Panicum virgatum , широко известный как просо , представляет собой многолетнюю кустовую траву теплого сезона, произрастающую в Северной Америке, где в природе встречается от 55° северной широты в Канаде на юг до Соединенных Штатов и Мексики. Просо просо - один из доминирующих видов высокотравных прерий центральной Северной Америки, его можно встретить в сохранившихся прериях, на местных травяных пастбищах и натурализованных вдоль обочин дорог. Он используется в основном для сохранения почвы , производства кормов , покрытия дичи, в качестве декоративной травы , в проектах фиторемедиации , производства волокна, электроэнергии, тепла, для биосеквестрации углекислого газа в атмосфере, а в последнее время как культура биомассы для этанола и бутанола .
Другие распространенные названия проса просо включают высокую паникующую траву, траву Вобсква, черную поленту, высокую прерийную траву, дикую краснопушку , соломенную траву и просо Вирджинии.
Просо прутьевидное — это выносливая многолетняя корневищная трава с глубокой корневой системой, рост которой начинается поздней весной . Он может вырасти до 2,7 м (8 футов 10 дюймов) в высоту, но обычно короче, чем большая голубая трава или индийская трава . Листья имеют длину 30–90 см (12–35 дюймов) с выступающей средней жилкой. Витграсс использует углеродную фиксацию C 4 , что дает ему преимущество в условиях засухи и высокой температуры. [2] Его цветы имеют хорошо развитую метелку , часто до 60 см (24 дюйма) в длину, и дают хороший урожай семян . Семена имеют длину 3–6 мм ( 1 ⁄ 8–1 ⁄ дюйма ) и ширину до 1,5 мм ( 1 ⁄ 16 дюйма) и развиваются из одноцветкового колоска . Обе чешуи присутствуют и хорошо развиты. При созревании семена иногда приобретают розовый или тускло-фиолетовый оттенок, а осенью становятся золотисто-коричневыми вместе с листвой растения. Просо – это многолетняя и самосевная культура, а это означает, что фермерам не нужно сажать и повторно засеивать после ежегодного сбора урожая. После создания насаждение из проса проса может просуществовать десять лет или дольше. [3] В отличие от кукурузы , просо может расти на маргинальных землях и требует относительно скромного количества химических удобрений . [3] В целом, он считается ресурсоэффективной и малозатратной культурой для производства биоэнергии из сельскохозяйственных угодий.
Большая часть Северной Америки, особенно прерии Среднего Запада США, когда-то была основным местом обитания обширных участков местных трав, включая просо, индийскую траву ( Sorghastrum nutans ), восточную гамаграссу ( Tripsacum dactyloides ), большой синий стебель ( Andropogon gerardi ), маленький синий стебель. ( Schizachyrium scoparium ) [4] и другие. Когда европейские поселенцы начали распространяться на запад по континенту, местные травы были вспаханы, а земля превратилась в такие культуры, как кукуруза , пшеница и овес . Интродуцированные травы, такие как овсяница , мятлик и садовая трава [5], также заменили местные травы для использования в качестве сена и пастбищ для крупного рогатого скота. [4]
Просо – универсальное и адаптируемое растение. Он может расти и даже процветать при любых погодных условиях, длительности вегетационного периода, типах почв и земельных условиях. Его распространение простирается к югу от 55° северной широты от Саскачевана до Новой Шотландии , на юге над большей частью Соединенных Штатов к востоку от Скалистых гор и далее на юг до Мексики . [7] Поскольку это многолетняя трава теплого сезона , большая часть ее роста происходит с конца весны до начала осени; в холодные месяцы он становится бездействующим и непродуктивным. Таким образом, продуктивный сезон в его северной среде обитания может длиться всего три месяца, но в южных пределах его среды обитания вегетационный период может длиться до восьми месяцев, в районе побережья Мексиканского залива . [8]
