Міскантус, як альтернативне джерело енергії — наше енергетичне майбутнє

Міскантус гігантський як джерело енергії

Кожного року земна поверхня поглинає 5,2–1023 джоулів сонячної енергії. Всі створені людиною енергосистеми світу виробляють жалюгідну частину цієї енергії. Першість із засвоєння і накопичення енергії Сонця по праву належить рослинам. У біомасі суші рослини становлять 2400 млрд т, тоді як загальна маса всіх тварин і мікроорганізмів — 23 млрд т. Далі нас більше цікавитиме використання рослин як палива для отримання теплової та електричної енергії.

Нині ідеальною культурою для цього є міскантус гігантський (Miscantus giganteus). Рослина з її чотириметровим стеблом і волосистим пухнастим суцвіттям без насіння є доброю енергетичною сировиною, оскільки містить велику кількість целюлози — 64–71%. Вуглекислий газ, що звільняється під час спалювання біомаси, не перевищує кількості, раніше абсорбованої рослинами під час фотосинтезу, і тому не створюватиме парникового ефекту (утворюється замкнений цикл). Біомаса в енергетиці може бути використана безпосередньо спалюванням.

З огляду на високий вміст целюлози і лігніну міскантус є також цінною сировиною для виробництва будівельних матеріалів, його використовують у целюлозно-паперовій промисловості та в сільському господарстві. Крім того, міскантус має позитивний енергетичний баланс порівняно з іншими культурами (верба, коноплі), позитивний баланс і щодо гумусу, оскільки після чотирьох років вирощування він  накопичує 15–20 т підземної біомаси, яка еквівалентна 7,2–9,2 т/га вуглецю. Водночас на вирощування міскантусу потрібні значно менші затрати праці, ніж на виробництво кукурудзи або сої. Тривалість використання плантації — близько 20 років, а комерційного вирощування — 15 років. Біомасу можна збирати щорічно.

Експерименти на виживання міскантуса гігантського

Кліматичні умови територій походження міскантусу гігантського пристосували його до умов високої температури й інтенсивності сонячного випромінювання. Ріст рослин з механізмом фотосинтезу С4 обмежений низькими температурами, але міскантус — одна з небагатьох подібних рослин, яка здатна зростати в умовах клімату Центральної та Східної Європи і досягати високих урожаїв біомаси. В умовах нашого клімату міскантус розпочинає ріст у квітні, коли температура грунту досягає 10...12°С, а закінчує з настанням приморозків у листопаді.

Найвища уразливість рослин виявляється під час першої після висаджування перезимівлі. Це пояснюється наявністю в Україні холодних зим без снігового покриву. Помічено зростання пристосованості рослин до низьких температур під час зими, якщо відразу після висаджування температура опускалась нижче 0°С. Одразу після мульчування соломою зернових або соломою міскантусу зростає рівень перезимівлі рослин із 79 до 92%. Весняні приморозки теж призводять до втрат насаджень, але, завдяки високій регенераційній здатності рослин, вони значно менші. Після другого року вирощування рослини адаптуються і витримують температури нижче -20°С (навіть без снігового покриву).

Під час вегетації міскантус гігантеус потребує близько 700 мм опадів. Його потреба у воді набагато вища, ніж наявні обсяги середньорічних опадів в Україні. Такі великі потреби води, попри незначне вживання її на продукування 1 кг сухої маси (близько 250 л), спричинені великим урожаєм біомаси з одиниці поверхні. Однак зрошення плантації дає позитивні результати.

Розмноження міскантуса гігантського

Спосіб розмноження теж впливає на стан перезимівлі рослин першого року вирощування. Міскантус не утворює насіння, бо є триплоїдом і має стерильний пилок, тому його розмножують вегетативно. Рослини, розмножені поділом кореневищ, зимували краще, аніж розмножені з культур in vitro. Серед них краще перезимовували рослини великі (які мали понад п’ять бруньок ), ніж малі (менше п’яти бруньок).

Вимоги міскантусу до якості грунту не надто високі. Завдяки розгалуженій кореневій системі, рослину можна  вирощувати  на середньозв’язаних грунтах, в основі яких переважають піски, та з низьким рівнем грунтових вод. Грунти з відрегульованим водним режимом і більшим вмістом гумусу дають урожаї на 20–30% більші. Плантація може бути закладена на грунтах, які не придатні для інших сільськогосподарських культур. Грунти не повинні бути кислими, рН 6,5, особливо впродовж перших двох років вирощування, з рівнем грунтових вод нижче 1 м.

Восени потрібна поглиблена оранка, під яку застосовують велику дозу органічних добрив. У разі низького рН грунту (нижче 5,5) слід провести вапнування. Навесні, перед висаджуванням, треба провести боротьбу з бур’янами (з огляду на пізній термін садіння) механічним або хімічним методом. Перед висаджуванням грунт потрібно розпушити на кілька сантиметрів.

Механізація процесу значно знижує витрати на вирощування. Саджанці, які одержали з допомогою мікророзмноження, можна садити, використовуючи садильник для розсади. Саджанці, отримані від поділу кореневища, — використовуючи картоплесадильник. Саджанці від кореневищ потрібно приорювати на    глибину 15–20 см. Після висаджування треба застосувати коткування гладким валом і в разі потреби — зрошення. Найкращі результати мали після висаджування кореневищ масою 0,1–0,2 кг/м2 і завдовжки близько 10 см. Кращий ріст рослин зафіксовано, коли їх висаджували на глибину 2 і 6 см, а не 10. Невеликі кореневища (менше 10 см), посаджені дуже глибоко, не завжди можуть подолати відстань, потрібну для випускання нових стебел на поверхню грунту.

