Прерийная трава показала преимущества для устойчивого авиационного топлива

Новые исследования Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне выявили экономические и экологические преимущества, которые делают просо прутьевидное (switchgrass) кандидатом для производства устойчивого авиационного топлива (SAF).

Цель инициативы Sustainable Aviation Fuel Grand Challenge, запущенной в 2021 году, — увеличить производство SAF до 35 миллиардов галлонов к 2050 году, сократив при этом выбросы парниковых газов вдвое. Просо прутьевидное, прогнозируемый ежегодный вклад которого оценивается в 230 миллионов сухих тонн, — одна из нескольких специально выращиваемых биоэнергетических культур, способных помочь в решении этой задачи. Этот многолетний вид не только производит большое количество биомассы, но и может ежегодно убираться в течение десяти и более лет без повторной посадки, требует меньше азотных удобрений по сравнению с кукурузой и выполняет важные экосистемные функции.

В двух новых исследованиях ученые выращивали современные «энергетические» сорта проса в полевых масштабах на Среднем Западе, чтобы определить, какие сорта наиболее прибыльны и как они сравниваются с кукурузой по экосистемным услугам.

Экономическая выгода новых сортов

Исследователи посадили три новых энергетических сорта — Independence, Liberty и Carthage — вместе с двумя кормовыми сортами — Shawnee и Sunburst — на малопродуктивных маргинальных землях в четырех штатах: Иллинойс, Айова, Небраска и Южная Дакота. Они также протестировали две нормы азотных удобрений: 28 и 56 кг на гектар (для сравнения, кукуруза обычно получает около 200 кг).

После пяти лет роста экономический анализ показал:

• Сорта Independence и Liberty были значительно прибыльнее кормовых сортов на всех участках.
• Наиболее прибыльная норма азота варьировалась в зависимости от местоположения. В большинстве случаев 56 кг/га давали более высокий урожай, но на некоторых участках 28 кг/га были выгоднее.
• Энергетические сорта показали разную результативность в зависимости от зоны зимостойкости США. Например, Independence был наиболее прибыльным в зоне 6a, Liberty — в зоне 5b, а Carthage — в зоне 4b.

«С этими энергетическими сортами фермеры могут использовать маргинальные земли и получать отдачу уже через два года», — отметил ведущий автор исследования Мухаммад Умер Аршад.

Экосистемные преимущества по сравнению с кукурузой

В сопутствующем исследовании на полевых участках в Иллинойсе ученые в течение трех лет оценивали выбросы парниковых газов из почвы (CO₂ и N₂O) и вымывание нитратов у сорта Independence, сравнивая эти показатели с полями, засеянными непрерывной кукурузой.

Результаты показали:

• Выбросы закиси азота (N₂O) и вымывание нитратов были значительно ниже у проса прутьевидного по сравнению с кукурузой. К третьему году вымывание нитратов сократилось на 80%. Это объясняется меньшим количеством азотных удобрений: 56 кг/га для проса против 202 кг/га для кукурузы.
• Выбросы углекислого газа (CO₂) после второго года были более чем на 50% выше у проса. Исследователи связывают это с большей подземной биомассой корней (примерно в 5 раз больше, чем у кукурузы), что приводит к усиленному корневому дыханию — естественному процессу с выделением CO₂.
• Несмотря на более высокие выбросы CO₂, большая корневая биомасса проса означает больший потенциал долгосрочного связывания углерода в почве (около 10 мегаграмм углерода под землей).

«Одним из многих преимуществ выращивания энергетических культур на маргинальных землях являются экосистемные услуги, связанные с многолетним характером этих культур», — сказал ведущий автор этого исследования Никтор Намой.

Ключевые выводы и перспективы

• Просо прутьевидное может быть прибыльной культурой для малопродуктивных земель, не конкурируя с продовольственными культурами.
• Оно обеспечивает значительные экологические преимущества, такие как сокращение выбросов N₂O и вымывания нитратов, а также потенциал для секвестрации углерода.
• Исследование обеспечивает основу для внедрения продуктивных сортов в систему производства SAF, когда экономика и технологии будут готовы к переходу.

Публикации:

1. «Сравнительный экономический анализ биоэнергетических и кормовых типов проса прутьевидного для устойчивого производства биотоплива» опубликована в GCB Bioenergy.
2. «Полевая оценка преимуществ экосистемных услуг биоэнергетического проса прутьевидного» опубликована в Journal of Environmental Quality.