Просо прутьевидное — это разнообразный вид с поразительными различиями между растениями. Это разнообразие, которое, по-видимому, отражает эволюцию и адаптацию к новой среде обитания по мере распространения вида по континенту, обеспечивает ряд ценных признаков для программ разведения. Просо просо имеет две различные формы, или «цитотипы»: низинные сорта , которые имеют тенденцию производить больше биомассы, и горные сорта, которые обычно имеют более северное происхождение, более холодоустойчивы и поэтому обычно предпочитаются в северных районах. Горные виды проса проса, как правило, короче, имеют высоту ≤ 2,4 м (7 футов 10 дюймов) и менее грубые, чем низинные виды. Низинные сорта могут вырасти до ≥ 2,7 м (8 футов 10 дюймов) в благоприятных условиях. Как горные, так и низинные сорта имеют глубокие корни, > 1,8 м (5 футов 11 дюймов) на благоприятных почвах и имеют короткие корневища . Горные типы, как правило, имеют более мощные корневища, поэтому низинные сорта могут иметь кустовую траву , в то время как горные типы имеют тенденцию более образовывать дернину. Низинные сорта кажутся более пластичными по своей морфологии, дают более крупные растения, если насаждения становятся тонкими или при посадке широкими рядами, и они кажутся более чувствительными к стрессу влаги, чем горные сорта. [9]
В родных прериях просо исторически встречается в сочетании с несколькими другими важными местными высокотравными растениями прерий, такими как большой синий стебель, индийская трава, маленький синий стебель, сайдоат грама , восточная гамаграсс и различные разнотравья ( подсолнухи , пестрый перо , степной клевер и степная эхинацея). . Эти широко адаптированные виды высокотравья когда-то занимали миллионы гектаров. [10]
Пригодность проса проса для выращивания в Гран-Чако изучает Аргентинский национальный институт агропекуарии (INTA). [11]
Просо можно выращивать на землях, которые считаются непригодными для выращивания пропашных культур , включая земли, которые слишком эродированы для выращивания кукурузы , а также на песчаных и гравийных почвах во влажных регионах, которые обычно дают низкие урожаи других сельскохозяйственных культур. Невозможно предложить единый метод выращивания проса проса для всех ситуаций. Урожай можно получить как при нулевой, так и при традиционной обработке почвы . При посеве в составе разнообразной смеси следует соблюдать рекомендации по посадке травосмесей теплого сезона для консервационных посадок. Доступны региональные рекомендации по выращиванию и управлению просо для биоэнергетических или консервационных посадок. Несколько ключевых факторов могут повысить вероятность успеха при выращивании проса проса. К ним относятся: [12]
Для борьбы с сорняками рекомендуется скашивание и применение гербицидов с соответствующей маркировкой . Химическую борьбу с сорняками можно использовать осенью перед посадкой, а также до или после посадки. Сорняки следует скашивать чуть выше высоты растущего проса. Гормональных гербицидов, таких как 2,4-D , следует избегать, поскольку известно, что они замедляют развитие проса проса, если применять их в начале года закладки растения. [13] Посадки, которые, как представляется, потерпели неудачу из-за заражения сорняками, часто оцениваются ошибочно, поскольку неудача часто более очевидна, чем реальна. Насаждения проса проса, которые изначально были сорными, обычно в последующие годы при соответствующем уходе хорошо приживаются. [12] После создания проса проса может потребоваться до трех лет, чтобы достичь своего полного производственного потенциала. [14] В зависимости от региона он обычно может дать от 1/4 до 1/3 своего потенциального урожая в первый год и 2/3 своего потенциала в год после посева. [15]
После закладки, уход за просом будет зависеть от цели посева. Исторически сложилось так, что большая часть посевов проса прута использовалась в рамках Программы сохранения заповедников в США. Для оптимизации использования насаждений в целях поощрения биоразнообразия необходимы такие нарушения, как периодическое скашивание, сжигание или дискование . Повышенное внимание уделяется выращиванию проса проса как энергетической культуры . Как правило, эта культура требует умеренного внесения азотных удобрений , поскольку она не требует большого количества питательных веществ. Типичное содержание азота (N) в стареющем материале осенью составляет 0,5% N. Внесение азотных удобрений из расчета около 5 кг N/ га ( га) на каждую тонну удаленной биомассы является общим правилом. Более конкретные рекомендации по внесению удобрений доступны на региональном уровне в Северной Америке . Гербициды не часто используются на просо после посева, поскольку культура, как