Зважаючи на швидкий ріст і утворення рослиною великих купин, більшість дослідників схиляються до доцільності висаджування однієї рослини на 1 м2 або 10 тис. рослин на гектар (в інших дослідах добрі результати      одержали за густоти  4 рослини на 1 м2). Пропонована густота відповідає відстані між рядами (1 м) і відстані між рослинами в рядах (0,5 м).

Термін висаджування порівняно пізній (через можливість ушкодження рослин пізніми приморозками) і припадає на першу половину травня — кінець квітня або середину травня.

Удобрення міскантусу гігантського

Невибагливий міскантус гігантеус і щодо удобрення. З урожаєм 20 т сухої маси на 1 га він виносить близько 60 кг N, 16 кг P2O5, 80 кг K2O за невисокого рівня удобрення. Азот (до 90 кг/га) позитивно впливає на продукування біомаси. Коли застосовували більші дози, продуктивність не росла, а навіть зменшувалася. Загальні потреби в поживних речовинах такі: азот (N), фосфор (Р), кальцій (Са), — відповідно: 2–5; 0,3–1,1; 0,8–1,0 кг/т сухої маси. Пропоновані дози добрив і терміни їхнього застосування такі:

• q азот, N  — 600–90 кг/га навесні після появи сходів;
• q фосфор, P2O5  — 30–40 кг /га;
• q калій, K2O — 120–150 кг/га;
• q магній, МgO — 20–25 кг/га рано навесні або восени.

Оскільки рослина багаторічна, можна використовувати органічні добрива. Максимальна доза — 30 т/га, що відповідає 180 кг азоту,  75 — фосфору, 150 — калію і 30 кг магнію. Ця доза практично може замінити мінеральні добрива.

У перший та другий роки вирощування боротися з бур’янами треба механічним способом, використовуючи традиційні машини для міжрядного обробітку або, в разі сильного забур’янення, — хімічним способом. Середня вартість річної боротьби з бур’янами на площі 1 га — 10 фунтів (90–95 грн), що вдесятеро нижче за вартість боротьби з бур’янами на плантаціях верби та тополі. В подальші роки, завдяки інтенсивному росту рослин, а отже, й сильному затіненню грунту, боротися з бур’янами не доводиться. В європейських умовах міскантус демонструє підвищену стійкість проти хвороб і шкідників, тому не потрібно проводити заходів з хімічної охорони площ, що зменшує затрати й запобігає забрудненню середовища. Немає даних про хвороби, які б значно зменшували продуктивність рослин. Утім, не виключено, що з розповсюдженням рослини певні хвороби й шкідники все ж можуть завдати їй шкоди.

“Енергетичні” плантації міскантуса гігантського на радіоактивних землях

У затвердженій Верховною Радою України в 1996 р. Національній енергетичній програмі України на період до 2010 р. передбачено покриття 10% потреб народного господарства в енергії за рахунок нетрадиційних відновлюваних та інших джерел енергії. У 2000 р. актуальність цього пункту Програми було підтверджено в Рекомендаціях парламентських слухань щодо енергетичної політики України. Якщо орієнтуватися на досвід країн ЄС (де частка біомаси — 60% усіх відновлюваних джерел енергії), біомаса може покривати близько 6% потреб народного господарства країни в енергії. Для України з її великим потенціалом сільськогосподарських земель дуже перспективною є організація спеціальних енергетичних плантацій швидкого обороту (верба, тополя, міскантус тощо). Залучення біомаси, спеціально вирощеної на землях, які нині не використовують (землі, що піддалися радіоактивному забрудненню до 15 Кі/км2 по 137Cs — 555 кБк/м2) або використовують в Україні неефективно, посприяє підвищенню частки біомаси в енергетичному балансі країни до 20–25%.

Виходячи з викладеного вище, ми пропонуємо спільний проект із вирощування міскантусу гігантеусу в умовах Полісся України на землях, що піддалися радіоактивному забрудненню. Адже в зоні радіоактивного забруднення обмежено вирощування продовольчих культур, а відтак є можливість замінити їх культурами енергетичними. Наші дослідження засвідчили, що рослини міскантусу накопичують незначну кількість цезію-137. Розрахунки коефіцієнтів переходу цезію-137 із грунту в рослини міскантусу показали, що його значення перебувають у межах 0,22–0,10 (Бк/кг/кБк/м2), що близько до значень коефіцієнтів переходу цезію-137 у зернові культури (озима пшениця, жито, ячмінь).

Подальші наші дослідження маємо намір спрямувати на вивчення особливостей накопичення радіонуклідів міскантусом, фізіологічних процесів у рослині в умовах високого й низького рівня забруднення грунту радіонуклідами, визначення оптимальних агроекологічних умов вирощування міскантусу для мінімізації коефіцієнта переходу радіонуклідів з грунту в рослину способом застосування стимуляторів росту, а також визначення енергетичної та економічної ефективності вирощування міскантусу на дерново-підзолистих грунтах Полісся України.

Найбільшого використання рослинної біомаси слід чекати там, де є найдешевша робоча сила й немає видобувних видів палива. На жаль (або на щастя), Україна і є однією з таких країн, тому в нас є можливість стати країною “зеленої” енергетики — всебічного й повного використання  біомаси.  Розвиток   біоенергетичних технологій зменшить залежність України від імпортованих енергоносіїв, підвищить її енергетичну безпеку завдяки організації енергопостачання на базі місцевих відновлюваних ресурсів, створить значну кількість нових робочих місць (переважно в сільських районах), зробить великий вклад у поліпшення екологічної ситуації.

В. Зінченко,
канд. с.-г. наук, професор,
Житомирський державний агроекологічний університет
В. Кусайло,
канд. с.-г. наук, доцент
О. Зінченко,
радіоеколог