Чтобы соответствовать среднему мировому показателю для биотоплива (0,3 Вт/м 2 ), плантации должны производить 5 тонн сухой массы с гектара в год.

Однако следует отметить, что урожайность необходимо корректировать для компенсации количества влаги в биомассе (испарение влаги для достижения точки возгорания обычно является пустой тратой энергии). Влажность соломы или тюков биомассы меняется в зависимости от влажности окружающего воздуха и возможных мер предварительной сушки, в то время как пеллеты имеют стандартизированное (определенное ISO) содержание влаги ниже 10% (древесные пеллеты) [ax] и ниже 15% (другие пеллеты). [ay] Аналогично, для ветра, воды и солнца потери при передаче по линиям электропередач составляют примерно 8% во всем мире и должны учитываться. [az] Если биомассу использовать для производства электроэнергии, а не тепла, урожайность должна быть примерно утроена, чтобы конкурировать с ветром, водой и солнцем, поскольку текущая эффективность преобразования тепла в электричество ( тепловой КПД ) составляет всего 30–40% на тепловых электростанциях . [42] Если просто сравнить удельные мощности производства энергии на поверхности биотоплива, ветра, воды и солнца, не принимая во внимание стоимость, то это фактически вытесняет как гидро-, так и солнечную энергию из зоны досягаемости даже для самых высокоурожайных плантаций слоновой травы с точки зрения удельной мощности. [ba]

Обратите внимание, что когенерационные и комбинированные электростанции могут достигать более высокой эффективности за счет лучшего использования отработанного тепла . Мусоросжигательный завод Копенгилла производит тепло для сети централизованного теплоснабжения в дополнение к электричеству. Согласно данным IEA Bioenergy, его комбинированная чистая тепловая эффективность составляет 107% (NCV). [43]

Секвестрация углерода

Ввод/вывод углерода из почвы

В конце каждого сезона растение вытягивает питательные вещества в землю. Цвет меняется с зеленого на желтый/коричневый.

Растения поглощают углерод посредством фотосинтеза , процесса, управляемого солнечным светом, в ходе которого CO 2 и вода поглощаются, а затем объединяются, образуя углеводы. Поглощенный углерод высвобождается обратно в атмосферу в виде CO 2 при сжигании собранной биомассы, но подземные части растения (корни и корневища) остаются в почве и могут потенциально добавлять в почву значительные количества углерода на протяжении многих лет.

Количество углерода в почве определяется скоростью поступления нового углерода и скоростью распада старого углерода. [44] [bb] Углерод почвы, который получают из растений, представляет собой континуум, начиная от живой биомассы до гумуса , [45] и распадается на разных стадиях. Его можно разделить на активный, медленный и пассивный пул со средним временем пребывания углерода (MRT) 0,1–2 года, 15–100 лет и 500–5000 лет для трех пулов соответственно. [46] Время пребывания углерода в верхнем слое почвы в среднем составляло 60 лет в одном эксперименте (в частности, 19 лет для глубин от 0 до 10 сантиметров (0,0 и 3,9 дюйма) и 30–152 года для глубин от 10 до 50 сантиметров (3,9 и 19,7 дюйма).) Углерод ниже 50 сантиметров (20 дюймов) был стабильным. [47] Фактическая скорость распада углерода в определенном месте зависит от многих факторов, например, вида растений, типа почвы, температуры и влажности. [48] Исследователи не обнаружили доказательств снижения накопления органического углерода в почве по мере старения их опытной культуры мискантуса, что означало отсутствие насыщения углеродом на этом участке в течение 20 лет. [49] Другие оценивают 30–50 лет непрерывного увеличения углерода в почве после изменения землепользования с однолетних культур на многолетние культуры. [50] Ожидается, что количество углерода в почве под полями мискантуса будет увеличиваться в течение всего срока службы культуры, но, возможно, с медленным началом из-за первоначальной обработки (вспашки, перекопки) и относительно низкого количества углерода на этапе укоренения. [bc] [bd] (Вспашка помогает популяциям почвенных микробов разлагать доступный углерод, производя CO2 . ) [be] [bf] Исследователи утверждают, что высокое хранение углерода под полями мискантуса обусловлено высокой долей остатков до и после сбора урожая (например, мертвых листьев), прямым накоплением гумуса, хорошо развитой и глубоко проникающей корневой системой, низкой скоростью разложения растительных остатков из-за высокого соотношения углерода к азоту и отсутствия обработки (что приводит к меньшей аэрации почвы .) [51]

Чистое годовое накопление углерода

По данным МГЭИК, увеличение содержания углерода в почве важно как для смягчения последствий изменения климата, так и для адаптации к нему. [bg] В ряде исследований предпринимаются попытки количественно оценить увеличение содержания углерода в почве, вызванное мискантусом, в различных местах и ​​при различных обстоятельствах:

Дондини и др. обнаружили на 32 тонны больше углерода на гектар под 14-летним полем мискантуса, чем на контрольном участке, что предполагает среднюю скорость накопления углерода 2,29 тонны на гектар в год или 38% от общего собранного углерода в год. [bh] Аналогичным образом, Милнер и др. предполагают среднюю скорость накопления углерода для всей Великобритании в 2,28 тонны (также 38% от общего собранного углерода в год), учитывая, что некоторые неприбыльные земли (0,4% от общего количества) исключены. [bi] Накадзима и др. обнаружили среднюю скорость накопления 1,96 тонны под испытательным полигоном университета в Саппоро, Япония, что эквивалентно 16% от общего собранного углерода в год. Однако тест был короче, всего 6 лет. [bj] Хансен и др. обнаружили, что скорость накопления составляет 0,97 тонны в год в течение 16 лет на испытательном участке в Хорнуме, Дания, что эквивалентно 28% от общего собранного углерода в год. [bk] МакКалмонт и др. сравнили ряд отдельных европейских отчетов и обнаружили, что скорость накопления составляет от 0,42 до 3,8 тонн, [bl] со средней скоростью накопления 1,84 тонны, [bm] или 25% от общего собранного углерода в год. [bn] Изменение годового изменения углерода в почве велико в течение первых 2–5 лет после посадки, но через 15 лет изменение становится незначительным. [bo]

Проблемы транспорта и горения

Обзор

Развитие процесса торрефикации началось как исследование обжарки кофе в конце 19 века. [52]

Биомасса в целом, включая мискантус, имеет другие свойства по сравнению с углем, например, когда речь идет о обработке и транспортировке, измельчении и сжигании. [53] Это затрудняет совместное использование той же логистической, измельченной и сжигательной инфраструктуры. Часто вместо этого приходится строить новые объекты по обработке биомассы, что увеличивает стоимость. [bp] Вместе с относительно высокой стоимостью сырья это часто приводит к ситуации, когда проекты по биомассе должны получать субсидии, чтобы быть экономически жизнеспособными. [bq] Однако в настоящее время изучается ряд технологий модернизации топлива, которые делают биомассу более совместимой с существующей инфраструктурой. Наиболее зрелой из них является торрефикация , по сути, передовая технология обжига, которая — в сочетании с гранулированием или брикетированием — значительно влияет на свойства обработки и транспортировки, измельчаемость и эффективность сгорания.

Плотность энергии и транспортные расходы

Транспортировка громоздких, впитывающих воду тюков мискантуса в Англии.

Щепа мискантуса имеет насыпную плотность 50–130 кг/м 3 (84–219 фунтов/куб. ярд), [br] тюки 120–160 кг/м 3 (200–270 фунтов/куб. ярд), [bs] в то время как пеллеты и брикеты имеют насыпную плотность 500 и 600 кг/м 3 (840 и 1010 фунтов/куб. ярд) соответственно. [54] Торрефикация работает рука об руку с этой тенденцией к более плотному и, следовательно, более дешевому для транспортировки продукту, в частности, за счет увеличения энергетической плотности продукта . Торрефикация удаляет (путем газификации ) части биомассы с самым низким содержанием энергии, в то время как части с самым высоким содержанием энергии остаются. То есть, приблизительно 30% биомассы преобразуется в газ в процессе торрефикации (и потенциально используется для питания процесса), в то время как 70% остается, обычно в форме спрессованных гранул или брикетов . Однако этот твердый продукт содержит приблизительно 85% исходной энергии биомассы. [55] В основном массовая часть сократилась больше, чем энергетическая часть, и следствием этого является то, что теплотворная способность торрефицированной биомассы значительно увеличивается, в той степени, в которой она может конкурировать с энергетически плотными углями, используемыми для выработки электроэнергии (паровые/термические угли). Плотность энергии наиболее распространенных сегодня паровых углей составляет 22–26 МДж/кг (2,8–3,3 кВт·ч/фунт). [56] Торрефикация может быть выполнена «автотермически» (т. е. необходимая энергия поступает за счет частичного сгорания материала, подлежащего торрефикации) или «гетеротермически» (т. е. необходимое технологическое тепло поступает из внешних источников). В гетеротермическом случае торрефикация может также служить косвенным методом хранения энергии , поскольку материал может быть торрефицирован, когда электроэнергия дешева и ее много, а газообразные и/или твердые продукты могут быть сожжены на пиковой электростанции , когда электроэнергии не хватает. Газообразные продукты торрефикации похожи на синтез-газ и могут использоваться для различных процессов в химической промышленности аналогично ископаемому топливу. Высокоуглеродистые твердые продукты торрефикации могут быть заложены в почву в виде биоугля (при условии, что уровень различных загрязняющих веществ достаточно низок) или использованы для получения водорода в реакции конверсии воды в газ, если простое сжигание нежелательно.

Более высокая плотность энергии означает более низкие транспортные расходы и снижение выбросов парниковых газов, связанных с транспортировкой. [57] МЭА подсчитало, сколько энергии экономится и сколько выбросов парниковых газов сокращается при переходе с обычных на торрефицированные гранулы/брикеты. При изготовлении торрефицированных гранул и их доставке из Индонезии в Японию минимальное количество сэкономленной энергии составляет 6,7%, а минимальное количество предотвращенных выбросов парниковых газов составляет 14%. Это увеличивается до 10,3% экономии энергии и 33% предотвращения выбросов парниковых газов при изготовлении и доставке брикетов размером не менее 50 мм вместо гранул (производство брикетов требует меньше энергии). [bt] Чем длиннее маршрут, тем больше экономия. [58]

Расходы на поглощение воды и транспортировку

Торрефикация также преобразует биомассу из гидрофильного (поглощающего воду) в гидрофобное (отталкивающее воду) состояние. Водоотталкивающие брикеты можно транспортировать и хранить снаружи, что упрощает логистические операции и снижает стоимость. [bu] Торрефикация также останавливает биологическую активность в биомассе (включая гниение) и снижает риск возникновения пожара. [57]

Единообразие и кастомизация

Обычно торрефикация рассматривается как шлюз для преобразования ряда самых разных видов сырья в однородное и, следовательно, более простое в обращении топливо. [57] Параметры топлива могут быть изменены в соответствии с требованиями клиентов, например, тип сырья, степень торрефикации, геометрическая форма, долговечность, водостойкость и состав золы. [59] Возможность использования различных видов сырья повышает доступность топлива и надежность поставок. [57]

Измельчаемость

Угольные мельницы

Необработанный M. × giganteus имеет прочные волокна, что затрудняет измельчение до одинакового размера, очень мелких частиц (менее 75 мкм / 0,075 мм). Куски угля обычно измельчаются до такого размера, потому что такие мелкие, ровные частицы горят стабильнее и эффективнее. [60] [61] В то время как уголь имеет индекс измельчаемости Хардгрова (HGI) 30–100 (более высокие числа означают, что его легче измельчать), необработанный мискантус имеет балл 0. [bv] Однако во время торрефикации «[…] фракция гемицеллюлозы , которая отвечает за волокнистую природу биомассы, деградирует, тем самым улучшая ее измельчаемость». [62] МЭА оценивает HGI 23–53 для торрефицированной биомассы в целом, [63] и оценивает снижение потребления энергии, необходимой для измельчения биомассы, которая была торрефицирована, на 80–90%. [64] Другие исследователи измерили HGI 79 для торрефицированного мискантуса. [bw] Британский уголь имеет баллы от 40 до 60 по шкале HGI. [bx]

Относительно легкое измельчение торрефицированного мискантуса делает возможным экономически эффективное преобразование в мелкие частицы, что впоследствии делает возможным эффективное сжигание. Исследователи обнаружили, что уровень несгоревшего углерода уменьшается при использовании торрефицированной биомассы, и что пламя «[…] было стабильным при 50% совместном сжигании и для 100% случая в результате достаточной тонкости частиц топлива». [65]

Хлор и коррозия

Как и многие виды биомассы, за исключением древесины, биомасса мискантуса имеет относительно высокое количество хлора , что является проблематичным в сценарии сгорания, поскольку «[…] вероятность коррозии в значительной степени зависит от содержания хлора в топливе […]». [66] Аналогичным образом, исследования показывают, что «[…] высвобождение Cl-ассоциированных [хлор-ассоциированных] видов во время сгорания является основной причиной индуцированной активной коррозии при сжигании биомассы на решетке ». [67] Хлор в различных формах, в частности, в сочетании с калием в виде хлорида калия , конденсируется на относительно более холодных поверхностях внутри котла и создает коррозионный слой отложений. Коррозия повреждает котел, и, кроме того, сам физический слой отложений снижает эффективность теплопередачи, наиболее критически внутри механизма теплообмена . [by] Хлор и калий также значительно снижают температуру плавления золы по сравнению с углем. Расплавленная зола, известная как шлак или клинкер , прилипает к дну котла и увеличивает расходы на техническое обслуживание. [bz] [ca]

Чтобы снизить содержание хлора (и влаги), сбор мискантуса обычно откладывают до зимы или ранней весны, но эта практика все равно не является достаточной мерой противодействия для достижения сгорания без коррозии. [cb]

Однако количество хлора в мискантусе уменьшается примерно на 95% при его торрефикации при 350 °C (660 °F). [cc] Выделение хлора во время самого процесса торрефикации более управляемо, чем выделение хлора во время сжигания, потому что «[…] преобладающие температуры во время первого процесса ниже температур плавления и испарения щелочных солей хлора, что сводит к минимуму риски их шлакования, загрязнения и коррозии в печах ». [68] Для калия ожидается только 30%-ное снижение. [69] Однако калий зависит от хлора для образования хлорида калия; при низком уровне хлора отложения хлорида калия уменьшаются пропорционально. [cd]

Сходство угля

Поэтому исследователи утверждают, что «[…] процесс торрефикации преобразует химические и физические свойства сырой биомассы в свойства, аналогичные углю, что позволяет использовать биомассу с высокими коэффициентами замещения в существующих угольных котлах без каких-либо серьезных модификаций». [70] Торрефикация удаляет влагу и создает измельчаемый, гидрофобный и твердый продукт с повышенной плотностью энергии, что означает, что торрефицированное топливо больше не требует «[…] отдельных объектов обработки при совместном сжигании с углем на существующих электростанциях». [53] Такая же совместимость достигается и для биомассы, обработанной гидротермальной карбонизацией , иногда называемой «мокрой» торрефикацией. [ce]

Однако исследователи отмечают, что «[…] торрефикация — более сложный процесс, чем предполагалось изначально», и заявляют, что «[…] торрефикация биомассы все еще является экспериментальной технологией […]». [71] Майкл Уайлд, президент Международного совета по торрефикации биомассы, заявил в 2015 году, что сектор торрефикации находится «[…] в фазе оптимизации […]». Он упоминает интеграцию процессов, энергетическую и массовую эффективность, механическое сжатие и качество продукции как переменные, наиболее важные для освоения на данном этапе развития сектора. [59]

Воздействие на окружающую среду

Углеродная нейтральность

Обычно многолетние культуры поглощают больше углерода, чем однолетние, поскольку корневое накопление может продолжаться без помех в течение многих лет. Кроме того, многолетние культуры избегают ежегодных процедур обработки почвы (вспашка, перекопка), связанных с выращиванием однолетних культур. Обработка почвы помогает популяциям почвенных микробов разлагать доступный углерод, производя CO 2 . [be] [bf]

По сути, накопление углерода под землей работает как инструмент смягчения последствий выбросов парниковых газов, поскольку оно удаляет углерод из надземной циркуляции углерода (циркуляции от растения в атмосферу и обратно в новые растения). Надземная циркуляция приводится в действие фотосинтезом и горением — сначала растение поглощает CO 2 и усваивает его в виде углерода в своих тканях как над землей, так и под землей. Когда надземный углерод собирается, а затем сжигается, молекула CO 2 образуется снова и выбрасывается обратно в атмосферу. Затем эквивалентное количество CO 2 поглощается обратно ростом следующего сезона, и цикл повторяется.

Этот надземный цикл имеет потенциал быть углеродно-нейтральным, но, конечно, участие человека в эксплуатации и управлении циклом означает дополнительный ввод энергии, часто поступающей из ископаемых источников. Если ископаемая энергия, затрачиваемая на операцию, высока по сравнению с количеством произведенной энергии, общий след CO 2 может приблизиться, соответствовать или даже превзойти след CO 2, возникающий при сжигании исключительно ископаемого топлива, как это было показано в случае нескольких биотопливных проектов первого поколения. [cf] [cg] [ch] Транспортное топливо может быть хуже твердого топлива в этом отношении. [ci]

Проблему можно решить как с точки зрения увеличения количества углерода, хранящегося под землей (см. Секвестрация углерода выше), так и с точки зрения уменьшения поступления ископаемого топлива в надземную эксплуатацию. Если достаточно углерода хранится под землей, это может компенсировать общие выбросы жизненного цикла конкретного биотоплива. Аналогично, если надземные выбросы уменьшаются, требуется меньше подземного хранения углерода, чтобы биотопливо стало углеродно-нейтральным или отрицательным.