правило, вполне конкурентоспособна по сравнению с сорняками. Большинство процессов преобразования биоэнергии для проса проса, в том числе для производства целлюлозного этанола и топливных гранул, обычно позволяют использовать некоторые альтернативные виды в собранной биомассе . Урожай проса проса следует собирать не чаще двух раз в год, причем один укос часто дает столько же биомассы, сколько два. Просо можно собирать с помощью того же полевого оборудования , которое используется для производства сена , и оно хорошо подходит для прессования в тюки или массовой уборки в поле. Если правильно принять во внимание его биологию , просо может предложить большой потенциал в качестве энергетической культуры. [12] [16]
Просо может использоваться в качестве сырья для производства энергии из биомассы , в качестве почвенного покрова для сохранения почвы и борьбы с эрозией , в качестве корма и выпаса скота , в качестве укрытия для диких животных и в качестве сырья для биоразлагаемых пластиков. Фермеры, выращивающие крупный рогатый скот, могут использовать его для сена и пастбищ , а также в качестве заменителя пшеничной соломы во многих областях, включая подстилку для скота , содержание тюков соломы и в качестве субстрата для выращивания грибов.
Кроме того, просо выращивают как засухоустойчивую декоративную траву на средних и влажных почвах и на ярком солнце или в полутени.
Это предпочтительное личиночное растение-хозяин Dargida Rubripennis . [17] Это также личиночный хозяин шкипера Делавэра и шкипера Хобомока . [18]
Просо исследуется как возобновляемая биоэнергетическая культура с середины 1980-х годов, поскольку это местная многолетняя трава теплого сезона, способная давать от умеренного до высокого урожая на маргинальных сельскохозяйственных угодьях. В настоящее время рассматривается возможность его использования в нескольких процессах преобразования биоэнергии, включая производство целлюлозного этанола , биогаза и прямое сжигание для получения тепловой энергии . Основными агрономическими преимуществами проса проса как биоэнергетической культуры являются его долговечность, устойчивость к засухе и наводнениям, относительно низкие требования к гербицидам и удобрениям , простота управления, морозостойкость в плохих почвенных и климатических условиях, а также широкая адаптируемость в умеренном климате. В некоторых теплых и влажных южных зонах, таких как Алабама , он способен производить до 25 тонн сухого урожая с гектара (ODT/га). Сводка урожайности проса проса на 13 исследовательских участках в США показала, что два лучших сорта в каждом испытании дали урожайность от 9,4 до 22,9 т/га, при средней урожайности 14,6 ODT/га. [19] Тем не менее, эти урожаи были зафиксированы на небольших участках, и можно было ожидать, что на коммерческих полевых участках они будут как минимум на 20% ниже этих результатов. В Соединенных Штатах урожайность проса проса, по-видимому, самая высокая в теплых влажных регионах с продолжительным вегетационным периодом, таких как юго-восток США, и самая низкая в засушливых районах с коротким сезоном на Северных Великих равнинах . [19] Затраты энергии, необходимые для выращивания проса проса, благоприятны по сравнению с однолетними семенными культурами, такими как кукуруза , соя или рапс , которые могут требовать относительно высоких затрат энергии для полевых работ, сушки урожая и внесения удобрений. Цельнорастительные травянистые многолетние травы C4 являются желательным сырьем для получения энергии из биомассы, поскольку они требуют меньше затрат ископаемой энергии для роста и эффективного улавливания солнечной энергии из-за их фотосинтетической системы C4 и многолетней природы. В одном исследовании говорится, что для производства 1 тонны проса проса требуется от 0,97 до 1,34 ГДж, по сравнению с 1,99–2,66 ГДж для производства 1 тонны кукурузы. [20] Другое исследование показало, что просо потребляет 0,8 ГДж/ОДТ ископаемой энергии по сравнению с 2,9 ГДж/ОДТ зерновой кукурузы. [21] Учитывая, что просо содержит примерно 18,8 ГДж/ОДТ биомассы, соотношение выходной и потребляемой энергии для этой культуры может достигать 20:1. [22] Такое весьма благоприятное соотношение объясняется относительно высоким выходом энергии на гектар и низкими энергозатратами на производство.
