Крупные многолетние травы, такие как мискантус, являются основной мишенью для использования в качестве биоэнергетических культур из-за их преимуществ устойчивости, но для их создания требуется несколько лет, и они не идеальны для севооборота. Кукурузой и другими однолетними культурами легче управлять при традиционном земледелии, но они более жестки по отношению к окружающей среде.

Энергетическое сорго, здоровенное однолетнее растение с экологическими преимуществами многолетника, может сочетать в себе лучшее из обеих культур.

Исследование, проведенное исследователями из Центра передовых биоэнергетических и Биопродуктивных инноваций Министерства энергетики США (DOE), показало, что энергетическое сорго (Sorghum bicolor) ведет себя скорее как мискантус в том, как оно эффективно захватывает свет и использует воду для производства обильной биомассы. Он имеет более высокие выбросы азота, как кукуруза, но исследователи полагают, что тщательное управление удобрениями может снизить эти уровни.

Исследование, опубликованное в журнале Global Change Biology: Bioenergy, предлагает важный первый взгляд на то, как энергетическое сорго сравнивается с кукурузой и мискантусом, выращиваемыми на Среднем Западе, предоставляя критические данные для биогеохимических и экологических моделей, используемых для прогнозирования роста, продуктивности и устойчивости сельскохозяйственных культур. Его возглавляли бывший постдокторский исследователь CABBI Кейтлин Мур и ее советник Карл Бернакки, физиолог растений из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США и адъюнкт-профессор биологии растений и наук о растениеводстве в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн (UIUC).

Сорго, по-видимому, является" средней культурой "с годовым циклом роста, но способностью использовать гораздо меньше воды, чем кукуруза, для производства" тонны " биомассы, сказал Мур, ныне научный сотрудник школы сельского хозяйства и окружающей среды Университета Западной Австралии. "Это, безусловно, многообещающая культура, которая поддерживает биоэнергетическую экономику."

Исследователи провели экосистемные сравнения потоков углерода, азота, воды и энергии сорго биколор с кукурузой и Мискантом X. giganteus на энергетической ферме UIUC в течение вегетационного сезона 2018 года, почти среднего года с точки зрения температуры, осадков и влажности почвы. Потоки отражают "дыхание экосистемы" - как вода, углекислый газ (CO2), азот (N) и энергия перемещаются между растениями и атмосферой, сказал Мур.

Долгосрочная экологическая устойчивость биоэнергетических культур зависит от того, насколько хорошо "дышит" система." Идеальная культура будет эффективно использовать воду и свет, чтобы максимизировать количество биомассы, удерживать углерод в почве вместо того, чтобы выпускать его в атмосферу, и потребует небольшого количества азотных удобрений, которые могут выщелачиваться в воду или вступать в реакцию с почвой с образованием закиси азота (N2O), мощного парникового газа.

Мискантус и другие крупные многолетние растения предлагают наилучший вариант для производства биомассы и связывания углерода, поскольку они имеют обширные подземные системы хранения углерода и азота и требуют меньше удобрений, чем однолетние культуры. Но эти преимущества могут быть сведены на нет, если углерод и азот будут нарушены, когда земля будет преобразована в другие виды использования, как в севообороте. Это может затруднить для землевладельцев чередование продовольственных и топливных культур, чтобы идти в ногу с рыночными требованиями, одновременно максимизируя долгосрочное хранение углерода.

Кукуруза, с другой стороны, очень продуктивна, но требует много воды и азота, и она теряет углерод, хранящийся в ее экосистеме, во время сбора урожая и обработки почвы.

Энергия сорго падает где-то посередине. Как однолетник, его можно легко чередовать с другими культурами, такими как соя и кукуруза. Он чувствителен к фотопериодам, поэтому дает щедрые урожаи биомассы в конце сезона, когда выращивается в регионах с долгими днями. А поскольку сорго устойчиво к засухе, его можно выращивать в регионах с низким уровнем осадков, что ослабляет давление растущей биотопливной промышленности на существующие земли, используемые для производства продовольствия.

До этого исследования вопрос заключался в том, ведет ли себя энергетическое сорго больше как мискантус или кукуруза, и что это означает для экосистемы. Команда CABBI использовала вихревые ковариационные башни потока и подземные показания почвы для записи данных об экосистемах растений-от скорости ветра и турбулентности до температуры воздуха, атмосферных газов, влажности и влажности почвы. Они также измеряли энергетический обмен, глядя на "альбедо" - показатель отражательной способности поверхности. В летнюю жару растения испаряются, что высвобождает влагу и избыточную энергию в воздух; листья с высокой отражательной способностью не поглощают столько тепла и энергии.

Исследователи обнаружили, что во время пика вегетационного периода в июле, когда все три культуры находились на максимальном продуктивном потенциале, потоки углерода, воды и энергии из экосистемы сорго были более похожи на потоки из экосистемы мискантуса, в то время как потоки азота больше напоминали кукурузу.

Кукуруза обладала самой высокой продуктивностью, но также и самой высокой эвапотранспирацией, причем энергетические сорго и мискантус были более тесно связаны. В целом энергетическое сорго имело самую высокую эффективность использования воды. Кукуруза была наиболее эффективна в превращении света в биомассу посредством фотосинтеза, с мискантом на нижнем конце и сорго в середине—вероятно, потому, что последние два растения имеют листовые, плотные навесы, в то время как кукуруза выращивается рядами, чтобы максимизировать проникновение света, сказал Мур.

Поток N2O был выше у кукурузы и энергетического сорго по сравнению с мискантом. Исследователи пришли к выводу, что они, вероятно, использовали слишком много удобрений на сорго, хотя оно получало вдвое меньше, чем кукуруза. Июньские дожди, которые затопили низменные поля сорго, могли усугубить потери азота. Ученые подозревают, что сорго имеет гораздо меньшую потребность в азоте, чем мискантус.

Продолжение наблюдений за потоками для трех культур станет важным следующим шагом для сравнения их реакции на засуху, наводнения и другие экстремальные климатические явления и оценки биогеохимических различий из года в год. Детальное понимание взаимодействия между типом культуры, климатом и управлением будет иметь решающее значение для прогнозирования долгосрочной устойчивости этих ключевых биоэнергетических культур, которые будут играть важную роль в обеспечении соответствия США требованиям целлюлозной биоэнергетики 2050 года, предусмотренным законом об энергетической независимости и безопасности 2007 года, говорится в исследовании.

ИСТОЧНИК