Углерод-отрицательные (мискантус) и углерод-положительные (тополь) пути производства.
Связь между надземной урожайностью (диагональные линии), органическим углеродом почвы (ось X) и потенциалом почвы для успешного/неуспешного связывания (хранения) углерода (ось Y). В принципе, чем выше урожайность, тем больше земли становятся инструментом смягчения последствий изменения климата с отрицательным выбросом CO 2 (включая относительно богатые углеродом земли).
Содержание углерода в почве увеличивается при посадке микантуса на пахотных землях и лугах. [72]

Именно общее количество выбросов и поглощения эквивалента CO 2 вместе определяет, является ли проект по выращиванию энергетических культур углеродно-положительным, углеродно-нейтральным или углеродно-отрицательным. Если выбросы во время сельского хозяйства, переработки, транспортировки и сжигания превышают то, что поглощается как над землей, так и под землей во время роста урожая, проект является углеродно-положительным. Аналогично, если общее поглощение с течением времени превышает общие выбросы, проект является углеродно-отрицательным. Подводя итог, можно сказать, что углеродная отрицательность возможна, когда чистое накопление углерода более чем компенсирует чистые выбросы парниковых газов за жизненный цикл.

Исследователи утверждают, что урожай мискантуса с урожайностью 10 тонн с гектара в год сохраняет достаточно углерода, чтобы компенсировать выбросы, связанные как с сельским хозяйством, так и с переработкой и транспортом. На диаграмме справа показаны два углеродно-отрицательных пути производства мискантуса и два углеродно-положительных пути производства тополя, представленные в граммах эквивалентов CO 2 на мегаджоуль. Столбики являются последовательными и движутся вверх и вниз по мере того, как, по оценкам, атмосферный CO 2 увеличивается и уменьшается. Серо-синие столбцы представляют выбросы, связанные с сельским хозяйством, переработкой и транспортом, зеленые столбцы представляют изменение углерода в почве, а желтые ромбы представляют общие конечные выбросы. [cj] На второй диаграмме показаны средние урожаи, необходимые для достижения долгосрочной углеродной отрицательности для почв с различным количеством существующего углерода.

Другие исследователи пришли к такому же выводу относительно мискантуса в Германии, урожайность которого составляет 15 сухих тонн с гектара в год, а запасы углерода — 1,1 тонны на гектар в год:

«Мискантус — одна из немногих культур в мире, которая достигает истинной CO 2 -нейтральности и может функционировать как поглотитель CO 2 . [...] Связанные со сжиганием мазута прямые и косвенные выбросы парниковых газов могут быть сокращены как минимум на 96% за счет сжигания соломы мискантуса [...]. Благодаря секвестрации углерода [хранению углерода] во время роста мискантуса, это приводит к потенциалу смягчения CO 2 -экв 117%». [ck]

Успешное хранение зависит от мест посадки, поскольку лучшие почвы — это те, которые в настоящее время содержат мало углерода. Различные результаты, представленные на диаграмме, подчеркивают этот факт. [cl] Для Великобритании успешное хранение ожидается для пахотных земель на большей части Англии и Уэльса, а неудачное хранение ожидается в некоторых частях Шотландии из-за уже богатых углеродом почв (существующие леса). Кроме того, для Шотландии относительно более низкая урожайность в этом более холодном климате затрудняет достижение отрицательного значения CO 2. Почвы, уже богатые углеродом, включают торфяники и зрелые леса. Наиболее успешное хранение углерода в Великобритании происходит под улучшенными пастбищами . [cm] Однако, поскольку содержание углерода в пастбищах значительно различается, то же самое касается и успешности перехода от пастбищ к многолетним. [cn] Несмотря на то, что чистое хранение углерода под многолетними энергетическими культурами, такими как мискантус, значительно превышает чистое хранение углерода под пастбищами, лесами и пахотными культурами, поступление углерода от мискантуса просто слишком мало, чтобы компенсировать потерю существующего почвенного углерода на ранней стадии укоренения. [73] Однако со временем уровень углерода в почве может увеличиться, в том числе и на пастбищах. [72]

Исследователи оценили конкретные климатические выгоды, связанные с изменением землепользования (это исключает климатические выгоды, возникающие в результате замены ископаемого топлива) для различных культур в течение 30-летнего периода на различных типах пастбищ и пришли к выводу, что местные пастбища имеют климатическую ценность (называемую GHGV) 200, в то время как слабо удобренные культуры M × giganteus, посаженные на ранее ежегодно обрабатываемой почве, имеют ценность 160. Пастбища CRP имеют ценность 125 (защищенные пастбища, посаженные на бывших пахотных землях). Местные прерийные смеси имеют ценность 115 (неудобряемые местные прерийные травы с другими видами, включенными в прерийные, посаженные на ранее ежегодно обрабатываемых пахотных землях). Пастбищные луга имеют ценность 72. [74]

Сравнения

Исследователи пришли к выводу, что посевы мискантуса «[…] почти всегда оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, чем однолетние биоэнергетические культуры первого поколения [...]». [co] Многолетние травы второго поколения (мискантус и просо), высаженные на пахотных землях, в среднем сохраняют в пять раз больше углерода в почве, чем порослевые или лесные насаждения с коротким оборотом рубки (тополь и ива). [cp] По сравнению с ископаемым топливом и без учета преимуществ подземного хранения углерода в расчетах, стоимость парникового газа для топлива из мискантуса составляет 0,4–1,6 грамма CO2 - эквивалентов на мегаджоуль по сравнению с 33 граммами для угля, 22 для сжиженного природного газа, 16 для североморского газа и 4 для древесной щепы, импортируемой в Великобританию из США. [cq]

Другие исследователи утверждают, что среднее соотношение затрат и выработки энергии для мискантуса в 10 раз лучше, чем для однолетних культур, а выбросы парниковых газов в 20–30 раз лучше, чем для ископаемого топлива. [cr] Использование щепы мискантуса для отопления позволило сэкономить 22,3 тонны выбросов CO2 на гектар в год в Великобритании, тогда как кукуруза для отопления и электроэнергии сэкономила 6,3 тонны. Рапс для биодизеля сэкономил 3,2 тонны. [cs] Другие исследователи пришли к аналогичным выводам. [ct] [cu] Поэтому ожидается, что плантации мискантуса в Европе вырастут в ближайшие десятилетия. [75] В 2021 году правительство Великобритании заявило, что площади земель, отведенные под лесное хозяйство с коротким оборотом и многолетние энергетические культуры (включая мискантус), увеличатся с 10 000 до 704 000 гектаров. [cv] ​​Исследователи утверждают, что после некоторого первоначального обсуждения в настоящее время (2018 г.) в научном сообществе достигнут консенсус относительно того, что «[…] баланс парниковых газов [ПГ] при выращивании многолетних биоэнергетических культур часто будет благоприятным […]», также при рассмотрении неявных прямых и косвенных изменений в землепользовании. [cw]

Биоразнообразие

Исследователи утверждают, что поля мискантуса могут способствовать формированию разнообразного сообщества дождевых червей даже в условиях интенсивного земледелия. [cx]
Исследователи обнаружили размножение жаворонков в посевах мискантуса. [cy]

Под землей исследователи обнаружили, что количество видов дождевых червей на квадратный метр составило 5,1 для мискантуса, 3 для кукурузы и 6,4 для залежи (полностью необрабатываемой земли), и заявляют, что «[…] было ясно обнаружено, что интенсивность землепользования была доминирующим регрессором для численности дождевых червей и общего числа видов». Поскольку обширная опавшая листва на земле помогает почве оставаться влажной, а также защищает от хищников, они приходят к выводу, что «[…] мискантус оказал довольно положительное влияние на сообщества дождевых червей […]» и рекомендуют, что «[…] мискантус может способствовать разнообразию сообщества дождевых червей даже в интенсивных сельскохозяйственных ландшафтах». [76] [cx] Другие утверждают, что активность определенных бактерий, принадлежащих к группе Pseudomonadota (ранее протеобактерий), почти удваивается в присутствии корневых выделений M. × giganteus . [22]

Над землей молодые насаждения мискантуса поддерживают высокое видовое разнообразие растений, но по мере созревания насаждений мискантуса полог закрывается, и меньше солнечного света достигает конкурирующих сорняков. В этой ситуации сорнякам становится сложнее выживать. После закрытия полога было обнаружено 16 различных видов сорняков на участке площадью 25 м 2 . Однако густой полог служит защитой для других форм жизни; «[…] Обычно сообщается, что насаждения мискантуса поддерживают биоразнообразие фермы, обеспечивая среду обитания для птиц, насекомых и мелких млекопитающих […]». [cz] Поддерживая эту точку зрения, другие исследователи утверждают, что флора под пологом обеспечивает пищей бабочек, других насекомых и их хищников, а также 40 видов птиц. [da]

Зимняя растительная структура мискантуса обеспечивает важный ресурс укрытия и среды обитания с высоким уровнем разнообразия по сравнению с однолетними культурами. [db] Этот эффект особенно очевиден для жуков, мух и птиц. Культура мискантуса предлагает различную экологическую нишу для каждого сезона — исследователи связывают это с постоянно развивающейся структурной неоднородностью культуры мискантуса, при этом разные виды находят убежище в разное время ее развития — лесные птицы находят убежище зимой, а сельскохозяйственные птицы летом. Что касается птиц, то на поле мискантуса было обнаружено 0,92 гнездящихся пары видов на гектар (0,37 на акр), по сравнению с 0,28 (0,11) на соседнем пшеничном поле. Из-за высокого соотношения углерода к азоту именно на окраинах поля и вкрапленных лесах можно найти большую часть пищевых ресурсов. Однако поля мискантуса служат барьерами против выщелачивания химикатов в эти ключевые среды обитания. [cy]

Другие исследователи утверждают, что посевы мискантуса обеспечивают лучшее биоразнообразие, чем зерновые культуры, с в три раза большим количеством пауков и дождевых червей, чем зерновые культуры. [dc] Заяц-русак, горностай, мыши, полевка, землеройка, лиса и кролик — вот некоторые из видов, которые наблюдаются в посевах мискантуса. Посевы служат как местом гнездования, так и коридором для диких животных, соединяющим различные среды обитания. [dd]

Качество воды

Поля мискантуса приводят к значительному улучшению качества воды из-за значительно меньшего выщелачивания нитратов . [de] Выщелачивание нитратов с полей мискантуса резко сокращается по сравнению с типичным севооборотом кукурузы/сои из-за низких или нулевых потребностей в удобрениях, постоянного наличия корневого стока для азота и эффективной внутренней переработки питательных веществ многолетними видами трав. Недавнее исследование пришло к выводу, что мискантус в среднем имел в девять раз меньшие подземные потери нитратов по сравнению с кукурузой или кукурузой, выращенной в севообороте с соевыми бобами. [df]

Качество почвы

Волокнистая , обширная корневая система мискантуса и отсутствие нарушения обработки почвы улучшают инфильтрацию, гидравлическую проводимость и сохранение воды по сравнению с однолетними пропашными культурами и приводят к пористой и низкой объемной плотности почвы, типичной для многолетних трав, при этом ожидается, что способность удерживать воду увеличится на 100–150 мм. [ dg] Мискантус улучшает поступление углерода в почву и способствует активности и разнообразию микроорганизмов , которые важны для агрегации частиц почвы и процессов восстановления. На месте бывшего отвала летучей золы с щелочным pH, дефицитом питательных веществ и низкой способностью удерживать воду была успешно выращена культура мискантуса — в том смысле, что корни и корневища росли довольно хорошо, поддерживая и усиливая процессы нитрификации , хотя урожайность надземной сухой массы была низкой из-за условий. Способность улучшать качество почвы даже на загрязненной земле рассматривается как полезная особенность, особенно в ситуации, когда можно вносить органические добавки. Например, существует большой потенциал для увеличения урожайности на загрязненных маргинальных землях с низким содержанием питательных веществ путем удобрения их богатыми питательными веществами осадками сточных вод или сточными водами . Эта практика предлагает тройное преимущество: повышение производительности почвы, увеличение урожайности биомассы и снижение затрат на обработку и утилизацию осадка сточных вод в соответствии с конкретным законодательством в каждой стране. [4]

Инвазивность

Родители Miscanthus × giganteus с обеих сторон, M. sinensis и M. sacchariflorus , оба являются потенциально инвазивными видами , поскольку оба производят жизнеспособные семена. Однако M. × giganteus не производит жизнеспособных семян, и исследователи утверждают, что «[...] не было никаких сообщений об угрозе вторжения из-за расширения роста корневища с долгосрочных коммерческих плантаций на соседние пахотные земли». [24]

Устойчивость

Опытный урожай мискантуса в Англии.

Исследователи утверждают, что анализы «[...] экологического воздействия выращивания мискантуса на ряд факторов, включая смягчение последствий выбросов парниковых газов, показывают, что выгоды в большинстве случаев перевешивают затраты». [77] Другие утверждают, что, хотя есть место для дополнительных исследований, «[...] появляются четкие признаки экологической устойчивости». [dh] В дополнение к потенциалу смягчения последствий выбросов парниковых газов, «[...] многолетняя природа и подземная биомасса мискантуса улучшают структуру почвы, увеличивают водоудерживающую способность (на 100–150 миллиметров (3,9–5,9 дюйма)) и уменьшают сток и эрозию. Зимнее созревание увеличивает структурные ресурсы ландшафта для диких животных . Снижение интенсивности управления способствует разнообразию и обилию дождевых червей, хотя плохая поедаемость подстилки может снизить индивидуальную биомассу. Химическое выщелачивание в границы полей ниже, чем в сопоставимом сельском хозяйстве, что улучшает качество среды обитания почвы и воды». [78] Переход от первого поколения к второму поколению энергетических культур, таких как мискантус, является экологически выгодным из-за улучшения биоразнообразия в масштабах фермы, хищничества и чистого положительного эффекта смягчения последствий выбросов парниковых газов. Преимущества являются в первую очередь следствием низких затрат и более длительных циклов управления, связанных с культурами второго поколения (2G). [di] [dj] Если напряженность в землепользовании смягчена, получены разумные урожаи и нацелены на низкоуглеродные почвы, есть много случаев, когда низкозатратные многолетние культуры, такие как мискантус, «[...] могут обеспечить значительную экономию ПГ [парниковых газов] по сравнению с альтернативами ископаемого топлива [...]». [dk] В отличие от однолетних культур, мискантус имеет низкие требования к внесению азота, низкие выбросы ПГ, секвестрирует углерод почвы из-за сокращенной обработки почвы и может быть экономически жизнеспособным на маргинальных землях. [dl] Исследователи сходятся во мнении, что в последние годы «[...] появилось более тонкое понимание экологических преимуществ и рисков биоэнергетики, и стало ясно, что многолетние биоэнергетические культуры имеют гораздо больший потенциал для обеспечения значительной экономии парниковых газов, чем обычные культуры, которые в настоящее время выращиваются для производства биотоплива по всему миру (например, кукуруза , пальмовое масло и рапс )». [dm] Они также сходятся во мнении, что «[...] прямое воздействие специализированных многолетних биоэнергетических культур на углерод почвы и N2O становится все более понятным и часто согласуется со значительным смягчением выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла биоэнергетики по сравнению с обычными источниками энергии». [79]

Практические соображения по ведению сельского хозяйства

Практические советы по сельскому хозяйству см. в документе «Giant Miscanthus Establishment» Университета штата Айова в формате PDF. [80] См. также руководство по передовой практике, совместно разработанное Teagasc (органом по развитию сельского хозяйства и продовольствия в Ирландии) и AFBI (Институтом агропродовольствия и биологических наук, также в Ирландии). [81]