Значительные усилия прилагаются к развитию проса проса как культуры для производства целлюлозного этанола в США. В Послании Джорджа Буша о положении страны в 2006 году он предложил использовать просо для производства этанола; [23] [24] [25] с тех пор более 100 миллионов долларов США было инвестировано в исследование проса проса как потенциального источника биотоплива. [26] Просо просо может производить до 380 литров этанола на тонну собранного урожая. [27] Однако современные технологии переработки травянистой биомассы в этанол составляют около 340 литров на тонну. [28] Напротив, кукурузный этанол дает около 400 литров на тонну. [29]
Основное преимущество использования проса проса перед кукурузой в качестве сырья для этанола заключается в том, что себестоимость его производства обычно составляет около 1/2 от стоимости зерна кукурузы, а в поле можно получить больше энергии биомассы с гектара. [22] Таким образом, целлюлозный этанол из проса проса должен давать более высокий выход этанола на гектар при меньших затратах. Однако это будет зависеть от того, удастся ли значительно снизить стоимость строительства и эксплуатации заводов по производству целлюлозного этанола. Энергетический баланс промышленности по производству этанола из проса также считается существенно лучшим, чем у кукурузного этанола . В процессе биоконверсии лигниновая фракция проса проса может быть сожжена, чтобы обеспечить достаточное количество пара и электроэнергии для работы биоперерабатывающего завода . Исследования показали, что на каждую единицу затрат энергии, необходимую для создания биотоплива из проса проса, получается четыре единицы энергии . [30] Напротив, кукурузный этанол дает около 1,28 единиц энергии на единицу энергозатрат. [31] Недавнее исследование, проведенное на Великих равнинах [32], показало, что для производства этанола из проса проса этот показатель составляет 6,4, или, альтернативно, в произведенном этаноле содержится на 540% больше энергии, чем было использовано при выращивании проса проса и его переработке. на жидкое топливо . Однако остаются препятствия коммерциализации развития технологии целлюлозного этанола. Прогнозы начала 1990-х годов по коммерциализации целлюлозного этанола к 2000 году [33] не оправдались. Таким образом, коммерциализация целлюлозного этанола оказывается серьезной проблемой, несмотря на заслуживающие внимания исследовательские усилия.
Применение тепловой энергии для проса проса, по-видимому, ближе к краткосрочному масштабированию, чем целлюлозный этанол для промышленного или мелкомасштабного применения. Например, из проса проса можно спрессовать топливные гранулы , которые впоследствии сжигаются в печах на гранулах , используемых для отопления домов (которые обычно сжигают кукурузные или древесные гранулы ). [14] Просо прутьевидное широко тестировалось в качестве заменителя угля при производстве электроэнергии . Наиболее широко изученным проектом на сегодняшний день является проект «Долина Харитон» в Айове . [34] Кооператив Show-Me-Energy (SMEC) в Миссури [35] использует просо и другие травы теплого сезона, а также древесные остатки в качестве сырья для пеллет, используемых для сжигания угольной электростанции. В восточной Канаде проса проса используется в пилотных масштабах в качестве сырья для коммерческого отопления. Были проведены исследования горения , и оказалось, что он хорошо подходит в качестве коммерческого котельного топлива. Также проводятся исследования по разработке проса проса в качестве топлива для гранул из-за отсутствия излишков древесных отходов в восточной Канаде [36] , поскольку спад в лесной промышленности в 2009 году теперь приводит к нехватке древесных гранул на всей территории восточной части Северной Америки. Вообще говоря, прямое сжигание проса проса для термических применений может обеспечить самый высокий чистый прирост энергии и соотношение выходной энергии к затратам среди всех процессов биоконверсии проса проса. [37] Исследования показали, что просо, гранулированное и используемое в качестве твердого биотоплива, является хорошим кандидатом на замену ископаемого топлива. Было установлено, что гранулы проса проса имеют соотношение выходной и потребляемой энергии 14,6:1, что значительно лучше, чем у вариантов жидкого биотоплива из сельскохозяйственных угодий. [21] В качестве стратегии смягчения последствий выбросов парниковых газов, гранулы проса проса оказались эффективным средством использования сельскохозяйственных угодий для смягчения последствий выбросов парниковых газов на уровне 7,6-13 тонн CO 2 на гектар. Напротив, было обнаружено, что целлюлозный этанол из проса проса и кукурузный этанол снижают выбросы 5,2 и 1,5 тонны CO 2 на гектар соответственно. [16]
