В соответствии с предложенным в 2019 году Европейским зеленым соглашением, предусматривающим достижение климатической нейтральности к 2050 году, Германия взяла на себя обязательство постепенно отказаться от угля в своем энергетическом балансе после 2030 года.
Достижение этой цели потребует перехода преимущественно к биоэнергетическим культурам с увеличенным производством биомассы в качестве возобновляемых источников энергии.
В настоящее время кукуруза (Zea mays L.) является наиболее экономически важной энергетической культурой в Германии и представляет собой наибольшую долю сельскохозяйственных материалов, преобразуемых в электроэнергию.
В оптимальных условиях кукуруза может эффективно поглощать азот (N) из почвы, минимизируя потери N в окружающую среду. Однако из-за позднего посева, медленного развития биомассы и, как правило, отсутствия последующего урожая после сбора урожая почва остается непокрытой в течение длительного периода года. Открытая почва приводит к более высокому риску вымывания питательных веществ. Этот потенциал вымывания, особенно для нитратов, низок в течение вегетационного периода при достаточном удобрении, но увеличивается при избытке N.
Кроме того, более частые экстремальные погодные явления, такие как волны тепла и засухи, были связаны со снижением урожайности кукурузы на силос. Следовательно, поиск более устойчивых биоэнергетических культур с сопоставимым производством биомассы расширился, принимая во внимание как экономические, так и экологические выгоды.
Сильфия пронзеннолистная (Silphium perfoliatum L.) из семейства астровых (Asteraceae) была предложена коллективом немецких исследователей в качестве перспективной альтернативы кукурузе для производства биоэнергии.
Это многолетняя культура C3 родом из Северной Америки, которая естественным образом произрастает в районах с высокой влажностью воздуха и почвенной влаги. В год посева сильфия образует розетку и может быть собрана с прибылью только на следующий год в течение 10–15 лет. Высота роста, а следовательно, и урожайность, варьируется от 1,8 до 3 м в зависимости от плотности посева, удобрения, типа почвы, наличия воды, времени сбора урожая и климата.
В условиях высокого водоснабжения урожайность биомассы сопоставима с урожайностью кукурузы. Напротив, в засушливых условиях предполагается, что урожайность сильфии (культура C3) будет ниже по сравнению с кукурузой (культура C4) из-за различных путей фотосинтеза, что приводит к более низкой эффективности использования воды у сильфии.
Как вид с глубокой корневой системой, сильфия может справиться с умеренным стрессом засухи, но, вероятно, пострадает от потери урожайности при интенсивной и/или продолжительной засухе. Длительный стресс от жары и засухи в течение последовательных лет обусловлен изменением климата и является возможным климатическим сценарием на ближайшее будущее.
Умеренный стресс от засухи является наиболее распространённой формой засухи, приводящей к снижению темпов роста, а не к полной гибели урожая. Однако адаптация к умеренной засухе остаётся недостаточно изученной на механистическом уровне, и реакции растений могут отличаться от реакций растений в условиях экстремальной засухи.
Следует отметить, что обширная корневая система сильфии снижает содержание растворенного в почве азота по сравнению с кукурузой. Ее многолетняя природа сводит к минимуму нарушение почвы, устраняя необходимость ежегодной обработки почвы в полевых условиях. Со временем это увеличивает содержание органического вещества в почве и изменяет выбросы парниковых газов (например, CO2 и N2O ).
Кроме того, корневая система сильфии частично обновляется каждый год, что также способствует увеличению гумуса с течением времен и это положительно коррелирует с микробной биомассой.
Исследователи из Байройтского университета, Германия, поставили лизиметрический эксперимент для оценки динамики N между растением, почвой и вымыванием для кукурузы и сильфии в условиях умеренной засухи и хорошего полива в течение 4 лет.
После первого года роста сильфия имела более высокую биомассу побегов и корней, чем кукуруза, независимо от условий полива (например, в 2021 году средняя биомасса побегов кукурузы составила 266 г на метр по сравнению с 2696 г на метр для сильфии).
Примечательно, что умеренная засуха не повлияла на биомассу побегов ни одной из культур (за исключением 2021 и 2022 годов для сильфии). Более высокий объем производства биомассы сильфии был связан с более высокой концентрацией азота в тканях побегов по сравнению с кукурузой, вероятно, из-за более эффективного использования ею азота из почвы. Этот результат дополнительно подтверждается более низкой концентрацией растворенного азота в почве и снижением вымывания нитратов на 88% в 2021 году и до 99% в 2022 году под сильфией.
Более высокое содержание азота в микробной биомассе под сильфией предполагает более высокую иммобилизацию азота микроорганизмами. Это также подтверждается более высоким дисбалансом микробов C/N под сильфией по сравнению с кукурузой в 2022 году, что указывает на более сильное ограничение азота по отношению к углероду.
Таким образом, результаты показали, что сильфия может обеспечивать высокую биомассу побегов и корней и значительно сниженное вымывание нитратов, что указывает на ее потенциал в качестве альтернативы кукурузе и, следовательно, в качестве биоэнергетической культуры для обеспечения экологической устойчивости в условиях изменяющегося климата.
Вклад авторов
Анна Хольвег: концептуализация, курирование данных, методология, написание – первоначальный черновик, написание – рецензирование и редактирование. Йоханна Пауш: концептуализация, привлечение финансирования, администрирование проекта, написание – рецензирование и редактирование. Финн Заевски: полевые исследования, курирование данных, методология. Марианна Лауэрер: методология, написание – рецензирование и редактирование. Хатаб Абдалла: концептуализация, управление проектом, курирование данных, методология, написание – первоначальный черновик, написание – рецензирование и редактирование.
Работа выполнена при поддержке Министерства окружающей среды Баварии и Департамента водного хозяйства правительства Верхней Франконии в рамках проекта «Demonstrationsprojekt Silphie-Anbau im Projektgebiet Nördliche Frankenalb».
Коллектив исследователей выражает благодарность Министерству окружающей среды Баварии и Департаменту водного хозяйства правительства Верхней Франконии за финансовую поддержку проекта «Demonstrationsprojekt Silphie-Anbau im Projektgebiet Nördliche Frankenalb». Ученые также благодарят д-ра Штефана Хольцхеу (BayCEER — IT) за его ценную помощь в разработке программного обеспечения, сборе данных с датчиков и обслуживании оборудования. Особая благодарность техническому персоналу группы «Агроэкология» (Ильзе Тауфельдер и Ангелике Мергнер), а также Гвидо Арнету и его команде из Экологического ботанического сада Байройтского университета за их самоотверженную поддержку на протяжении всего проекта. Финансирование в рамках открытого доступа было организовано и обеспечено Projekt DEAL.
Источник: GCB Bioenergy, doi.org/10.1111/gcbb.70074 Автор фото: Мари Энде.