Ссылки

Цитаты и комментарии

  1. ^ На основе списка Kew/POWO. Обратите внимание, что принятое название POWO — M. × longiberbis , с предполагаемой высотой растения всего от 0,7 до 1,2 метра. "Miscanthus × longiberbis (Hack.) Nakai". Plants of the World Online . Получено 23 мая 2022 г..
  2. ^ ab " M. x giganteus  - это высокопродуктивная, стерильная, корневищная многолетняя трава C4, которая была собрана в Иокагаме, Япония, в 1935 году Акселем Ольсеном. Она была привезена в Данию, где ее стали выращивать и распространять по всей Европе и в Северной Америке для посадки в садоводческих условиях. Со временем она стала известна как  Miscanthus sinensis  'Giganteus',  M. giganteus, Miscanthus ogiformis  Honda и  Miscanthus sacchariflorus  var.  brevibarbis  (Honda) Adati. Недавняя работа по классификации в Королевских ботанических садах в Кью, Англия, обозначила ее как  M. x giganteus  (Greef & Deuter ex Hodkinson & Renvoize), гибрид  M. sinensis  Anderss. и  M. sacchariflorus  (Maxim.) Hack". Anderson et al. 2014, стр. 71.
  3. ^ Достижение предельной урожайности занимает от двух до четырех лет; «[...] более прохладным северным участкам все еще требуется от трех до четырех лет, тогда как южные участки обычно достигают предельной урожайности за два года». Джонс 2019, стр. 22.
  4. ^ «В отличие от однолетних культур, биоэнергия из специализированных многолетних культур широко воспринимается как имеющая более низкие выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла и другие сопутствующие экологические выгоды. Многолетние культуры, такие как мискантус и ива и тополь с коротким оборотом рубки (SRC), требуют низких затрат азота (с выгодами для выбросов N2O и качества воды), могут связывать углерод почвы за счет сокращения обработки и увеличения распределения подземной биомассы и могут быть экономически жизнеспособными на маргинальных и деградированных землях, тем самым сводя к минимуму конкуренцию с другими видами сельскохозяйственной деятельности и избегая эффектов iLUC». Уитакер и др. 2018, стр. 151.
  5. ^ «Идеальные культуры для получения энергии из биомассы эффективно используют имеющиеся ресурсы, являются многолетними, сохраняют углерод в почве, имеют высокую эффективность использования воды, не являются инвазивными и имеют низкие потребности в удобрениях. Одной из трав, которая обладает всеми этими характеристиками, а также производит большое количество биомассы, является Miscanthus x giganteus ». Андерсон и др. 2014, стр. 71.
  6. ^ Левандовски и др. утверждают, что «[...] экономия ископаемой энергии наиболее высока там, где в качестве строительного материала используется биомасса мискантуса (в нашем анализе используется пример изоляционного материала)». Левандовски и др. 2016, стр. 20.
  7. ^ «Производство корневищ для размножения в климате Соединенного Королевства занимает не менее двух вегетационных сезонов, это влечет за собой очистку производственной земли от сорняков, вспашку весной и обработку земли до образования мелкого семенного ложа, похожего на пашню, перед посадкой корневищ с помощью картофелесажалки. [...] Весной после второго года роста корневища собирают с помощью модифицированного картофелеуборочного комбайна, вручную или полуавтоматически сортируют и разрезают на жизнеспособные части, 20–40 г. [...] Один гектар корневищ дает достаточно материала для посадки 10–30 га урожая с помощью той же модифицированной картофелесажалки. Корневища более низкого качества, проверенные с помощью тестов на прорастание, потребовали бы 80–90 г корневищ (частное сообщение, М. Мос)». Гастингс и др. 2017, стр. 5–6.
  8. ^ «Наша работа показывает, что в зависимости от типа гибрида один гектар семенного производства может дать достаточно семян для ~1000–2000 га посадки, в зависимости от родительских комбинаций, что на два порядка больше, чем при размножении корневищем. [...] [Д]остигается уровень укоренения 85–95%». Хастингс и др. 2017, стр. 6.
  9. ^ «Семена высеваются машиной и выращиваются в теплице (рисунок 3A) перед высадкой в ​​поле (рисунок 3B). Ожидается, что методы выращивания на основе семян окажутся наиболее эффективными для масштабирования производства мискантуса, поскольку они обладают следующими преимуществами: · С ростом спроса на рынке можно легко обеспечить большие объемы, как только производство семян будет хорошо развито · Короткий период роста для проростков: всего 8–10 недель от семени до конечного продукта (штабелей) · Производство штабелей является энергоэффективным (нет необходимости в холодильниках) · Низкие затраты на выращивание» Левандовски и др. 2016, стр. 15.
  10. ^ «Посевы мискантуса можно получить путем стеблевого узлового размножения, собирая стебли в сентябре и немедленно высевая их в поле без необходимости в холодном хранении, которое в любом случае снижает жизнеспособность укоренения и увеличивает затраты. Посаженные стебли дают побеги и корни, а затем и корневищную систему». O'Loughlin, McDonnell & Finnan 2017, стр. 345.
  11. ^ "Результаты показывают, что новое гибридное размножение семян значительно снижает стоимость создания до менее 900 фунтов стерлингов га −1 [...]. Урожайность безубыточности была рассчитана как 6 Мг [Мг/мегаграмм равен метрической тонне] DM [сухого вещества] га − 1 г −1 [гектар в год], что составляет примерно половину средней урожайности Великобритании для Mxg; с более новыми сеянными гибридами, достигшими 16 Мг DM га −1 на втором году испытаний в Великобритании. Эти комбинированные улучшения значительно увеличат рентабельность урожая. Компромиссы между затратами на производство для подготовки различных форматов сырья показывают, что тюки являются наилучшим вариантом для прямого сжигания с минимальными транспортными расходами (0,04 фунта стерлингов Мг −1 км −1 ) и простым хранением на ферме. Однако, если требуется гранулированное топливо, то сбор щепы более экономичен. [...] Удельная стоимость посадки корневищ и блочной посадки схожа, поскольку они относительно трудоемки, тогда как семена бурение, как прогнозируется, сократит стоимость вдвое». Гастингс и др. 2017, стр. 1, 8.
  12. ^ «Виды C4 характерно демонстрируют повышенную эффективность использования азота (N) и воды [28,29]. В частности, виды C4 могут демонстрировать эффективность использования N в два раза выше, чем виды C3». Андерсон и др. 2014, стр. 73.
  13. ^ «Азотные удобрения не нужны и могут быть вредны для устойчивости, если только их не высаживать на почвах с низким плодородием, где раннее укоренение выиграет от добавления около 50 кг N га −1 . [...] Выбросы N2O могут быть в пять раз ниже при неудобренном мискантусе, чем при однолетних культурах, и до 100 раз ниже, чем при интенсивном пастбище. Неправильное добавление азотных удобрений может привести к значительному увеличению выбросов N2O с плантаций мискантуса, превышая коэффициенты выбросов МГЭИК, хотя они все еще компенсируются потенциальной заменой ископаемого топлива». МакКалмонт и др. 2017, стр. 503.
  14. ^ "Пластиковая мульчирующая пленка сократила время укоренения, улучшив экономику урожая. [...] Испытание мульчирующей пленки в Аберистуите показало значительную (P < 0,05) разницу между скоростями укоренения для различной плотности растений, при этом совокупная средняя урожайность за первые 2 года почти удвоилась под пленкой, как показано в таблице 3. Использование пленки добавляет 100 фунтов стерлингов на гектар и 220 кг CO2-экв. C га −1 к стоимости укоренения. Эффект этого увеличения заключается в сокращении периода укоренения урожая на 1 год в условиях окружающей среды Аберистуита, аналогичное сокращение времени укоренения наблюдалось на других участках испытаний, а также в Ирландии (O'Loughlin et al., 2017). [...] При агрономии с мульчирующей пленкой новейшие высеянные гибриды укореняются гораздо быстрее со значительно более высокими ранними урожаями (годы 1 и 2) по сравнению с коммерческим Mxg в Соединенном Королевстве, обеспечивая безубыточную окупаемость инвестиций как минимум на год раньше". Хастингс и др. 2017, стр. 1, 9, 14–15.
  15. ^ "Посадка семян в рассаду оказалась наиболее успешным методом для укоренения мискантуса на маргинальных почвах. Покрытие растений пластиковой пленкой ускоряет их рост. Пленка сохраняет влажность в верхнем слое почвы и повышает температуру. Это полезно для растений, особенно на легких почвах с более высоким риском засухи и при низких температурах". Левандовски и др. 2016, стр. 14.
  16. ^ «Урожайность сельскохозяйственных культур определяется как произведение общего солнечного излучения, падающего на площадь земли, и эффективности перехвата, преобразования и распределения этой солнечной энергии в биомассе растений. [...] Бил и Лонг продемонстрировали в полевых испытаниях на юго-востоке Англии, что εc,a составлял 0,050–0,060, что на 39% выше максимального значения, наблюдаемого у видов C3. Кроме того, когда εc рассчитывается в терминах общего (т. е. надземного и подземного) производства биомассы M. x giganteus (εc,t), он достигает 0,078, что приближается к теоретическому максимуму 0,1. Исследования, проведенные на Среднем Западе США Хитоном и др., сообщили о схожей эффективности перехваченной PAR (0,075)». Андерсон и др. 2014, стр. 73.
  17. ^ "– Эффективность использования воды является одной из самых высоких среди всех культур, в диапазоне 7,8–9,2 г DM (кг H2O) −1 . – В целом, потребность в воде увеличится из-за высокой продуктивности биомассы и увеличения эвапотранспирации на уровне полога (например, ET увеличится у пшеницы на 100–120 мм в год −1 ). – Улучшенная структура почвы означает большую водоудерживающую способность (например, на 100–150 мм), хотя почвы могут быть все еще суше в засушливые годы. – Сокращение стока в более влажные годы, что способствует смягчению последствий наводнений и уменьшению эрозии почвы. – Качество дренажной воды улучшается, а выщелачивание нитратов значительно ниже, чем у пахотных (например, 1,5–6,6 кг N га −1 в год −1 [для] мискантуса, 34,2–45,9 [для] кукурузы/сои)". МакКалмонт и др. 2017, с. 504.
  18. ^ "Beale et al. (1999) сравнили свои результаты с эффективностью использования воды культурой биомассы C3, Salix viminalis , о которой сообщалось в работах Lindroth et al. (1994) и Lindroth & Cienciala (1996), и предполагают, что WUE для Miscanthus может быть примерно в два раза больше, чем для этого вида ивы. Clifton-Brown & Lewondowski (2000) сообщили цифры от 11,5 до 14,2 г общего (надземного и подземного) DM (кг H2O) −1 для различных генотипов Miscanthus в испытаниях в горшках, и это сопоставимо с цифрами, рассчитанными Ehdaie & Waines (1993) для семи сортов пшеницы, которые обнаружили WUE от 2,67 до 3,95 г общего DM (кг H2O) −1 . Преобразование этих значений Miscanthus к сухому веществу биомассы на гектар пахотных земель будет иметь отношение биомассы к использованию воды в диапазоне до 78–92 кг СВ га −1 (мм H2O) −1 . Рихтер и др. (2008) смоделировали потенциальную урожайность мискантуса из 14 полевых испытаний в Великобритании и обнаружили, что почвенная вода, доступная растениям, является наиболее значимым фактором в прогнозировании урожайности, и они рассчитали отношение урожайности СВ к почвенной доступной воде в 55 кг СВ га −1 (мм H2O) −1 , в то время как на каждый 1 мм поступающих осадков было произведено всего 13 кг СВ га −1 , вероятно, связанное с высоким уровнем перехвата пологом и испарения. Даже по стандартам C4 эта эффективность высока, как видно из сравнения с полевыми измерениями, составляющими в среднем 27,5 ± 0,4 кг надземной СВ га −1 (мм H2O) −1 для кукурузы (Tolk et al., 1998)». McCalmont et al. 2017, стр. 501.
  19. ^ «С точки зрения интенсивности производства энергии биомасса мискантуса производит больше чистой энергии на гектар, чем другие биоэнергетические культуры, около 200 ГДж га −1 год −1 , особенно пахотные [кукуруза для биогаза 98, рапс для биодизеля 25, пшеница и этанол из сахарной свеклы 7–15 (Hastings et al., 2012)]. Фелтен и др. (2013) рассчитали похожие цифры, сообщив о 254 ГДж га − 1 год −1 для мискантуса». МакКалмонт и др. 2017, стр. 493.
  20. ^ Хастингс и др. пишут, что «[п]олевые испытания показали, что во многих местах в Европе M. x giganteus имеет самый большой выход энергии среди всех потенциальных биоэнергетических культур с точки зрения чистого МДж га  −1 [мегаджоулей на гектар] и самую высокую эффективность использования энергии (EUE) с точки зрения стоимости энергии на производство из-за его относительно высокой урожайности и низких затрат [...]». Хастингс и др. 2009a, стр. 180.
  21. ^ Урожайность SRF для ивы и тополя в Великобритании находится в диапазоне 10–12 тонн сухого вещества с гектара в год согласно Proe, Griffiths & Craig 2002, стр. 322–323. В метаисследовании урожайности ивы Фабио и др. ссылаются на испытания ивы в Швеции, дающие 8, 13 и 14 тонн. В Великобритании авторы ссылаются на два испытания ивы, оба дающие 10 тонн, и одно испытание в Ирландии, дающее 8–10 тонн. См. Fabio & Smart 2018, таблицы 1 и 2, стр. 551 и 552. Точки данных урожайности ивы (местоположение не указано) на рисунке 2, стр. 554 показывают среднюю урожайность приблизительно 6–7 тонн с гектара в год. В таблице 3, стр. 557, цитируется 6 исследований со средней урожайностью 10 тонн с гектара в год. Айлотт и др. собрали данные с 49 испытательных участков для ивы и тополя в Великобритании и пришли к выводу: «Результаты полевых испытаний показали, что наблюдаемая урожайность SRC значительно различалась между генотипом и севооборотом (таблица 1). Самая высокая урожайность была зафиксирована у ивы в течение двух севооборотов, при этом 16 генотипов в среднем составили 9,0 odt [тонн сухой массы] га −1 в год −1 по сравнению с 6,3 odt га −1 в год −1 для генотипов тополя. Самой урожайной родительской линией была шведская S. vimanlis × S. schwerinii , которая показала стабильно высокую урожайность в течение обоих севооборотов и высокую устойчивость к ржавчине. Эта родительская линия включала самый урожайный одиночный генотип, Tora, со средней урожайностью в течение обоих севооборотов 11,3 odt га −1 в год −1 ». Aylott et al. 2008, стр. 363. Моделируя будущее, Aust et al. оценивают среднюю урожайность в 14 тонн для ивы и тополя SRC, выращиваемых на пахотных землях в Германии, см. Aust et al. 2014, стр. 529. Ива и тополь нуждаются в удобрениях для достижения этой урожайности, Fabio et al. сообщают о 92–400 кг азота на гектар в год для урожайности, указанной в их статье. См. Fabio & Smart 2018, стр. 551–552. Hastings et al. использовали программное обеспечение для компьютерного моделирования для оценки урожайности мискантуса, ивы и тополя для Великобритании и пришли к выводу, что средняя урожайность находится в узком диапазоне от 8,1 до 10,6 сухих тонн на гектар в год для всех этих растений, причем мискантус занимает среднее положение. Мискантус имел самую высокую урожайность на более теплом юго-западе, и корректировка компьютерной модели с учетом ожидаемого более теплого климата в 2050 году сделала мискантус самой урожайной культурой для большей площади: «По мере того, как климат становится теплее в течение временных интервалов, урожайность увеличивается, и, следовательно, увеличивается площадь, где мискантус является самой урожайной культурой из рассматриваемых видов сырья». Гастингс и др. 2014, стр. 108, 119.
  22. ^ Оценки урожайности см. в разделе 2.7.2–2.7.3 документа ФАО «Глобальный прогноз будущих поставок древесины с лесных плантаций». ФАО приводит оценки урожайности в кубических метрах (м3 ) ; от 1 до 25 м3 в глобальном масштабе. Кубические метры переводятся в сухие тонны на основе следующих данных: вес сосны обыкновенной, произрастающей в Европе и Северной Азии, составляет 390 кг/м3 в сухом состоянии (влажность 0%). Вес в сухом состоянии видов эвкалипта, обычно выращиваемых на плантациях в Южной Америке, составляет 487 кг/м3 ( в среднем для Lyptus, Rose Gum и Deglupta). Средний вес видов тополя, обычно выращиваемых на плантациях в Европе, составляет 335 кг/м3 ( в среднем для White Poplar и Black Poplar.
  23. ^ Если быть точным, чистый годовой прирост (NAI) для смешанного умеренного естественного леса составляет (2–2,5 м 3 на гектар, от 0,9 м 3 в Греции до 6 м 3 во Франции). Кубические метры, преобразованные в сухие тонны на основе следующих данных: сосна обыкновенная, произрастающая в Европе и Северной Азии, весит 390 кг/м3 в сухом состоянии (влажность 0%). Сухой вес видов эвкалипта, обычно выращиваемых на плантациях в Южной Америке, составляет 487 кг/м 3 (в среднем для Lyptus, Rose Gum и Deglupta). Средний вес видов тополя, обычно выращиваемых на плантациях в Европе, составляет 335 кг/м 3 (в среднем для White Poplar и Black Poplar. Smil 2008, стр. 75–76.
  24. ^ Программное обеспечение для расчета урожайности мискантуса Miscanfor вычисляет снижение урожайности на 33% между осенним пиком и зимним сбором урожая. См. Hastings et al. 2009a, стр. 186. Этот расчет подтверждается Roncucci et al., которые обнаружили снижение урожайности сухой массы на 32–38% для своих тестовых культур, когда сбор урожая был отложен до зимы. См. Roncucci et al. 2015, стр. 1002. Clifton-Brown et al. обнаружили среднее снижение урожайности на 0,3% в день в период между пиком осеннего урожая и зимним сбором урожая, см. Clifton‐Brown, Breuer & Jones 2007, стр. 2305.
  25. ^ "Большая часть литературы, сообщающей о урожайности сухой биомассы для M. x giganteus, исходит из европейских исследований. Потолочные пиковые урожайности биомассы в устоявшихся насаждениях M. x giganteus приблизились к 40 т сухого вещества (СВ) га −1 в некоторых европейских местах, хотя может потребоваться 3–5 лет, чтобы достичь этих предельных урожайностей. По всей Европе урожайность до 25 т СВ га −1 из устоявшихся насаждений M. x giganteus была зарегистрирована в районах между центральной Германией и южной Италией, в то время как пиковая урожайность в центральной и северной Европе варьировалась от 10 до 25 т СВ га −1 и превышала 30 т СВ га −1 в южной Европе. Количественный обзор устоявшихся насаждений M. x giganteus по всей Европе показал среднюю пиковую урожайность биомассы в 22 т СВ га −1 , усредненную по нормам азота и уровням осадков." Андерсон и др. 2014, стр. 79.
  26. ^ "Начиная со второго года посадки мискантуса, урожай ежегодно собирали на грани появления всходов в конце марта или начале апреля. Средняя урожайность мискантуса составила 15 Мг сухой массы (дм) га −1 г −1 , и оставалась практически постоянной с четвертого года посадки". Фельтен и Эммерлинг 2012, стр. 662.
  27. ^ "Урожайность, используемая при расчете выбросов ПГ и экономики сельскохозяйственных культур в этом исследовании использовалась средняя урожайность 12–14 Мг га −1 г −1 , которая наблюдалась из Mxg из текущих коммерческих насаждений, наблюдаемых в Соединенном Королевстве (частное сообщение, М. Мос). Мы предположили логистическое увеличение урожайности для урожайности в год основания и линейное снижение урожайности через 15 лет Lesur et al. (2013). Межгодовая вариация урожайности из-за погодных условий, как наблюдалось в долгосрочных испытаниях (Клифтон-Браун и др., 2007) и смоделированная урожайность мискантуса для Соединенного Королевства с использованием погодных данных с 2000 по 2009 год (Харрис и др., 2014) с использованием модели MiscanFor (Гастингс и др., 2009, 2013) показывает, что связанное с погодой стандартное отклонение межгодовой вариации урожайности в Соединенном Королевстве составляет порядка 2,1 Мг га − 1 г −1 для средней урожайности 10,5 Мг га −1 г −1 для всего Соединенного Королевства. Смоделированные урожаи в целом пессимистичны, поскольку они рассчитывают урожайность на неорошаемых землях и не учитывают поддержку грунтовых вод, которая доступна во многих пахотных хозяйствах Соединенного Королевства». Гастингс и др. 2017, стр. 4.
  28. ^ Вацлав Смил оценивает примерно удвоение чистой первичной продукции (ЧПП) биомассы в тропиках по сравнению с умеренными регионами мира. Смил 2015, стр. 81.
  29. ^ Исследователи проекта ЕС MAGIC (Marginal Lands for Growing Industrial Crops) утверждают, что диапазон температур роста Miscanthus × giganteus составляет от 8 до 45 °C. Электронная таблица ЕС MAGIC 2021.
  30. ^ «Примерно два коэффициента преобразуют сухое вещество в углерод (Michel et al., 2006) и 10 из т га −1 в кг м −2 . [...] На рисунке 2 показаны глобальные прогнозы NPP мискантуса из моделирования жизнеспособности. Рассчитанные значения варьируются от 0,5 кг С м −2  год −1 в бореальном регионе до 1–2 кг С м −2  год −1 в средних широтах и ​​3–5 кг С м −2  год −1 в тропиках.» Хьюз и др. 2010, стр. 82–83.
  31. ^ Шеперд и др. утверждают, что Micanthus × giganteus «снижает производство ассимилятов выше 28°C» и предсказывают, что урожайность в тропиках будет низкой. Однако оценка средней урожайности в тропиках не приводится. Шеперд и др. 2020, стр. 295, 298.
  32. ^ Чжан и др. измерили урожайность банановой травы (разновидность сапфир) в 74 тонны с гектара в год при легком удобрении и 1000 мм осадков. Чжан и др. 2010, стр. 96, 98 (таблица 1).