Исторически основным препятствием для разработки трав для использования в тепловой энергии были трудности, связанные со сжиганием трав в обычных котлах , поскольку проблемы качества биомассы могут вызывать особую озабоченность при сжигании. Эти технические проблемы в настоящее время, по-видимому, в значительной степени решены с помощью методов управления посевами, таких как осеннее скашивание и весенний сбор урожая , которые допускают вымывание , что приводит к меньшему количеству аэрозолеобразующих соединений (таких как K и Cl) и N в траве. Это уменьшает образование клинкера и коррозию , а также позволяет использовать просо из проса чистого топлива для сжигания в небольших приборах для сжигания. Травы, собранные осенью, вероятно, найдут больше применения в крупных коммерческих и промышленных котлах. [38] [39] [40] Просо просо также используется для обогрева небольших промышленных и сельскохозяйственных зданий в Германии и Китае посредством процесса, используемого для изготовления заменителя природного газа низкого качества . [41]
Бай и др. (2010) провели исследование с целью анализа экологической устойчивости использования растительного материала проса проса в качестве сырья для производства этанола . [42] Для проведения этой оценки использовался анализ жизненного цикла . Они сравнили эффективность E10 , E85 и этанола с бензином . Они приняли во внимание выбросы в воздух и воду, связанные с выращиванием, управлением, переработкой и хранением урожая проса проса. Они также учли транспортировку хранящегося проса проса на завод по производству этанола, расстояние которого, по их предположению, составляло 20 км. Снижение потенциала глобального потепления при использовании E10 и E85 составило 5 и 65% соответственно. Их модели также показали, что «потенциал токсичности для человека» и «потенциал экотоксичности» были значительно выше для топлива с высоким содержанием этанола (т.е. E85 и этанола), чем для бензина и E10.
В 2014 году была создана генетически измененная форма бактерии Caldicellulosiruptor bescii , которая может дешево и эффективно превращать просо в этанол. [43] [44]
В новом проекте американские ученые генетически модифицировали просо, чтобы оно могло производить полигидроксибутират , который накапливается в виде шариков в клетках растения. [45] В ходе предварительных испытаний было показано, что сухая масса листьев растений содержит до 3,7% полимера. [46] Такие низкие темпы накопления по состоянию на 2009 год не позволяют коммерческое использование проса проса в качестве биоисточника.
Просо проса полезно для сохранения и улучшения почвы , особенно в Соединенных Штатах и Канаде, где просо обыкновенное является эндемичным. Просо проса имеет глубокую мочковатую корневую систему – почти такую же глубокую, как и высота растения. Поскольку он, наряду с другими местными травами и разнотравьем , когда-то покрывал равнины Соединенных Штатов, которые сейчас являются Кукурузным поясом , влияние прошлой среды обитания проса проса было благотворным, создавая плодородные сельскохозяйственные угодья, которые существуют сегодня. Глубокая волокнистая корневая система проса проса оставила глубокий богатый слой органического вещества в почвах Среднего Запада, что сделало эти моллисольные почвы одними из самых продуктивных в мире. Возвращая просо и другие многолетние прерийные травы в качестве сельскохозяйственной культуры, многие маргинальные почвы могут получить выгоду от повышения уровня органического материала, проницаемости и плодородия благодаря глубокой корневой системе травы.