  33. ^ Хошино и др. измерили урожайность спрея в 75,6 тонн с гектара в год на второй год роста при обильном удобрении и уровне осадков 1000 мм в год. Хошино, Оно и Сирикиратаянонд 1979, стр. 310, 311, 315.
  34. ^ Висенте-Чандлер и др. обнаружили, что обильно удобренная скаковая трава производила 75 661 фунт сухого вещества с акра в год при скашивании с интервалом в 90 дней, что эквивалентно 84,8 тоннам с гектара в год. Висенте-Чандлер, Сильва и Фигарелла, 1959, стр. 202.
  35. ^ "Общая потребность в воде составляет приблизительно 100 мм (4 дюйма) в эквиваленте осадков в месяц. [...] Урожайность гигантской королевской травы зависит от времени между сборами урожая. Например, при шестимесячном сборе урожая высокой гигантской королевской травы можно ожидать получения 80 или более тонн США с акра (180 метрических тонн с гектара) свежей травы при влажности около 70–75%. Для двух сборов в год удвойте эти цифры". Viaspace 2020.
  36. ^ Маккей приводит данные об урожайности в 360 тонн сырого урожая с гектара в год, но не приводит количественную оценку содержания влаги. Маккей 2020.
  37. ^ "Азиатско-Тихоокеанское экономическое сотрудничество (АТЭС) оценивает, что маргинальные земли составляют приблизительно 400 миллионов гектаров по всей Азии, островам Тихого океана, Австралии и Северной Америке. Другие оценки оценивают глобальную маргинальную площадь земель где-то от 1100 до 6650 миллионов гектаров, в зависимости от параметров, используемых для описания маргинальных земель (например, "неблагоприятные сельскохозяйственные земли", "заброшенные или деградированные пахотные земли" или засушливые, лесные, луговые, кустарниковые или саванные местообитания). Потенциальная площадь, доступная в США для целлюлозных биомассных культур и низкозатратных, высокоразнообразных местных многолетних смесей, составляет от 43 до 123 миллионов гектаров. Различия в этих оценках отражают непоследовательность в использовании термина "маргинальная земля", несмотря на его общее использование в биоэнергетической промышленности и литературе. Маргинальные земли часто описываются как деградированные земли, которые непригодны для производства продуктов питания и/или имеют неоднозначно низкое качество, и часто называются непродуктивны. Непродуктивные почвы характеризуются неблагоприятными химическими и/или физическими свойствами, которые ограничивают рост растений и урожайность, включая низкую способность хранить воду и питательные вещества, высокую соленость, токсичные элементы и плохую текстуру. Дополнительные трудности, возникающие в маргинальных ландшафтах, включают малую глубину почвы из-за эрозии, плохой дренаж, низкое плодородие, крутой рельеф и неблагоприятный климат. Несмотря на плохое качество маргинальных земель и потенциальные проблемы, которые они могут представлять для их производства, биомасса вряд ли будет выращиваться на высококачественных землях, которые экономически жизнеспособны для традиционных культур». Куинн и др. 2015, стр. 1–2.
  38. ^ «Оценки маргинальных/деградированных земель, которые в настоящее время считаются пригодными для биоэнергетики, варьируются от 3,2 до 14,0 млн км2 в зависимости от принятых критериев устойчивости, определений классов земель, почвенных условий, метода картирования земель и экологических и экономических соображений (Кэмпбелл и др. 2008; Кай и др. 2011; Льюис и Келли 2014).» МГЭИК 2019c.
  39. ^ Требуется 30 дней при средней температуре ниже −3,4 °C, прежде чем температура почвы упадет ниже −3,4 °C. См. Hastings et al. 2009b, стр. 184. Quinn et al. утверждают, что «[m]iscanthus × giganteus площадь листьев и урожайность снижаются под воздействием засухи, но доступность воды не влияет на образование побегов или высоту растения в начале вегетационного периода. [стр. 4]. [...] Биомасса и жизнеспособность корневищ Miscanthus × giganteus не подвержены влиянию затопления [стр. 5]. [...] Соленость выше 100 мМ повлияла на рост Miscanthus × giganteus, при этом корневища > корни > побеги в порядке возрастания чувствительности (корневища наименее чувствительны). Растения, выращенные из более крупных корневищ, изначально были менее чувствительны. [стр. 8]. [...] Летальная температура, при которой погибло 50 % (LT50) корневищ Miscanthus × giganteus, составила −3,4 °C, что может быть проблематичным, особенно в первую зиму. [...] Miscanthus × giganteus демонстрирует необычную холодостойкость для вида C4. [стр. 10] [...] Поскольку C4 и Виды CAM обладают врожденными механизмами сопротивления тепловому стрессу, имеет смысл рассмотреть биомассовые культуры с этими фотосинтетическими путями (см. Таблицу 5) [стр. 11]. [...] Наш обзор литературы выявил несколько «универсальных» биомассовых культур, которые умеренно или высокоустойчивы к множественным стрессорам окружающей среды (таблица 6). Например, было показано, что Andropogon gerardii , Eucalyptus spp., Miscanthus spp., Panicum virgatum , Pinus spp., Populus spp., Robinia pseudoacacia и Spartina pectinata умеренно или высокоустойчивы к четырем или более типам стресса [стр. 14]». Quinn et al. 2015, стр. 4, 5, 8, 10, 11, 14.
  40. ^ «Большинство засоленных почв, охватывающих 539 567 км2 в европейской географической зоне, могут быть использованы для выращивания мискантуса с предполагаемым снижением урожайности до 11%; дополнительные 2717 км2 могут быть использованы с предполагаемым снижением урожайности на 28%, и только 3607 км2 дадут снижение урожайности более чем на 50%». Ставриду и др. 2017, стр. 99.
  41. ^ "Корневище DW [сухой вес] и соотношение корня/корневища и подземной/надземной DW не были затронуты повышенной соленостью, и только корневая DW была значительно снижена при самой высокой концентрации соли (22,4 дСм м−1 NaCl) (таблица 1). Płażek et al. (2014) показали аналогичную реакцию у M. × giganteus, с уменьшением только корневой DW при 200 мм NaCl и отсутствием изменений в корневищах DW ниже 200 мм NaCl. Эта способность многолетних трав поддерживать подземную биомассу в условиях стресса может сохранять достаточные запасы для следующего вегетационного периода (Karp & Shield, 2008); хотя это может быть физиологически значимо для временных стрессов, таких как засуха, еще предстоит выяснить, как эта реакция влияет на урожайность из года в год при кумулятивном стрессовом эффекте засоления". Stavridou et al. 2017, стр. 100.
  42. ^ "Самые высокие урожаи биомассы, а также самые высокие потенциалы экономии ПГ и ископаемой энергии (до 30,6 т CO2eq/га*год [эквивалентов CO2 на гектар в год] и 429 ГДж/га*год [гигаджоулей на гектар в год] соответственно) могут быть достигнуты на неграничных участках в Центральной Европе. На ограниченных холодом (Москва/Россия) или засухой (Адана/Турция) участках может быть достигнута экономия до 19,2 т CO2eq/га*год и 273 ГДж/га*год (Москва) и 24,0 т CO2eq/га*год и 338 ГДж/га*год (Адана)". Левандовски и др. 2016, стр. 19.
  43. ^ Потребление энергии на основе угля в Китае составило 81,67 ЭДж в 2019 году (52% от мирового потребления). См. стр. 47. BP 2020.
  44. ^ "Гибель побегов означает, что в данном году урожай будет ограниченным, но на следующий год произойдет восстановление. Гибель корневища означает, что урожай необходимо пересаживать. [...] Для засушливых условий мы рассчитываем время ниже точки увядания: если оно превышает 30 дней, то побег погибает в этом году, если оно превышает 60 дней для M. × giganteus, то корневище погибает, а урожай уничтожается. Это основано на эксперименте с водным стрессом в камере выращивания с M. × giganteus (Клифтон-Браун и Хастингс, неопубликованные данные). Это продлено до 60 и 120 дней для M. sinensis ." Хастингс и др. 2009b, стр. 161.
  45. ^ Ронкуччи и др. сообщается о приблизительно 2-кратном улучшении урожайности мискантуса, посаженного в илистую глинистую почву (которая обладает лучшей водоудерживающей способностью), по сравнению с супесчаной почвой (Италия) после относительно нормального вегетационного периода с точки зрения осадков , и приблизительно 6-кратном улучшении урожайности после вегетационного периода с сильной засухой: «На второй год роста (2011 г.) культуры, растущие на почве SiC [иловато-глинисто-суглинистой] показали значительно более высокую надземную сухую урожайность (таблица S1) по сравнению с культурами, растущими на почве SL [песчаной] (19,1 против 10,9 Мг га −1 ) (рис. 2a). [...] Общие тенденции в продуктивности биомассы были усилены на третий год роста (2012 г.), когда мискантус, растущий на почве SL, подвергся сильному влиянию летней засухи, что привело к преждевременному надземному старению, потере листьев и угнетению цветения. Таким образом, в среднем за три даты сбора урожая урожайность сухой биомассы в почве SL была на порядок ниже, чем в Почва SiC (24,6 против 3,9 Мг га −1 ). [...] Результаты, полученные в наших экспериментах, подтвердили важность наличия воды в определении удовлетворительной урожайности мискантуса в средиземноморской среде. Фактически, плантации мискантуса в почвах, характеризующихся плохой водоудерживающей способностью (т. е. почва SL), были серьезно затронуты после трех лет выращивания, с урожайностью сухого урожая ниже 5 Мг га−1. [...] Roncucci et al. 2015, стр. 1001, 1004. Stričević et al. сделать аналогичный вывод, добавив глубину корней в уравнение: «Доступность воды для мискантуса в равной степени зависела от осадков и накопленной почвенной влаги, так что урожайность в целом была отражением глубины корней и характеристик почвы. Например, урожайность, зарегистрированная в Раля, была ниже, чем достигнутая в Земуне из-за ограничительного слоя почвы в первом случае [1,1 м] и неспособности мискантуса развивать более глубокие корни. Важность почвы и глубины корней для моделирования производства растений была подтверждена другими исследователями (Raes et al., 2009)». См. Stričević et al. 2015, стр. 1205.
  46. ^ Однако Стричевич и др. высказывают противоположную точку зрения: «Каждый год мискантус увеличивал свою надземную биомассу и глубину корней [...]. В первые 2 года мискантус формировал корневища, и рост корней был медленным. На третий год в более плодородном поверхностном слое почвы было достаточно влаги, поэтому глубина корней была меньше ожидаемой. Следующие 3 года были засушливыми, поэтому в поисках воды корни значительно увеличили свою глубину (до 2,3 м), что согласуется с данными, полученными в других экспериментах (Neukirchen et al., 1999; Riche & Christian, 2001)». См. Стричевич и др. 2015, стр. 1207.
  47. ^ Орошение также может повысить урожайность, если применять его в засушливые периоды вегетации (определяемые как количество осадков 150–300 мм). В почвах с хорошей водоудерживающей способностью орошения можно избежать, если количество осадков превышает 420 мм: «Mantineo et al. (2009) заявили, что орошение в первые 3 года после укоренения повлияло на подземный рост и размер мискантуса, и те же авторы обнаружили хорошую надземную урожайность в течение четвертого и пятого года (около 27 и 18 Мг га −1 ), когда орошение не проводилось. Эти результаты подтверждаются Mann et al. (2013b), которые исследовали динамику корневой системы мискантуса в ответ на богарные и орошаемые условия и подчеркнули отсутствие развития корней глубже 1,2 м в богарных условиях, в то время как при дополнительном орошении во время укоренения мискантус смог развить корни на глубине 3 м. Таким образом, закономерности роста мискантуса в супесчаной почве (Эксперимент 1) подчеркнули важность подачи поливной воды также в течение лет после укоренения. Однако в почвах, характеризующихся хорошей Влагоудерживающая способность (Эксперимент 2) показала, что оросительная вода не оказывает влияния на урожайность культур. Предыдущие исследования, проведенные в Средиземноморье (центральная и южная Италия), сравнивающие орошаемые и богарные культуры мискантуса, дали неоднозначные результаты. Фактически, в южной Италии двух- и трехлетние культуры реагировали на орошение только тогда, когда подача воды превышала 440 мм (Cosentino et al., 2007) или когда осадки в течение вегетационного периода были довольно ограниченными (около 400 мм) (Mantineo et al., 2009). Важность осадков для мискантуса, выращиваемого в Средиземноморье, была подтверждена Petrini et al. (1996), которые сравнивали богарные и орошаемые культуры мискантуса в двух разных местах в центральной Италии. В 2-летних культурах не было зафиксировано различий в надземной урожайности на участке с большим количеством осадков (>420 мм), в то время как у орошаемого мискантуса на участке с меньшим количеством осадков (около 313 мм) наблюдалось увеличение надземной сухой урожайности на 58%. Наконец, на нашем экспериментальном участке Эрколи и др. (1999) при сравнении влияния орошения и азотного удобрения на урожайность мискантуса наблюдали увеличение примерно на 20% (+4,5 Мг га −1 ) на орошаемых и богарных участках, собранных осенью. Это согласуется с нашими результатами: когда количество осадков в течение вегетационного периода было довольно низким (~164 мм) и аналогичным тому, что сообщают Эрколи и др. (1999) (~173 мм), участки, получающие орошение, увеличивали свою сухую урожайность примерно на 15% по сравнению с богарными участками. Напротив, в 2012 году, когда осадков было намного больше (~400 мм), мискантус при ET0 и ET75 дал почти одинаковый урожай». Ронкуччи и др. 2015, стр. 1005–1006, .
  48. ^ Стричевич и др. делают похожий вывод относительно сельскохозяйственных культур в Сербии. Почва в этой области обычно хорошо увлажнена в начале вегетационного периода из-за таяния снега. Если корни растут глубоко (2–3 м) и почва обладает хорошей водоудерживающей способностью, 300–400 мм осадков в течение сезона достаточно для хорошей урожайности (20–25 тонн с гектара в год). Стричевич и др. 2015, стр. 1204–1205. (Однако в таблице 2, страница 1208, заявленные уровни осадков для урожайности 20–25 тонн еще ниже; 220, 220 и 217 мм. Неясно, почему авторы остановились на оценке 300–400 мм вместо 220 мм.) Авторы отмечают, что если вообще нет ограничений по воде, то есть если посевы орошаются, можно ожидать вдвое большую урожайность (42 тонны с гектара в год). Обратите внимание, что эта урожайность является результатом компьютерного моделирования, а не фактической измеренной урожайностью. Авторы использовали свободно распространяемое программное обеспечение ФАО AquaCrop для прогнозирования урожайности, чтобы рассчитать урожайность в оптимальных условиях: «Хотя мискантус обычно достигает высоких урожаев даже при низком уровне водоснабжения, он очень хорошо реагирует на орошение, увеличивая урожайность биомассы на целых 100% (Cosentino et al., 2007). В экологических условиях Сербии мискантус имел достаточно воды в течение первых 3 лет исследований, но он испытывал водный стресс в течение коротких периодов в четвертый, пятый и шестой годы. Чтобы проверить, сгенерировала ли модель реалистичные уровни биомассы, когда водоснабжение было неограниченным, был использован файл под названием «Создание графика орошения» и была выбрана опция «Пополнять, когда 80% легкодоступной воды истощено». Таким образом, если применяется орошение, необходимо ввести даты орошения и количество воды, чтобы они учитывались в водном балансе. В данном примере вместо ввода дат орошения и количества воды модель определила, сколько воды требовалось и когда, для достижения потенциальной урожайности. Те же самые входные данные с добавлением поливной воды дали урожайность 42 Мг га−1, что соответствует показателям, зарегистрированным в Греции и Италии в условиях орошения и отсутствия ограничений, в схожих климатических условиях и с похожей плотностью посевов (Cosentino et al., 2007; Danalatos et al., 2007)" (там же, стр. 1206–1207).
  49. ^ "Мискантус, выращенный на загрязненных почвах, может содержать более высокие концентрации TE [микроэлементов; металлов и металлоидов] в побегах, но TF [коэффициент транслокации], который в большинстве случаев меньше 1, указывает на то, что перенос TE от корня к побегу минимизирован (таблица 3). Сочетание этого признака с низким BCF [коэффициентом биологической концентрации] и более высокими концентрациями TE в корнях, чем в побегах, демонстрирует способность удерживать TE в почвах. Благодаря многолетнему росту и его способности стабилизировать TE и разлагать некоторые органические загрязнители, мискантус может потенциально ограничивать перенос загрязнителей в различные экологические отсеки за счет снижения (1) вымывания загрязнителей из корневой зоны и загрязнения грунтовых вод, (2) стока загрязнителей (водной эрозии) и загрязнения поверхностных вод, (3) выбросов пыли в атмосферу из-за ветровой эрозии и сезонной обработки почвы и (4) переноса загрязнителей в надземные части растений и, таким образом, перехода в пищевые цепи. Поэтому, как непродовольственные культуры, «Мискантус» представляет собой потенциальный ресурс для фитоменеджмента загрязненных территорий с возможностью фитостабилизации ТЭ и/или деградации органических загрязнителей, что дает возможность снизить как риски для человека, так и для окружающей среды». Нсанганвимана и др. 2014, стр. 129.
  50. ^ "Сырьем для древесных гранул является древесная биомасса в соответствии с таблицей 1 стандарта ISO 17225‑1. Пеллеты обычно производятся в матрице, при этом общее содержание влаги обычно составляет менее 10 % от их массы во влажном состоянии". ISO (Международная организация по стандартизации) 2014a.
  51. ^ "Сырьем для недревесных гранул может быть травяная биомасса, фруктовая биомасса, водная биомасса или смеси биомасс. Эти смеси и смеси могут также включать древесную биомассу. Обычно они производятся в матрице с общим содержанием влаги, как правило, менее 15% от их массы". ISO (Международная организация по стандартизации) 2014b.
  52. ^ Данные о потерях при передаче электроэнергии от Всемирного банка, полученные из МЭА. Всемирный банк 2010.
  53. ^ Кроме того, Смил оценивает, что недавно установленные фотоэлектрические солнечные парки достигают 7–11 Вт/м 2 в солнечных регионах мира. Смил 2015, стр. 191.
  54. ^ «Запасы углерода в почве представляют собой баланс между скоростью разложения органического вещества почвы и ежегодным поступлением органического материала в виде растительности, навоза животных или любого другого органического внесения». МакКалмонт и др. 2017, стр. 496.
  55. ^ «SOC [органический углерод почвы], полученный из вносимых культур, будет ниже в первые годы укоренения (Zimmermann et al., 2012), при этом потери от нарушения резидентного углерода C3 опережают поступления C4 при посадке на пастбищах». McCalmont et al. 2017, стр. 496.
  56. ^ Аналогичным образом, выбросы N2O (закиси азота) сильно различаются в зависимости от предшествующего землепользования, зрелости урожая и уровня удобрения, однако «[...] выбросы после укоренения от многолетних культур, как правило, были намного ниже, чем выбросы от однолетних культур [...] мы приходим к выводу, что нацеливание на низкоуглеродные почвы для выращивания многолетних биоэнергетических культур сократит потери углерода в почве в краткосрочной перспективе и будет способствовать секвестрации углерода в почве в долгосрочной перспективе. В глобальном масштабе предполагается, что управление землей для содействия такой секвестрации и избежания потерь может быть ценным инструментом в смягчении последствий изменения климата (Lal, 2003)». Whitaker et al. 2018, стр. 152, 154.
  57. ^ ab "Любое нарушение почвы, такое как вспашка и культивация, вероятно, приведет к краткосрочным потерям органического углерода почвы из-за дыхания, разложенного стимулированными популяциями почвенных микробов (Cheng, 2009; Kuzyakov, 2010). Ежегодное нарушение при возделывании сельскохозяйственных культур повторяется из года в год, что приводит к снижению уровней SOC. Многолетние сельскохозяйственные системы, такие как пастбища, имеют время, чтобы восполнить свои нечастые потери от нарушений, что может привести к более высокому равновесному содержанию углерода в почве (Gelfand et al., 2011; Zenone et al., 2013)". McCalmont et al. 2017, стр. 493.
  58. ^ ab "Вспашка разрушает почвенные агрегаты, которые, среди прочих функций, как полагают, препятствуют потреблению и разложению SOM почвенными бактериями, грибами и другими микробами (Grandy and Neff 2008). Агрегаты сокращают микробный доступ к органическому веществу, ограничивая физический доступ к минеральным стабилизированным органическим соединениям, а также сокращая доступность кислорода (Cotrufo et al. 2015; Lehmann and Kleber 2015). Когда почвенные агрегаты разрушаются вспашкой при преобразовании местных экосистем в сельскохозяйственные, микробное потребление SOC и последующее дыхание CO2 резко возрастают, сокращая запасы углерода в почве (Grandy and Robertson 2006; Grandy and Neff 2008)". IPCC 2019a, стр. 393.
  59. ^ "Пять вариантов имеют большой потенциал смягчения последствий (>3 ГтCO2-экв. в год) без неблагоприятного воздействия на другие проблемы (высокая достоверность). Это: повышение продуктивности продовольствия; снижение обезлесения и деградации лесов; повышение содержания органического углерода в почве; управление пожарами; и снижение потерь после сбора урожая. [...] Увеличение запасов углерода в почве удаляет CO2 из атмосферы и увеличивает водоудерживающую способность почвы, тем самым придавая устойчивость к изменению климата и усиливая способность к адаптации. [...] Поскольку увеличение содержания органического вещества в почве является мерой по борьбе с деградацией земель (см. Раздел 6.2.1), а восстановление деградированных земель помогает повысить устойчивость к изменению климата, увеличение содержания углерода в почве является важным вариантом адаптации к изменению климата . С учетом того, что ежегодно из-за деградации теряется около 120 000 км2, а деградация земель во всем мире отрицательно влияет на более чем 3,2 млрд человек (IPBES 2018), методы, направленные на увеличение содержания органического углерода в почве, имеют большой потенциал для решения проблем адаптации (таблица 6.23)". МГЭИК 2019d, стр. 591, 572, 591.
  60. ^ Dondini et al. 2009, стр. 422. Авторы не дают количественную оценку урожайности надземной сухой массы, вместо этого здесь используется медианное значение оценки МакКалмонта в 10–15 тонн для всей Великобритании (см. МакКалмонт и др. 2017, стр. 497) вместе с оценкой содержания углерода в мискантусе Кале и др. в 48% (см. Кале и др. 2001, таблица 3, стр. 176).
  61. ^ Milner et al. 2016, таблица 4, стр. 322, 323. Учитывая среднюю урожайность сухой массы в Великобритании в 12,5 тонн с гектара (см. McCalmont et al. 2017, стр. 497), а также оценку содержания углерода в мискантусе, проведенную Kahle et al., в 48% (см. Kahle et al. 2001, таблица 3, стр. 176.
  62. ^ Nakajima et al. 2018, стр. 1. В целом, следует ожидать более низких чистых темпов накопления для молодых плантаций из-за ускоренного распада углерода и, следовательно, выбросов CO2 во время посадки (см. Ввод/вывод углерода в почву. Авторы приводят урожайность сухой массы в размере 25,6 (± 0,2) тонн на гектар в год. Оценка содержания углерода 48% (см. Kahle et al. 2001, таблица 3, стр. 176).
  63. ^ На 16-летнем участке мискантуса было 106 тонн подземного углерода на гектар. На контрольном участке 1 было 91 тонна подземного углерода, на контрольном участке 2 — 92 тонны. Средняя разница с контрольными участками — 15,5 тонн. Для надземного углерода общий собранный сухой материал на гектар на 16-летнем участке составил 114 тонн, или 7,13 тонны в год. Через 16 лет общий подземный углерод, полученный от мискантуса (C4), достиг 18 тонн, что эквивалентно 29% от общего вносимого углерода мискантуса за эти годы в виде опавших листьев, корневищ и корней. Средний вносимый мискантусом углерод в год составил 1,13 тонны. Хансен и др. 2004, стр. 102–103.
  64. ^ "[...] кажется вероятным, что пахотные земли, преобразованные в мискантус, будут поглощать почвенный углерод; из 14 сравнений 11 показали общее увеличение SOC по всей глубине образцов с предполагаемыми темпами накопления в диапазоне от 0,42 до 3,8 Мг С га −1 год −1 . Только три сравнения пахотных земель показали более низкие запасы SOC под мискантусом, и они предполагали незначительные потери от 0,1 до 0,26 Мг га −1 год −1 ." МакКалмонт и др. 2017, стр. 493.
  65. ^ «Корреляция между возрастом плантации и SOC показана на рис. 6, [...] линия тренда предполагает чистую скорость накопления 1,84 Мг C га −1 год −1 с аналогичными уровнями на пастбищах в состоянии равновесия». МакКалмонт и др. 2017, стр. 496.
  66. ^ Учитывая среднюю максимальную урожайность в ЕС в 22 тонны сухого вещества с гектара в год (приблизительно 15 тонн во время весеннего сбора урожая). См. Anderson et al. 2014, стр. 79). 15 тонн также явно указаны как средняя весенняя урожайность в Германии, см. Felten & Emmerling 2012, стр. 662. Содержание углерода 48%; см. Kahle et al. 2001, таблица 3, стр. 176.
  67. ^ «Изменение общих скоростей изменения SOM в первые 5 лет после посадки мискантуса было очень высоким, в диапазоне от −4 до 7 мг C га−1 год−1 (рис. 4b). Аналогичные результаты были получены в других местах в течение первых 2–3 лет после посадки мискантуса: от −6,9 до 7,7 мг C га−1 год−1 (Zimmerman et al., 2011). Изменение годового изменения SOM уменьшалось со временем и было незначительным после 15 лет (рис. 4b).» Занг и др. 2017, стр. 267.
  68. ^ "[...] [М]искантус имеет химические свойства, отличные от свойств обычных древесных гранул, и требует особых технологий котлов для обработки его альтернативной природы горения [...]. Существуют различные производители и поставщики котлов, которые утверждают, что они были бы рады использовать мискантус в своих котлах и будут соблюдать гарантию при его использовании. Однако не каждый поставщик котлов счастлив использовать мискантус. Неизменно, если котел может использовать мискантус, он также может работать с менее проблемным топливом, таким как древесина, но не наоборот". Caslin, Finnan & Easson 2010, стр. 31, 32.
  69. ^ "Стоимость производства биомассы для мискантуса в настоящее время слишком высока, чтобы конкурировать в коммерческом плане с ископаемым топливом на энергетической основе. Высокие затраты на производство биомассы для мискантуса являются результатом недостаточного развития технологий сельскохозяйственного производства, сопровождающегося дополнительными затратами на сельскохозяйственные ресурсы, землю и рабочую силу для относительно дешевой биомассы. Хотя они амортизируются в течение периода производства 10–25 лет, первоначальные затраты на укоренение для мискантуса все еще сравнительно высоки. Это связано с тем, что единственный коммерчески доступный генотип Miscanthus × giganteus является триплоидным гибридом, который не дает жизнеспособных семян. Следовательно, необходимо выполнить дорогостоящее укоренение через корневище или размножение in vitro (Xue et al., 2015). Мискантус также является новым для фермеров, и у них нет ни знаний, ни технического оборудования для его выращивания. Таким образом, неэффективная технология производства в настоящее время ограничивает его широкое распространение в качестве культуры биомассы. Для биомассы мискантуса нет стабильных рынков, и соответствующие приложения низкая стоимость. Фермеры не решаются выращивать мискантус, поскольку это подразумевает выделение своих полей для долгосрочного производства биомассы. Они будут готовы сделать это только после того, как рынки биомассы станут стабильными или если будут доступны долгосрочные контракты (Wilson et al., 2014). Основное использование лигноцеллюлозной биомассы из многолетних культур — в качестве твердого топлива для производства тепла и электроэнергии — сравнительно низкоценное использование, его рентабельность в конечном итоге определяется ценой на ископаемое топливо. В Европе субсидии, как правило, необходимы для того, чтобы биоэнергетические продукты могли конкурировать на розничных рынках энергии — за заметным исключением лесной древесины и побочных продуктов лесного хозяйства, которые не могут быть использованы для продуктов из древесных материалов. Поэтому также требуются более высокоценные приложения для биомассы мискантуса, чтобы обеспечить привлекательные рыночные возможности. Нет сортов мискантуса, адаптированных к различным характеристикам участка и вариантам использования биомассы. В Европе Miscanthus × giganteus — единственный коммерчески доступный генотип. Основными препятствиями для разведения сортов мискантуса являются высокие затраты и длительные периоды разведения, необходимые, поскольку большинство параметров, связанных с урожайностью и качеством, не поддаются количественной оценке до тех пор, пока не пройдет 2–3 года фазы укоренения». Левандовски и др., 2016 г., стр. 2.
  70. ^ "Мискантус можно собирать, срезая косилкой-плющилкой и упаковывая в большие тюки Heston или круглые тюки, а затем измельчая их. Его также можно измельчать кукурузной жаткой Kemper при сборе урожая. Однако проблема с этим типом сбора урожая заключается в низкой насыпной плотности урожая, приблизительно 50–130 кг/м3. Урожай очень объемный и займет много места для хранения при сборе урожая. Кроме того, хранение щепы может быть проблематичным, если щепа слишком маленькая или слишком влажная, так как может произойти нагревание. Другая потенциальная проблема с мискантусом заключается в его пушистой природе в форме щепы, которая может потенциально застревать или блокироваться при подаче в зону сгорания котла. Однако подходящий механизм подачи шнека решит эту проблему. [...] При транспортировке мискантуса в насыпной измельченной форме его можно перевозить в партиях по 96 м3. Большинство операторов сообщают о минимальной загрузке в 11,5 тонн на партию при влажности 20%, что указывает на насыпную плотность около 120 кг/м3, что эквивалентно 1,60 евро за ГДж поставленной энергии». Каслин, Финнан и Иссон 2010, стр. 31, 33.
  71. ^ «Большие прямоугольные и круглые пресс-подборщики способны производить тюки с плотностью сухого вещества от 120 до 160 кг/м3 и весом от 250 до 600 кг». Caslin, Finnan & Easson 2010, стр. 22. Кроме того, Huisman 2001, стр. 2098 приводит показатель 250 кг/м3 для пресс-подборщиков высокой плотности.
  72. ^ «Брикетирование снижает потребление электроэнергии при уплотнении почти на 50% по сравнению с гранулированием (личное сообщение, Вольфганг Штельте). В этом случае преимущество в потреблении энергии в цепочке торрефикации по сравнению с цепочкой WWP почти удваивается до 10,3%. Преимущество в выбросах парниковых газов соответственно увеличивается до 33% сокращения торрефицированных древесных брикетов (TWB) по сравнению с WWP, как можно увидеть на рисунке 9». Wild & Visser 2018, стр. 16–17.
  73. ^ Содержание влаги в торрефицированной биомассе составляет 1–5%. Причина, по которой в торрефицированной массе все еще остается некоторое количество влаги, несмотря на ее гидрофобные свойства, заключается в небольших трещинах или щелях в гранулах или брикетах, которые позволяют влаге проникать внутрь. Wild 2015, стр. 72, 74.
  74. ^ "Стабильность пламени может быть дополнительно усугублена различиями в размере частиц, поскольку крупные размеры частиц могут действовать как поглотители тепла, увеличивая время резонанса частицы перед воспламенением и влияя на баланс потери тепла и выделения тепла. Для стабильного пламени при работе с пылевидным углем обычно требуется измельчение топлива до 70% менее 75 мкм. [Необходимо уменьшить по крайней мере 70% от общего количества частиц до размера менее 75 мкм.] Легкость, с которой топливо может быть измельчено до 70% менее 75 мкм, описывается с помощью индекса измельчаемости Хардгрова (HGI). Угли обычно находятся в диапазоне от 30 (повышенная устойчивость к измельчению) до 100 (легче измельчается) по шкале. HGI для необработанного мискантуса и обработанного биоугля приведены в таблице 3. Необработанный мискантус имеет HGI, равный нулю, что по сути означает, что под условия испытания, что ни одно топливо не достигнет желаемых 75 мкм и, таким образом, предполагая совместное измельчение, потребуется больше энергии для измельчения для достижения 75 мкм, или частицы измельченного топлива будут больше 75 мкм в диаметре». Смит и др. 2018, стр. 551.
  75. ^ См. Bridgeman et al. 2010, стр. 3916. Кроме того, Smith et al. измерили HGI 150 для мискантуса, предварительно обработанного гидротермальной карбонизацией, иногда называемой «мокрой» торрефикацией: «HGI 150 (см. Таблицу 3) для образцов, обработанных при 250 °C, также подразумевает, что топливо будет легко измельчаться, и должны быть ограниченные проблемы со стабильностью пламени, вызванные более крупными диаметрами частиц, встречающимися в необработанной биомассе». Smith et al. 2018, стр. 554.
  76. ^ «В среднем угли, используемые на электростанциях Великобритании, имеют HGI около 40–60; уголь из Ла-Лома, испытанный в этой работе, попадает в этот диапазон с HGI 46». Уильямс и др. 2015, стр. 382.
  77. ^ «Неорганические вещества могут быть особой проблемой для мискантуса во время сгорания, поскольку большое количество щелочных и щелочных металлов, особенно калия и натрия, наряду с серой и хлором, влияет на химию золы и влияет на поведение топлива с точки зрения его тенденции к коррозии оборудования и вызывает шлакование, загрязнение и в некоторых печах агломерацию слоя. [...] Загрязнение — это явление, возникающее, когда калий и натрий в сочетании с хлором частично испаряются под воздействием лучистого тепла и образуют хлориды щелочных металлов, которые конденсируются на более холодных поверхностях, таких как теплообменники. Эти отложения не только снижают эффективность теплообменника; они также играют важную роль в коррозии, поскольку эти отложения могут реагировать с серой в дымовых газах, образуя сульфаты щелочных металлов, выделяя хлор. Этот хлор оказывает каталитическое действие, что приводит к активному окислению и коррозии материала печи». Смит и др. 2018, стр. 554, 556.
  78. ^ "При сжигании мискантуса неорганические компоненты остаются в виде золы. Типичное общее содержание золы в мискантусе находится в диапазоне от 2,0% до 3,5%. В системах сжигания с решеткой более крупная зола выгружается в виде зольного остатка, а более мелкая фракция золы покидает зону горения с отходящим газом в виде летучей золы. Из-за низкой температуры плавления золы, которая тесно связана с содержанием калия и хлорида в золе, температура горения поддерживается на максимально низком уровне". Lanzerstorfer 2019, стр. 1–2.
  79. ^ "Шлакирование - это явление, вызванное плавлением золы, когда отложения золы подвергаются воздействию лучистого тепла, такого как пламя в печи. Поскольку большинство печей спроектированы для удаления золы в виде порошкообразного остатка, часто желательно иметь высокую температуру плавления золы. В противном случае она имеет более высокую тенденцию к сплавлению в твердый стекловидный шлак, известный как клинкер, который может быть трудно удалить из печи. [...] AFT - это качественный метод оценки склонности топлива к шлакообразованию, который работает путем нагревания образца золы и анализа переходов в химии золы. Ключевые переходы включают: (i) усадку, которая в основном представляет собой разложение карбонатов в гидротермально полученных углях, (ii) температуру деформации, по сути представляющую собой начальную точку, в которой порошкообразная зола начинает агломерироваться и начинает прилипать к поверхностям, (iii) полусферу, при которой зола агломерируется и становится липкой, и (v) поток, при котором зола расплавляется. Для большинства электростанций шлакование становится проблематичным между деформацией и температурой полушария». Смит и др. 2018, стр. 554.
  80. ^ «Чтобы мискантус наилучшим образом соответствовал требованиям к качеству сгорания, его традиционно собирают в Великобритании в конце зимы или в начале весны, после чего урожай полностью созреет, а питательные вещества будут повторно мобилизованы в корневище. [...] Более того, хотя образцы мискантуса, собранные поздно, имеют улучшенное качество топлива с более низким содержанием азота, хлора, золы и щелочных металлов, результаты, представленные в работе Бакстера и др. [2], показывают, что шлакование, загрязнение и коррозия по-прежнему наиболее вероятны для большинства культур. Таким образом, снижение содержания питательных веществ, вызванное перезимовкой, все еще недостаточно для обеспечения безопасного сгорания [...]». Смит и др. 2018, стр. 546.
  81. ^ Салех 2013, стр. 100. Салех также обнаружил приблизительное 65%-ное снижение для соломы. Аналогично, Рен и др. обнаружили, что "[...] 59,1% по весу, 60,7% по весу и 77,4% по весу содержания хлора в оливковых остатках, DDGS и кукурузной соломе , соответственно, были выделены во время торрефикации". Рен и др. 2017, стр. 40.
  82. ^ Йохансен и др. обнаружили, что «[...] Cl [хлор] является основным стимулятором высвобождения K [калия] посредством сублимации [прямого газового выделения] KCl [хлорида калия] [...]». Хлорид калия является «[...] доминирующим видом Cl, обнаруженным в биомассе, [...]» и остается стабильным в твердой фазе до тех пор, пока температура не достигнет 700–800 °C. Обратите внимание, что небольшое количество (5–10 %) высвобождения калия наблюдалось при температурах ниже 700 °C. В пороговой точке «[...] высокотемпературное высвобождение K [калия] в форме KCl [хлорида калия] эквивалентно доступному количеству общего Cl [хлора] в исходном топливе». Другими словами, «[...] высвобождение K [калия], по-видимому, ограничивается количеством доступного Cl [хлора]». Таким образом, в основном именно связь с хлором позволяет калию стать газом и загрязнить внутреннюю часть оборудования для сжигания; выделение калия «[...] прекратится, когда топливо, подвергаясь пиролизу или сгоранию, достигнет состояния полного дехлорирования». В этот момент калий вместо этого будет сплавляться с силикатами и алюмосиликатами при температуре около 800 °C и будет удерживаться в золе. Йохансен и др. 2011, стр. 4961, 4962, 4968.
  83. ^ "Недавние исследования Резы и др. и Смита и др. сообщили о судьбе неорганических веществ и гетероатомов во время HTC [гидротермальной карбонизации] мискантуса и указывают на значительное удаление щелочных металлов, калия и натрия, а также хлора. [...] Анализ поведения плавления золы в Смите и др. показал значительное снижение склонности к шлакообразованию полученного топлива, а также совокупного риска загрязнения и коррозии. [...] Следовательно, HTC предлагает потенциал для модернизации мискантуса из достаточно дешевого топлива в высококачественное топливо с высокой теплотворной способностью, улучшенными характеристиками обработки и благоприятной химией золы. [...] HTC при 250 °C может преодолеть проблемы шлакообразования и повысить температуру деформации золы с 1040 °C до 1320 °C для мискантуса раннего сбора. Химия также предполагает снижение склонности к загрязнению и коррозии для обоих видов топлива, обработанных при 250 °C". Смит и др. 2018, стр. 547, 556.
  84. ^ "Экологические издержки и выгоды биоэнергетики стали предметом значительных дискуссий, особенно для биотоплива первого поколения, производимого из продуктов питания (например, зерна и масличных семян). Исследования показали, что экономия парниковых газов в течение жизненного цикла составляет от 86% сокращения до 93% увеличения выбросов парниковых газов по сравнению с ископаемым топливом (Searchinger et al., 2008; Davis et al., 2009; Liska et al., 2009; Whitaker et al., 2010). Кроме того, высказывались опасения, что выбросы N2O от выращивания сырья для биотоплива могли быть недооценены (Crutzen et al., 2008; Smith & Searchinger, 2012) и что расширение выращивания сырья на сельскохозяйственных землях может привести к вытеснению производства продовольствия на земли с высокими запасами углерода или высокой природоохранной ценностью (т. е. iLUC), создавая углеродный долг, на погашение которого могут потребоваться десятилетия (Fargione et al., 2008). Другие исследования показали, что прямые выбросы, связанные с азотом, из ежегодного сырья для сельскохозяйственных культур можно смягчить с помощью оптимизированных методов управления (Davis et al., 2013) или что сроки окупаемости менее значительны, чем предполагалось (Mello et al., 2014). Однако по-прежнему существуют серьезные опасения относительно последствий iLUC, несмотря на разработки политики, направленные на снижение риска возникновения iLUC (Ahlgren & Di Lucia, 2014; Del Grosso et al., 2014). Whitaker et al. 2018, стр. 151.
  85. ^ «Влияние выращивания биоэнергетических и биотопливных культур вызывает особую озабоченность, при этом некоторые предполагают, что баланс парниковых газов (ПГ) продовольственных культур, используемых для производства этанола и биодизеля, может быть не лучше или хуже, чем у ископаемого топлива (Fargione et al., 2008; Searchinger et al., 2008). Это спорно, поскольку распределение выбросов ПГ по управлению и использованию побочных продуктов может иметь большое влияние на общий углеродный след получаемых биоэнергетических продуктов (Whitaker et al., 2010; Davis et al., 2013). Потенциальные последствия изменения землепользования (ЗП) в пользу биоэнергетики на баланс ПГ через замещение продовольственных культур или «косвенное» изменение землепользования (ИПЗ) также являются важным соображением (Searchinger et al., 2008)». Milner et al. 2016, стр. 317–318.
  86. ^ "Хотя первоначальной предпосылкой относительно биоэнергетики было то, что углерод, недавно захваченный из атмосферы растениями, обеспечит немедленное сокращение выбросов ПГ от использования ископаемого топлива, реальность оказалась менее однозначной. Исследования показали, что выбросы ПГ от производства энергетических культур и изменения в землепользовании могут перевесить любое смягчение последствий CO2 (Searchinger et al., 2008; Lange, 2011). Производство закиси азота (N2O), с ее мощным потенциалом глобального потепления (GWP), может быть существенным фактором в компенсации прироста CO2 (Crutzen et al., 2008), а также возможного подкисления и эвтрофикации окружающей среды (Kim & Dale, 2005). Однако не все виды сырья для биомассы одинаковы, и большинство исследований, критикующих производство биоэнергии, касаются биотоплива, произведенного из однолетних продовольственных культур по высокой стоимости удобрений, иногда с использованием земель, очищенных от естественных экосистем, или в прямой конкуренции с производством продовольствия (Naik et al., 2010). Специальные многолетние энергетические культуры, выращиваемые на существующих сельскохозяйственных землях более низкого качества, представляют собой устойчивую альтернативу со значительной экономией выбросов парниковых газов и связывания углерода в почве при выращивании с надлежащим управлением (Crutzen et al., 2008; Hastings et al., 2008, 2012; Cherubini et al., 2009; Dondini et al., 2009a; Don et al., 2012; Zatta et al., 2014; Richter et al., 2015). McCalmont et al. 2017, стр. 490.
  87. ^ "Значительное сокращение выбросов ПГ было продемонстрировано во многих исследованиях LCA в различных биоэнергетических технологиях и масштабах (Thornley et al., 2009, 2015). Наиболее значительное сокращение было отмечено для случаев с теплом и электроэнергией. Однако некоторые другие исследования (особенно по транспортному топливу) указали на противоположное, то есть на то, что биоэнергетические системы могут увеличивать выбросы ПГ (Smith & Searchinger, 2012) или не достигать все более строгих пороговых значений экономии ПГ. Ряд факторов обуславливают эту изменчивость в расчетной экономии, но мы знаем, что там, где значительное сокращение не достигается или сообщается о большой изменчивости, часто возникает связанная с этим неопределенность данных или вариации в применяемой методологии LCA (Rowe et al., 2011). Например, было показано, что неопределенность данных об изменении запасов углерода в почве после LUC существенно влияет на интенсивность выбросов ПГ в путях производства биотоплива (рис. 3), в то время как более краткосрочное воздействие радиационного воздействия частиц черного углерода из сжигание биомассы и биотоплива также представляет значительную неопределенность данных (Бонд и др., 2013)». Уитакер и др. 2018, стр. 156–157.
  88. ^ См. Whitaker et al. 2018, стр. 156. Расчеты см. в приложении S1.
  89. ^ См. Emmerling & Pude 2017, стр. 275–276. Emmerling & Pude перефразируют Felten et al. 2013. Для расчета урожайности, связывания углерода и выбросов парниковых газов см. Felten et al. 2013, стр. 160, 166, 168.
  90. ^ "Хотя эти значения представляют собой крайности, они показывают, что выбор места для выращивания биоэнергетических культур может иметь значение между большими экономиями или потерями ПГ [парниковых газов], сдвигая выбросы ПГ жизненного цикла выше или ниже установленных пороговых значений. Поэтому снижение неопределенностей в ∆C [увеличение или уменьшение углерода] после изменения землепользования [ИЗЗ] важнее, чем уточнение оценок выбросов N2O [закиси азота] (Berhongaray et al., 2017). Знание начальных запасов углерода в почве может улучшить экономию ПГ, достигаемую за счет целевого размещения многолетних биоэнергетических культур на низкоуглеродных почвах (см. раздел 2). [...] Предположение о том, что однолетние пахотные земли обеспечивают больший потенциал для связывания углерода в почве, чем пастбища, кажется чрезмерно упрощенным, но есть возможность улучшить прогнозы потенциала связывания углерода в почве, используя информацию о начальных запасах углерода в почве как более сильного предиктора ∆C [изменения количества углерода] по сравнению с предыдущим использованием земли". Уитакер и др. 2018, стр. 156, 160.
  91. ^ "Рис. 3 подтвердил отсутствие изменений или прирост SOC [органического углерода почвы] (положительный) за счет посадки мискантуса на пахотных землях по всей Англии и Уэльсу и только потерю SOC (отрицательный) в некоторых частях Шотландии. Общее годовое изменение SOC по всей Великобритании при переходе от пахотных земель к мискантусу, если бы все не ограниченные земли были засажены им, составило бы 3,3 Тг С год −1 [3,3 миллиона тонн углерода в год]. Средние изменения SOC для различных видов землепользования были положительными, когда были исключены гистосоли, при этом улучшенные пастбища давали самый высокий показатель Mg C га −1 год −1 [тонн углерода на гектар в год] 1,49, за которыми следуют пахотные земли 1,28 и леса 1. Разделение этого изменения SOC по исходному виду землепользования (рис. 4) показывает, что существуют большие регионы улучшенных пастбищ, которые, если засажены биоэнергетическими сельскохозяйственные культуры, как ожидается, приведут к увеличению SOC. Аналогичный результат был получен при рассмотрении перехода от пахотных земель; однако для центрально-восточной Англии был предсказан нейтральный эффект на SOC. Однако в Шотландии, как ожидается, будет снижение для всех видов землепользования, особенно для лесных массивов, в основном из-за более высокого SOC и более низкой урожайности мискантуса и, следовательно, меньшего вклада». Milner et al. 2016, стр. 123.
  92. ^ "Подводя итог, мы количественно оценили влияние LUC [изменения землепользования] на биоэнергетическое земледелие на баланс SOC и GHG. Это выявило LUC от пахотных земель, в целом, приводящее к увеличению SOC, при этом LUC от лесов связано с уменьшением SOC и увеличением выбросов GHG. Пастбища очень изменчивы и неопределенны в своей реакции на LUC на биоэнергетику, и, учитывая их широкое распространение в умеренном ландшафте, они остаются причиной для беспокойства и одной из основных областей, на которых должны быть сосредоточены будущие исследовательские усилия". Harris, Spake & Taylor 2015, стр. 37 (см. также стр. 33 относительно изменений SOC). Однако авторы отмечают, что "[т]е среднее время с момента перехода во всех исследованиях составило 5,5 лет (Xmax 16, Xmin 1) для SOC" и что "[...] большинство исследований рассматривали SOC только в профиле 0–30 см [...]". Harris, Spake & Taylor 2015, стр. 29–30. Низкие темпы накопления углерода для молодых плантаций следует ожидать из-за ускоренного распада углерода во время посадки (из-за аэрации почвы) и относительно низкого среднего поступления углерода в почву в течение фазы укоренения (2–3 года). Кроме того, поскольку специальные энергетические культуры, такие как мискантус, производят значительно больше биомассы в год, чем обычные луга, и примерно 25% содержания углерода в этой биомассе успешно добавляется к запасу углерода в почве каждый год (см. Чистое годовое накопление углерода), кажется разумным ожидать, что со временем органический углерод в почве также увеличится на преобразованных лугах. Авторы приводят фазу накопления углерода в 30–50 лет для многолетних растений на преобразованных лугах, см. Harris, Spake & Taylor 2015, стр. 31.
  93. ^ "После столетий сжигания древесины для получения энергии или переработки кормов в лошадиные силы, первым поколением биоэнергетического сырья были продовольственные культуры, такие как кукуруза, рапс, сахарный тростник и масличная пальма, используемые для производства биоэтанола и биодизеля. Они требовали больших затрат с точки зрения удобрений и энергии, что увеличивало их углеродный след (St. Clair et al., 2008). Кроме того, стоимость углерода при преобразовании продовольственного сырья в биоэтанол или биодизель была значительной с низким соотношением произведенной энергии к затраченной энергии, высокой стоимостью парниковых газов и низкой производительностью с точки зрения ГДж энергии на гектар земли (Hastings et al., 2012). Другим недостатком использования продовольственных культур для производства энергии является давление, оказываемое на баланс спроса и предложения на это сырье, что может повлиять на стоимость продуктов питания (Valentine et al., 2011) и увеличение косвенного изменения в использовании земель (ILUC) для увеличения площади пахотных земель (Searchinger et al., 2008), что в результате увеличивает их экологический след. Биоэнергетическая культура второго поколения Miscanthus почти всегда имеет меньший экологический след, чем однолетние биоэнергетические культуры первого поколения (Heaton et al., 2004, 2008; Clifton-Brown et al., 2008; Gelfand et al., 2013; McCalmont et al., 2015a; Milner et al., 2015). Это связано с ее многолетней природой, эффективностью переработки питательных веществ и потребностью в меньшем количестве химических веществ и обработки почвы в течение ее 20-летнего жизненного цикла, чем однолетние культуры (St. Clair et al., 2008; Hastings et al., 2012). Мискантус можно выращивать на сельскохозяйственных землях, которые экономически невыгодны для производства продовольственных культур (Клифтон-Браун и др., 2015). Гастингс и др. 2017, стр. 2.
  94. ^ «Систематический обзор и метаанализ были использованы для оценки текущего состояния знаний и количественной оценки влияния изменения землепользования (LUC) на непродовольственные биоэнергетические культуры второго поколения (2G) на органический углерод почвы (SOC) и выбросы парниковых газов (GHG), имеющие отношение к сельскому хозяйству умеренной зоны. После анализа 138 оригинальных исследований переход от пахотных земель к короткооборотным порослевым культурам (SRC, тополь или ива) или многолетним травам (в основном мискантус или просо) привел к увеличению SOC (+5,0 ± 7,8% и +25,7 ± 6,7% соответственно)». Harris, Spake & Taylor 2015, стр. 27.
  95. ^ "Наша работа показывает, что закладка урожая, урожайность и метод уборки влияют на стоимость углерода твердого топлива из мискантуса, которая для сбора в тюках составляет 0,4 г CO2 экв. С МДж −1 для закладки корневища и 0,74 г CO2 экв. С МДж −1 для закладки семенных пробок. Если собранная биомасса измельчается и гранулируется, то выбросы возрастают до 1,2 и 1,6 г CO2 экв. С МДж −1 соответственно. Потребности в энергии для уборки и измельчения из этого исследования, которые использовались для оценки выбросов ПГ, соответствуют выводам Михана и др. (2013). Эти оценки выбросов ПГ для топлива из мискантуса подтверждают выводы других исследований оценки жизненного цикла (LCA) (например, Стайлз и Джонс, 2008) и пространственные оценки экономии ПГ с использованием топлива из мискантуса (Гастингс и др. и др., 2009). Они также подтверждают, что мискантус имеет сравнительно небольшой след ПГ из-за своей многолетней природы, эффективности переработки питательных веществ и потребности в меньшем количестве химических веществ и обработки почвы в течение своего 20-летнего жизненного цикла, чем однолетние культуры (Heaton et al., 2004, 2008; Clifton-Brown et al., 2008; Gelfand et al., 2013; McCalmont et al., 2015a; Milner et al., 2015). В этом анализе мы не учитывали поток ПГ почвой, которая, как было показано McCalmont et al. (2015a), в среднем в Соединенном Королевстве поглощает 0,5 г C на МДж топлива, полученного из мискантуса. Изменения в SOC в результате выращивания мискантуса зависят от предыдущего использования земли и соответствующего начального SOC. Если избегать почв с высоким содержанием углерода, таких как торфяники, постоянные пастбища и зрелые леса, и использовать только пахотные и ротационные пастбища с минеральной почвой для мискантуса, то среднее увеличение SOC для первого 20-летнего севооборота в Соединенном Королевстве составляет ~ 1–1,4 Мг C га −1 г −1 (Milner et al., 2015). Несмотря на игнорирование этого дополнительного преимущества, эти оценки стоимости ПГ очень выгодно сравниваются с углем (33 г CO2 экв. C МДж −1 ), газом Северного моря (16), сжиженным природным газом (22) и древесной щепой, импортируемой из Соединенных Штатов (4). Кроме того, хотя стоимость C производства мискантуса составляет всего < 1/16 стоимости ПГ природного газа в качестве топлива (16–22 г CO2 экв. C МДж-1), она в основном обусловлена ​​углеродом, встроенным в оборудование, химикаты и ископаемое топливо, используемые при его производстве. По мере того, как экономика отходит от зависимости от этих ископаемых видов топлива для регулирования температуры (тепло для контроля температуры в теплице или охлаждение для хранения корневищ) или транспорта, эти затраты на ПГ начинают снижаться при производстве биоэнергии. Следует отметить, что оценки в этой статье не учитывают ни потенциал секвестрации C в почве, ни какое-либо воздействие или ILUC (Hastings et al., 2009)." Hastings et al. 2017, стр. 12–13.
  96. ^ «Многолетний мискантус имеет соотношение выходной/затратной энергии в 10 раз выше (47,3 ± 2,2), чем однолетние культуры, используемые для получения энергии (от 4,7 ± 0,2 до 5,5 ± 0,2), а общая стоимость углерода при производстве энергии (1,12 г CO2-C экв. МДж −1 ) в 20–30 раз ниже, чем у ископаемого топлива». МакКалмонт и др. 2017, стр. 489.
  97. ^ "Результаты на рис. 3c показывают, что большая часть земель в Великобритании может производить биомассу мискантуса с индексом углерода, который существенно ниже, при 1,12 г эквивалента CO2-C на МДж энергии в печи, чем уголь (33), нефть (22), СПГ (21), российский газ (20) и газ из Северного моря (16) (Бонд и др., 2014), таким образом, предлагая большую потенциальную экономию парниковых газов по сравнению с сопоставимыми видами топлива даже после учета изменений в их удельном энергетическом содержании. Фелтен и др. (2013) обнаружили, что производство энергии мискантусом (от размножения до конечного преобразования) предлагает гораздо более высокую потенциальную экономию парниковых газов на единицу площади земли по сравнению с другими биоэнергетическими системами. Они обнаружили, что мискантус (щепа для отопления жилых помещений) сэкономил 22,3 ± 0,13 Мг [тонн] CO2-экв га −1 год −1 [эквивалентов CO2 на гектар на год] по сравнению с рапсом (биодизель) на уровне 3,2 ± 0,38 и кукурузой (биомасса, электричество и тепло) на уровне 6,3 ± 0,56». МакКалмонт и др. 2017, стр. 500.
  98. ^ "Самые высокие урожаи биомассы, а также самые высокие потенциалы экономии ПГ и ископаемой энергии (до 30,6 т CO2eq/га*год и 429 ГДж/га*год соответственно) могут быть достигнуты на неграничных участках в Центральной Европе. На маргинальных участках, ограниченных холодом (Москва/Россия) или засухой (Адана/Турция), может быть достигнута экономия до 19,2 т CO2eq/га*год и 273 ГДж/га*год (Москва) и 24,0 т CO2eq/га*год и 338 ГДж/га*год (Адана). Экономия ПГ и ископаемой энергии самая высокая там, где биомасса мискантуса используется в качестве строительного материала (в нашем анализе используется пример изоляционного материала). Высокий потенциал экономии ПГ и ископаемой энергии был также обнаружен для отопления жилых помещений из-за короткого расстояния транспортировки. Гранулирование выгодно только с точки зрения минимизации выбросов ПГ и потребления энергии, когда биомасса транспортируется на большие расстояния, например, для производства тепла и электроэнергии на ТЭЦ. Гранулирование требует дополнительной энергии, но в то же время снижает энергию, необходимую для транспортировки из-за его более высокой плотности. Самые низкие потенциалы экономии ПГ и ископаемой энергии были обнаружены для производства электроэнергии с помощью биогазового пути, за которым следует биоэтанол. Однако на этот результат сильно влияют предположения, что (a) используется только 50% доступного тепла и (b) расстояние транспортировки от поля до биогазовой установки относительно велико (15 км). Биогазовая цепочка со 100% использованием тепла и меньшими расстояниями транспортировки будет работать лучше. Можно сделать вывод, что для производства электроэнергии из биомассы мискантуса наиболее благоприятным путем является сжигание для базовой нагрузки и биогаз для покрытия пиковых нагрузок. Lewandowski et al. 2016, стр. 19–20.
  99. ^ "Оценка затрат и жизненного цикла семи цепочек создания стоимости на основе мискантуса, включая мелкое и крупномасштабное производство тепла и электроэнергии, этанола, биогаза и изоляционных материалов, выявила потенциалы сокращения выбросов парниковых газов и экономии ископаемой энергии до 30,6 т CO2eq C га −1 г −1 и 429 ГДж га −1 г −1 соответственно. Расстояние транспортировки было определено как важный фактор стоимости. Отрицательные затраты на смягчение последствий выбросов углерода в размере −78 евро т −1 CO2eq C были зафиксированы для местного использования биомассы. Результаты OPTIMISC демонстрируют потенциал мискантуса как культуры для маргинальных участков и предоставляют информацию и технологии для коммерческой реализации цепочек создания стоимости на основе мискантуса. [...] Общее расстояние транспортировки биомассы предполагалось равным 400 км, когда тюки транспортировались на завод по производству биоэтанола или на завод по производству изоляционных материалов, а также в цепочке создания стоимости «Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ) тюки». Для цепочек создания стоимости «ТЭЦ гранулы» и «Тепловые гранулы» тюки перевозились на расстояние 100 км на грануляционный завод, а оттуда гранулы перевозились на расстояние 400 км на электростанции. Среднее расстояние от фермы до поля предполагалось равным 2 км. Это расстояние транспортировки также предполагается для цепочки создания стоимости «тепловая щепа», в которой предполагалось использование щепы в качестве биотоплива на ферме-производителе. Из-за более высоких потребностей биогазовой установки в биомассе предполагалось среднее расстояние транспортировки в 15 км от поля до завода». Левандовски и др. 2016, стр. 2, 7.
  100. ^ «Мы установим количество земли, которое может быть использовано в Великобритании для производства многолетних энергетических культур и для лесного хозяйства с коротким оборотом рубки (SRF). Существующие схемы поддержки биомассы (Обязательство по возобновляемым источникам энергии, Контракты на разницу, RHI и RTFO) уже поддерживают использование многолетних энергетических культур, таких как поросль с коротким оборотом рубки и мискантус, выращиваемых специально для целей биоэнергетики и в качестве материала. Однако в настоящее время в Великобритании только небольшая площадь земли (~10 000 гектаров) возделывается под многолетние энергетические культуры, и она в основном используется для производства тепла и электроэнергии. В настоящее время мало или совсем не используются многолетние энергетические культуры для низкоуглеродного топлива, поддерживаемого в рамках RTFO, из-за отсутствия промышленных мощностей по переработке для экономически эффективного преобразования этих ресурсов в топливо. [...] В 6-м отчете CCC по углеродному бюджету подчеркивается значительный потенциал многолетних энергетических культур и SRF для достижения наших целевых показателей углеродного бюджета за счет увеличения запасов углерода в почве и биомассе, а также предоставления других экосистемных выгод. В своем сбалансированном пути CCC предполагает, что до 708 000 гектаров земли могут быть выделены для производства энергетических культур, что привело к повышению интереса к роли многолетних энергетических культур и SRF в качестве сырья для биомассы для обеспечения экономии ПГ в секторах землепользования и энергетики. Программа Defra по нулевому чистому использованию земель, которая в настоящее время создает пространственное понимание компромиссов землепользования в ряде областей политики, поможет определить потенциальный масштаб будущей доступности биомассы, выращенной внутри страны, и ее потенциал для обеспечения экономии ПГ в ландшафте, где изменение землепользования должно быть оптимизировано для получения множественных выгод. Эта программа будет информировать наше понимание и доказательства о доступности и сочетании сырья для биомассы для использования в разных секторах». Департамент бизнеса, энергетики и промышленной стратегии 2021, стр. 15–16.
  101. ^ «В 2015 году был проведен семинар с участием исследователей, политиков и представителей промышленности/бизнеса из Великобритании, ЕС и других стран. Результаты глобальных исследований изменений в землепользовании для биоэнергетики сравнивались для выявления областей консенсуса, ключевых неопределенностей и приоритетов исследований. [...] Наш анализ показывает, что прямое воздействие специализированных многолетних биоэнергетических культур на углерод почвы и закись азота становится все более понятным и часто согласуется со значительным смягчением выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла от биоэнергетики по сравнению с традиционными источниками энергии. Мы приходим к выводу, что баланс парниковых газов при выращивании многолетних биоэнергетических культур часто будет благоприятным, при этом максимальная экономия парниковых газов будет достигаться там, где культуры выращиваются на почвах с низкими запасами углерода и консервативным внесением питательных веществ, что дает дополнительные экологические преимущества, такие как улучшение качества воды. Представленный здесь анализ демонстрирует наличие зрелой и все более полной базы данных об экологических преимуществах и рисках выращивания биоэнергетических культур, которые могут поддержать развитие устойчивой биоэнергетической промышленности». Уитакер и др. 2018, стр. 150.
  102. ^ ab "Felten & Emmerling (2011) сравнили численность дождевых червей на 15-летней плантации мискантуса в Германии с зерновыми, кукурузой, OSR, пастбищами и 20-летним участком под паром (после предыдущих зерновых). Разнообразие видов было выше на мискантусе, чем на однолетних культурах, что больше соответствует пастбищам или долгосрочному пару, при этом интенсивность управления считалась наиболее значимым фактором; более низкое нарушение почвы позволило дождевым червям из разных экологических категорий развить более неоднородную структуру почвы. Наибольшее количество видов было обнаружено на участках с пастбищами (6,8), за которыми следовали залежь (6,4), мискантус (5,1), OSR (4,0), злаки (3,7) и кукуруза (3,0), при этом общая численность отдельных дождевых червей варьировалась от 62 м−2 на участках с кукурузой до 355 м−2 на паре с мискантусом занимая среднюю позицию (132 м−2), хотя различия в численности не были обнаружены как существенные между видами землепользования. Однако есть некоторый компромисс в этом преимуществе для дождевых червей; высокая эффективность использования азота и круговорот питательных веществ, который снижает потребность в азотных удобрениях и связанный с ними вред для окружающей среды, означает, что, несмотря на большие доступные объемы, листовой опад мискантуса не является особенно полезным пищевым ресурсом из-за своей природы с низким содержанием азота и высоким содержанием углерода (Ernst et al., 2009; Heaton et al., 2009), и дождевые черви, питающиеся этим видом материала с низким содержанием азота, как было обнаружено в других исследованиях, теряют общую массу (Abbott & Parker, 1981). Однако, напротив, обширный покров подстилки на уровне земли под мискантусом по сравнению с голой почвой под однолетними злаками, как предполагается, является потенциально значительным преимуществом для дождевых червей в плане удержания поверхностной влаги в почве и защиты от хищников». МакКалмонт и др., 2017, стр. 502.
  103. ^ ab "Bellamy et al. (2009) рассмотрели виды птиц и их пищевые ресурсы на шести парных участках в Кембриджшире, сравнив плантации мискантуса возрастом до 5 лет с севооборотами озимой пшеницы как в зимний, так и в летний сезоны размножения. Авторы обнаружили, что мискантус предлагает различную экологическую нишу в течение каждого сезона; большинство часто встречающихся видов зимой были лесными птицами, тогда как лесных птиц не было обнаружено в пшенице; летом, однако, сельскохозяйственные птицы были более многочисленны. Более половины видов, встречающихся на участках, были более многочисленны в мискантусе, зарегистрировано 24 вида по сравнению с 11 для пшеницы. В течение сезона размножения было снова в два раза больше видов, обнаруженных на участках мискантуса, при этом индивидуальное обилие было выше для всех видов, за исключением жаворонка. Рассматривая только птиц, чьи гнездовые территории полностью или частично находились в пределах границ посевов, в мискантусе было обнаружено в общей сложности семь видов по сравнению с пятью в пшенице с большей плотностью гнездящихся пар (1,8 против 0,59 видов га −1 ), а также размножающиеся виды (0,92 против 0,28 видов га −1). Два вида имели статистически значимую более высокую плотность в мискантусе по сравнению с пшеницей, и ни один из них не был обнаружен с более высокой плотностью в пшенице по сравнению с мискантусом. Как обсуждалось, структурная неоднородность, как пространственная, так и временная, играет важную роль в определении внутрикультурного биоразнообразия, озимая пшеница, посеянная осенью, дает мало зимнего укрытия со средним напочвенным покровом высотой 0,08 м и очень небольшим количеством некультурных растений, тогда как мискантус, высотой около 2 м, давал гораздо больше. В сезон размножения эта разница между культурами оставалась очевидной; пшеничные поля обеспечивали однородный, плотный посевной покров в течение всего сезона размножения, и только трамвайные пути создавали разрывы, тогда как мискантус имел низкую открытую структуру в начале сезона, быстро увеличиваясь в высоте и плотности по мере развития сезона. Численность птиц снижалась по мере роста урожая, при этом два вида птиц, в частности, показали тесную (хотя и противоположную) корреляцию между численностью и высотой урожая; По мере роста урожая численность красноногой куропатки снижалась, тогда как численность камышевок увеличивалась, и эти камышевки не были обнаружены в урожае, пока он не достигал высоты 1 м, хотя они присутствовали на соседних полях OSR и засаженных растительностью канавах. В заключение авторы отмечают, что для всех видов в совокупности плотность птиц в Miscanthus была аналогична той, которая была обнаружена в других исследованиях, изучавших иву SRC и отведенные поля, все участки имели большую плотность птиц, чем обычные пахотные культуры. Именно за счет этих дополнительных ресурсов к интенсивному сельскохозяйственному ландшафту и снижения химического и механического давления на края полей Miscanthus может играть важную роль в поддержании биоразнообразия, но его следует считать дополнением к существующим системам и дикой природе, которая к нему приспособилась. Clapham et al. (2008) сообщает, как и другие исследования, представленные здесь, что в сельскохозяйственном ландшафте именно на окраинах полей и вкрапленных лесах можно обнаружить большую часть диких животных и их пищевых ресурсов, и важная роль, которую может играть мискантус в этом ландшафте, заключается в прекращении химического выщелачивания в эти ключевые местообитания, устранении ежегодного нарушения почвы и эрозии почвы, улучшении качества воды и обеспечении неоднородной структуры и зимнего укрытия». МакКалмонт и др. 2017, стр. 502–503.
  104. ^ "Наши результаты показывают, что молодые насаждения мискантуса поддерживают высокое видовое разнообразие растений до смыкания полога. Было обнаружено, что видовое богатство отрицательно коррелирует с плотностью насаждений и ниже в зрелых насаждениях. Однако даже 16-летние, густые насаждения мискантуса поддерживали до 16 различных видов сорняков на участке площадью 25 м2, что составляет до 12% плантации. Литературные данные подтверждают этот вывод: обычно сообщается, что насаждения мискантуса поддерживают биоразнообразие фермы, обеспечивая среду обитания для птиц, насекомых и мелких млекопитающих (Semere and Slater, 2007a; Bellamy et al., 2009). Исследования Semere and Slater (2007b) показали, что биоразнообразие в мискантусе выше, чем в других насаждениях культур, но все еще ниже, чем на окраинах открытого поля". Lewandowski et al. 2016, стр. 15.
  105. ^ «Разнообразная наземная флора, которая может обитать в почве под зрелым пологом мискантуса, будет обеспечивать пищей бабочек, других насекомых и их хищников. Жаворонки, луговые коньки и чибисы используют мискантус, а также 37 других видов птиц, включая крапивника, коноплянку и щегла, которые питаются семенами трав. После того, как листья сбрасываются зимой, для обыкновенных овсянок образуется подходящая среда обитания. Открытые пространства между ветвями обеспечивают идеальную среду обитания для таких птиц, как жаворонки и луговые коньки». Caslin, Finnan & Easson 2010, стр. 37.
  106. ^ «Наше исследование показывает, что мискантус и ивы SRC, а также управление, связанное с многолетними культурами, будут поддерживать значительное количество биоразнообразия по сравнению с однолетними пахотными культурами. Мы рекомендуем стратегическую посадку этих многолетних, специализированных культур биомассы на пахотных землях для увеличения неоднородности ландшафта и улучшения функционирования экосистемы, а также работать над достижением баланса между энергетической и продовольственной безопасностью». Хотон и др. 2016, стр. 1071.
  107. ^ "Два исследования, одно в IACR-Rothamsted и другое в Германии, сравнивающие мискантус со злаками, показали, что мискантус, по-видимому, обеспечивает среду обитания, которая поощряет большее разнообразие видов, чем зерновые культуры. В этих исследованиях в культуре мискантуса было обнаружено в три раза больше дождевых червей и пауков, мискантус также поддерживал большее разнообразие видов пауков. Одно из исследований также показало, что культура мискантуса имела на 5 видов млекопитающих больше и на 4 вида птиц больше, чем культура пшеницы. Спинк и Бритт (1998) определили мискантус как одну из самых экологически безопасных альтернатив постоянному захоронению". Каслин, Финнан и Иссон 2010, стр. 36.
  108. ^ "Мискантус обеспечивает укрытие большую часть года, потому что, хотя урожай собирают ежегодно, его собирают незадолго до начала роста следующего года. Этот покров может служить коридором для диких животных, связывающим существующие среды обитания. Мискантус также может служить местом гнездования как для птиц, гнездящихся на земле ранней весной, например, для полевых жаворонков, так и для птиц, гнездящихся в тростнике, например, для камышевки-камышовки, позднее летом. Мискантус может быть полезной покровной культурой для дичи и питомником для молодых фазанов и куропаток. В мискантусе было замечено как минимум девять видов, включая зайца-русака, горностая, мышей, полёвку, землеройку, лисицу и кролика. Многие из них являются полезным источником пищи для более крупных хищников, таких как сипуха". Caslin, Finnan & Easson 2010, стр. 36.
  109. ^ «Также существует преимущество сокращения химических вносимых веществ и выщелачивания нитратов, связанное с мискантусом, что значительно улучшает качество воды, стекающей с сельскохозяйственных угодий (Christian & Riche, 1998; Curley et al., 2009). McIsaac et al. (2010) сообщили, что выщелачивание неорганического азота было значительно ниже при неудобренном мискантусе (1,5–6,6 кг N га −1 год −1 ), чем при севообороте кукуруза/соя (34,2–45,9 кг N га −1 год −1 )». McCalmont et al. 2017, стр. 501.
  110. ^ "Предполагается, что значительное сокращение выщелачивания растворенного неорганического азота на основе поверхности земли произойдет, если земля, уже выращивающая кукурузу для производства этанола, будет преобразована в многолетнее сырье (Davis et al., 2012; Iqbal et al., 2015). Это сокращение выщелачивания объясняется более низкой потребностью в удобрениях, постоянным наличием корневой системы растений для поглощения азота и эффективной внутренней рециркуляцией питательных веществ многолетними видами трав (Amougou et al., 2012; Smith et al., 2013). В поддержку этого, мискантус и просо прутьевидное, оцененные в масштабе участка, имели значительно более низкое выщелачивание растворенного неорганического азота из подземных дренажных плиток по сравнению с типичным севооборотом кукуруза/соя, при этом удобренные участки проса показали незначительное или нулевое выщелачивание после достижения зрелости (Smith et al., 2013). Аналогичным образом, результаты почвенных измерений в том же сырье показало более низкий уровень растворенного неорганического азота по сравнению с однолетними культурами (McIsaac et al., 2010; Behnke et al., 2012). Недавний метаанализ доступной литературы пришел к выводу, что просо прутьевидное и мискантус имели в девять раз меньшие подземные потери нитрата по сравнению с кукурузой или кукурузой, выращиваемой в севообороте с соей (Sharma & Chaubey, 2017). В масштабе бассейна замещение производства кукурузы для производства этанола производством целлюлозного многолетнего сырья может снизить общее выщелачивание до 22% в зависимости от типа сырья и применяемой практики управления (Davis et al., 2012; Smith et al., 2013). Хотя эти предыдущие исследования предоставляют доказательства потенциальных экосистемных услуг перехода к целлюлозному производству, еще предстоит установить, каким будет общее изменение экспорта растворенного неорганического азота и речного стока при таких сценариях. Гидрологические процессы тесно связаны с азотным циклом (Castellano et al., 2010, 2013), являются ключевыми факторами переноса растворенного неорганического азота через ручьи и реки (Donner et al., 2002) и чувствительны к LUC (Twine et al., 2004). Различные сценарии моделирования, в которых текущий земельный покров в бассейне реки Миссисипи в Соединенных Штатах был изменен для размещения различных пропорций проса или мискантуса, показали, что воздействие на сток было небольшим по сравнению с улучшением качества воды (VanLoocke et al., 2017). Whitaker et al. 2018, стр. 157–158.
  111. ^ "Бланко-Канки (2010) отмечают, что эта эффективность использования воды и питательных веществ может быть благом на уплотненных, плохо дренированных кислых почвах, подчеркивая их возможную пригодность для маргинальных сельскохозяйственных угодий. Большая пористость и меньшая объемная плотность почв под многолетними энергетическими травами, возникающие в результате более волокнистых, обширных корневых систем и уменьшенного нарушения почвы, улучшают гидравлические свойства почвы, инфильтрацию, гидравлическую проводимость и водохранилище по сравнению с однолетними пропашными культурами. Могут быть потенциально большие воздействия на почвенную воду, когда размер плантации не соответствует водосбору или доступности орошения, но следует отметить, что увеличение ET и улучшение хранения грунтовых вод за счет увеличения пористости могут быть полезными во время обильных осадков с потенциальной возможностью хранения на 100–150 мм". МакКалмонт и др. 2017, стр. 501.
  112. ^ "В этом исследовании большой объем литературы преобразуется в простые утверждения об экологических издержках и выгодах производства мискантуса в Великобритании, и хотя есть возможности для дальнейших исследований, особенно в области гидрологии в коммерческих масштабах, биоразнообразия на старых плантациях или более частого отбора проб на N2O при переходе землепользования к мискантусу и обратно, появляются четкие признаки экологической устойчивости. Любое сельскохозяйственное производство в первую очередь основано на человеческом спросе, и всегда будет существовать компромисс между природой и человечеством или одним преимуществом и другим; однако литература предполагает, что мискантус может обеспечить ряд преимуществ, сводя к минимуму экологический вред. Необходимо учитывать целесообразность размера и местоположения плантации, будет ли достаточно воды для поддержания ее производства и экологические издержки на транспортировку к конечным пользователям; ее роль как долгосрочной многолетней культуры в ландшафте ротационного земледелия должна быть понята, чтобы не мешать производству основных продуктов питания. В этих соображениях нет ничего нового, они лежат в основе любой сельскохозяйственной политики, и лица, принимающие решения, знакомы с этими проблемами; Собранные здесь экологические данные помогут обеспечить научную основу для поддержки будущей сельскохозяйственной политики». МакКалмонт и др. 2017, стр. 504.
  113. ^ "Подход к оценке ES [экосистемных услуг] предполагает, что рост биоэнергетических культур 2G в Великобритании в целом оказывает благоприятное воздействие при замене культур первого поколения (таблица 1). Благоприятное воздействие на общую экосистему, а не на конкретные ES, согласуется с недавними отчетами в литературе (Semere & Slater, 2007a,b; Rowe et al., 2009; Dauber et al., 2010). Преимущества перехода к культурам 2G включают увеличение биоразнообразия в масштабах фермы (Rowe et al., 2011), улучшение функциональных характеристик, таких как хищничество (Rowe et al., 2013) и чистое снижение выбросов ПГ (Hillier et al., 2009). Преимущества являются в первую очередь следствием низких затрат и более длительных циклов управления, связанных с культурами 2G (Clifton-Brown et al., 2008; St Clair et al., 2008). Преимущества могут иметь различные временные закономерности, поскольку фазы установления и сбора урожая сельскохозяйственных культур 2G являются разрушительными и оказывают краткосрочное отрицательное воздействие на ES (Donnelly et al., 2011), хотя практики могут быть адаптированы для улучшения этих последствий; однако этот временной эффект здесь не рассматривался и аналогичен сбору и посадке продовольственных культур, травы или деревьев. [...] Когда земля фильтруется для различных сценариев посадки в соответствии с ALC 3 и 4, >92,3% доступной земли будут обеспечивать положительный эффект ES при посадке мискантуса или SRC, и такие переходы, вероятно, создадут чистое улучшение баланса GHG. Milner et al. 2016, стр. 328–329.
  114. ^ "[Ю]юго-запад и северо-запад Англии были определены как районы, где можно выращивать мискантус и SRC [короткий оборот поросли], соответственно, с благоприятным сочетанием экономической жизнеспособности, связывания углерода, высокой урожайности и положительных преимуществ ES [экосистемных услуг]. Благоприятное воздействие было обнаружено на 146 583 и 71 890 га при посадке мискантуса или SRC, соответственно, при базовых условиях посадки, увеличиваясь до 293 247 и 91 318 га, соответственно, при сценариях посадки 2020 года. [...] В Великобритании (GB) имеется приблизительно 22,9 млн га земли в целом (Lovett et al., 2014). [...] Земли, доступные для посадки, были рассчитаны с использованием карт ограничений, созданных Lovett et al. (2014) с использованием социальных и экологических ограничений на основе 8 факторов: дороги, реки и городские районы; уклон > 15%; памятники; выделенные территории; существующие охраняемые леса; почвы с высоким содержанием органического углерода; и территории с высоким «баллом естественности», такие как национальные парки и территории исключительной природной красоты. Эта доступность земель была дополнительно ограничена с использованием классов сельскохозяйственных земель (ALC) (Lovett et al., 2014) в Великобритании, как обобщено в Таблице 7, достигнуто путем агрегирования карты данных ALC с разрешением растра 100 м2 для получения общей площади земель в гектарах в различных ALC в каждой ячейке сетки размером 1 км2». Milner et al. 2016, стр. 317, 320.
  115. ^ "[...] [Д]олжности указывают на то, что использование многолетних культур с низкими затратами, таких как SRC, Miscanthus и просо прутьевидное, может обеспечить значительную экономию парниковых газов по сравнению с альтернативами ископаемого топлива при условии получения разумных урожаев, использования почв с низким содержанием углерода (см. разделы 2 и 3 выше) и смягчения контекста развития с использованием земли для производства продовольствия (и связанного с этим потенциала выбросов iLUC). Существует много случаев, когда эти критерии выполняются". Уитакер и др. 2018, стр. 157.
  116. ^ "В отличие от однолетних культур, биоэнергия из специализированных многолетних культур широко воспринимается как имеющая более низкие выбросы парниковых газов за жизненный цикл и другие сопутствующие экологические выгоды (Rowe et al., 2009; Creutzig et al., 2015). Многолетние культуры, такие как мискантус и ива и тополь с коротким оборотом рубки (SRC), требуют низких затрат азота (с выгодами для выбросов N2O и качества воды), могут связывать углерод почвы за счет сокращения обработки и увеличения распределения подземной биомассы и могут быть экономически жизнеспособными на маргинальных и деградированных землях, тем самым сводя к минимуму конкуренцию с другими видами сельскохозяйственной деятельности и избегая эффектов iLUC (Hudiburg et al., 2015; Carvalho et al., 2017). Что касается многолетней культуры сахарного тростника, большая экономия парниковых газов может быть достигнута за счет высокой урожайности культур и использования остатков для когенерации электроэнергии, в то время как недавний переход на Механизированная уборка урожая без сжигания в Бразилии также должна увеличить потенциал для связывания углерода в почве (Silva-Olaya et al., 2017). Тем не менее, воздействие выращивания многолетних культур на уровне участка на хранение углерода в экосистеме (в результате dLUC) различается географически, в зависимости от типа почвы и климата (Field et al., 2016). Whitaker et al. 2018, стр. 151.
  117. ^ «В спешке по реализации стратегий смягчения последствий изменения климата « углеродная нейтральность » биоэнергии не была строго оценена. Поскольку все больше исследований стали включать оценку воздействия dLUC и iLUC, доверие к биоэнергии первого поколения как к экологически устойчивому возобновляемому источнику энергии было подорвано. В последние годы появилось более тонкое понимание экологических преимуществ и рисков биоэнергии, и стало ясно, что многолетние биоэнергетические культуры имеют гораздо больший потенциал для обеспечения значительной экономии парниковых газов, чем обычные культуры, которые в настоящее время выращиваются для производства биотоплива во всем мире (например, кукуруза, пальмовое масло и рапс). Кроме того, все более строгие пороговые значения экономии парниковых газов для биотоплива и биоэнергии, вводимые в Европе (Council Corrigendum 2016/0382(COD)) и США (110-й Конгресс Соединенных Штатов, 2007 г.), придают дополнительный импульс этому переходу на многолетние биоэнергетические культуры». Уитакер и др. 2018, с. 160.

Сокращенные сноски

  1. ^ аб Нсанганвимана и др. 2014, с. 125.
  2. ^ Лаковски 2019.
  3. ^ Новые энергетические фермы 2021.
  4. ^ аб Нсанганвимана и др. 2014, с. 130.
  5. ^ МакКалмонт и др. 2017, с. 503.
  6. ^ Мигес и др. 2011, стр. 516.
  7. ^ Хитон, Хартцлер и Барнхарт 2010, стр. 2.
  8. ^ МГЭИК 2019b, стр. 4.34–4.41.
  9. ^ Лесные исследования 2019, стр. 69–71.
  10. ^ МакКалмонт и др. 2017, с. 497.
  11. ^ Ронкуччи и др. 2015, с. 1004.
  12. ^ Шеперд и др. 2020, стр. 295.
  13. ^ Прогнозы мирового спроса и предложения биоэнергии 2014, стр. 9, таблица 2.
  14. ^ Прогнозы мирового спроса и предложения биоэнергии 2014, стр. 8.
  15. ^ МАГИЯ ЕС 2021.
  16. ^ Электронная таблица EU MAGIC 2021.
  17. ^ Нсанганвимана и др. 2014, с. 124.
  18. ^ Чжан и др. 2020.
  19. ^ Клифтон-Браун, Брейер и Джонс 2007, стр. 2296–2297.
  20. ^ Йост и др. 2017, стр. 684, 688.
  21. ^ Нсанганвимана и др. 2014, с. 126.
  22. ^ аб Нсанганвимана и др. 2014, с. 128.
  23. ^ Нсанганвимана и др. 2014, с. 129.
  24. ^ аб Нсанганвимана и др. 2014, с. 131.
  25. ^ Клифтон-Браун и др. 2017, стр. 2.
  26. ^ Смил 2015, стр. 211, вставка 7.1.
  27. ^ Смил 2015, стр. 170.
  28. ^ Smil 2015, стр. 2095 (местоположение Kindle).
  29. ^ Смил 2015, стр. 91.
  30. ^ ab Smil 2015, стр. 89.
  31. ^ Смил 2015, стр. 228.
  32. ^ ab Smil 2015, стр. 227.
  33. ^ Смил 2015, стр. 90.
  34. ^ Смил 2015, стр. 229.
  35. ^ Смил 2015, стр. 80, 89.
  36. ^ ab Smil 2015, стр. 85.
  37. ^ Смил 2015, стр. 86.
  38. ^ Шварц 1993, стр. 413.
  39. ^ Флорес и др. 2012, стр. 831.
  40. ^ Гхош 2011, стр. 263.
  41. ^ См., например, оценку 0,60 Вт/м 2 для урожайности 10 т/га выше. Расчет следующий: урожайность (т/га), умноженная на содержание энергии (ГДж/т), деленная на секунды в году (31 556 926), умноженная на количество квадратных метров в одном гектаре (10 000).
  42. ^ Ван ден Брук 1996, стр. 271.
  43. ^ Эдо, Мар (март 2021 г.). «Отходы в энергию и общественное признание: завод по переработке отходов в энергию в Копенгагене» (PDF) . Биоэнергетика МЭА .
  44. ^ Милнер и др. 2016, стр. 320.
  45. ^ Клифтон-Браун, Брейер и Джонс 2007, стр. 2297.
  46. ^ Агостини, Грегори и Рихтер 2015, стр. 1058, рис. 1.
  47. ^ Занг и др. 2017, с. 262, 269.
  48. ^ Дондини и др. 2009, стр. 414, 419–420.
  49. ^ Poeplau & Don 2014, стр. 335.
  50. ^ Харрис, Спак и Тейлор 2015, стр. 31.
  51. ^ Фельтен и Эммерлинг 2012, с. 661.
  52. ^ Нуньес, Матиас и Каталан 2017, стр. 27.
  53. ^ ab Бриджмен и др. 2010, стр. 845.
  54. ^ Хейсман 2001, стр. 2098.
  55. ^ Уайлд 2015, стр. 72.
  56. ^ Смил 2015, стр. 13.
  57. ^ abcd Преимущества торрефикации.
  58. ^ Wild & Visser 2018, стр. 13.
  59. ^ ab Wild 2015, стр. 73.
  60. ^ Ли и др. 2018, стр. 181.
  61. ^ Бриджмен и др. 2010, стр. 3912.
  62. ^ Ндибе и др. 2015, стр. 177.
  63. ^ Кремерс и др. 2015, стр. 11.
  64. ^ Wild & Visser 2018, стр. 17.
  65. ^ Ндибе и др. 2015, стр. 189.
  66. ^ Рен и др. 2017, стр. 38.
  67. ^ Йохансен и др. 2011, стр. Б.
  68. ^ Рен и др. 2017, стр. 45.
  69. ^ Камбо и Дутта 2015, стр. 752.
  70. ^ Ли и др. 2018, стр. 182.
  71. ^ Рибейро и др. 2018, стр. 12, 13.
  72. ^ Аб Занг и др. 2017, с. 269, рис. 6.
  73. ^ Агостини, Грегори и Рихтер 2015, стр. 1068.
  74. ^ Андерсон-Тейшейра и др. 2012, стр. 2039–2040.
  75. ^ Poeplau & Don 2014, стр. 327.
  76. ^ Фельтен и Эммерлинг 2011, с. 167.
  77. ^ Левандовски и др. 2016, стр. 2.
  78. ^ МакКалмонт и др. 2017, с. 489.
  79. ^ Уитакер и др. 2018, с. 160.
  80. ^ Уилсон и Хитон 2013.
  81. ^ Каслин, Финнан и Иссон 2010.

Библиография

Внешние ссылки