Эрозия почвы , как ветровая, так и водная, вызывает серьезную озабоченность в регионах, где растет просо. Благодаря своей высоте просо может образовывать эффективный барьер от ветровой эрозии. [47] Его корневая система также отлично удерживает почву на месте, что помогает предотвратить эрозию от наводнений и стоков. Некоторые дорожные департаменты (например, KDOT ) использовали просо в своих смесях семян при восстановлении роста вдоль дорог. [48] Его также можно использовать на участках карьеров , дамбах, [47] и плотинах прудов. Заповедные районы во многих частях Соединенных Штатов используют его для борьбы с эрозией травяных водоемов из-за его способности закреплять почву, обеспечивая при этом среду обитания для диких животных.
Просо просо — отличный корм для крупного рогатого скота; однако он показал токсичность у лошадей, овец и коз [49] [50] [51] из-за химических соединений, известных как сапонины , которые вызывают фоточувствительность и повреждение печени у этих животных. Исследователи продолжают узнавать больше о конкретных условиях, при которых просо наносит вред этим видам, но до тех пор, пока не будет обнаружено больше, рекомендуется не скармливать им просо. Однако крупный рогатый скот можно кормить сеном или выпасать на пастбище.
Выпас проса проса требует тщательного управления, чтобы обеспечить выживание насаждения. Рекомендуется начинать выпас, когда растения достигают высоты около 50 см, и прекращать выпас, когда растения съедаются примерно до 25 см, и давать пастбищу отдых в течение 30–45 дней между периодами выпаса. [52] Просо становится стеблевым и невкусным по мере взросления, но в течение целевого периода выпаса оно является подходящим кормом с относительной кормовой ценностью (RFV) 90-104. [53] Из-за вертикального роста травы точка роста располагается над поверхностью почвы на стебле, поэтому для возобновления роста важно оставить 25 см стерни. При заготовке проса на сено первое укос происходит на поздней стадии трубкования – примерно в середине июня. Это позволит провести вторую обрезку в середине августа, оставив достаточно отростков, чтобы пережить зиму. [54]
Просо просо хорошо известно среди защитников дикой природы как хороший корм и среда обитания для видов горных промысловых птиц , таких как фазан , перепел , тетерев , дикая индейка и певчие птицы , благодаря обилию мелких семян и высокому покрову. Исследование, опубликованное в 2015 году, показало, что просо, выращиваемое в традиционной монокультуре, оказывает неблагоприятное воздействие на некоторых диких животных. [55] В зависимости от густоты посева проса проса и того, с чем он сочетается, он также является отличным кормом и укрытием для других диких животных по всей стране. Для тех производителей, у которых на ферме есть насаждения проса проса, это считается экологическим и эстетическим преимуществом из-за обилия диких животных, которых привлекают насаждения проса проса. Некоторые члены компании Prairie Lands Bio-Products, Inc. в Айове даже превратили эту выгоду в прибыльный бизнес, сдавая в аренду свои земли, засаженные просом, для охоты в соответствующие сезоны. [56] Польза для дикой природы может быть расширена даже в крупномасштабном сельском хозяйстве посредством процесса полосной уборки урожая, как рекомендует Общество дикой природы , которое предполагает, что вместо того, чтобы собирать урожай всего поля сразу, можно практиковать полосную уборку урожая, чтобы вся среда обитания не удаляется, тем самым защищая дикую природу, населяющую просо. [57]
Сорта Panicum virgatum используются в качестве декоративных растений в садах и ландшафтном дизайне. Следующие растения получили награду Королевского садоводческого общества за заслуги перед садом :
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )Самсон Р. и С. Бэйли Стамлер. Экологичность за меньшие деньги: экономически эффективные альтернативные источники энергии. Комментарий Института CD Хоу 282. Экономический рост и инновации. 2009. 25 страниц.{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )