Модул 1 · Поглавље 6
Алтернативни усеви за производњу биомасе
Значај алтернативне енергије и крмних култура
Биомаса из алтернативне енергије и крмног биља је универзални извор енергије кроз који је могуће произвести топлоту и електричну енергију, као и горива у гасовитом, чврстом и течном стању [23] или произвести вредну сточну биомасу за животиње на фарма [31] . Биомаса, међу које спадају алтернативни усеви за енергију, сматра се обновљивим извором енергије (ОИЕ) и одавно има огроман потенцијал за ублажавање ефеката глобалног загревања [34] .
Од посебног значаја је мултифункционалност биомасе, која укључује производњу хране, енергије и извора хране за животиње, очување биодиверзитета и социјалне услуге у друштву. Такође доноси нове могућности за управљање и истраживање стратегија у шумарству, пољопривреди, агрошумарству и пашњацима за ублажавање глобалног загревања [11] или [28] и позитивно доприносе односу према климатски отпорном систему усева.
Значај алтернативних усева за производњу биомасе може се сумирати у складу са три главна стуба: друштвени, еколошки и економски. У случају социјалних бенефиција, енергетски усеви би могли имати користи од производње домаће обновљиве енергије, што заузврат повећава енергетску сигурност и побољшава трговински биланс. То ће довести до стварања алтернативних извора запошљавања у руралним подручјима. Производња енергетских усева могла би довести до стварања удружења/задруга пољопривредника. Узгајање енергетских усева могло би да унапреди образовање, обуку и услуге помоћи пољопривредницима. Из перспективе економских користи, производња енергетских култура може довести до развоја нових и профитабилних тржишта (биогорива, хемикалије, материјали, храна за људе и животиње, итд.) која би пољопривредницима могла пружити нове изворе прихода и запослења. Инкорпорација енергетских усева може промовисати развој регионалних економских структура и може створити копроизводе веће вредности. Из перспективе система усева отпорних на климу, користи за животну средину су кључне јер производња наменских усева од лигноцелулозне биомасе (у овом случају енергетских усева) има потенцијал да обезбеди низ користи за побољшање квалитета воде, фиторемедијацију и третман отпадних вода и муљеви, смањење емисије угљеника (GHG) и биодиверзитет. Чак се и проблеми деградације земљишта могу смањити када се узгајају вишегодишња зељаста стабла и стабла са кратком ротацијом. Захваљујући имплементацији енергетских култура у систем узгоја, притисак на ограничене природне ресурсе може се смањити. Енергетски усеви могу значајно да промовишу коришћење маргиналног земљишта и могу да подрже дивље животиње, природна станишта и укупни агробиодиверзитет [41] .
Потенцијал алтернативне енергије и крмних култура повезан са сушом
Једна од главних претњи пољопривреди је суша. Суша може значајно утицати на састав и функционисање свих система усева и на њу је потребно адекватно реаговати. Алтернативни енергетски или крмни усеви могу донети одређена решења. Суша се често сматра главном претњом екосистемима у глобалним климатским променама. Стрес воде ограничава приносе биомасе више него сви други биотички и абиотички фактори заједно. Учесталост и обим регионалне сушне сезоне су у сталном порасту. Недавно предвиђени сценарији чешћих сушних периода и топлотних таласа за Европу и медитерански регион су се остварили [40] , као и већина сценарија климатских промена који су предвиђали све екстремније флуктуације падавина, тј. дуже сушне периоде које се смењују са великим укупним количинама падавина [13 ] , односно сценарија који предвиђају повећану потрошњу воде за пољопривреду. Једна од најчешћих реакција корена усева на сушу је повећање дужине корена. Ова реакција је типична за једногодишње биљке, посебно за пољопривредне културе [5] . Шансе биљке да преживи екстремни стрес од суше су веће што дуже може да одложи опасно смањење потенцијала воде протоплазме (способност одлагања исушивања) и што се протоплазма више може осушити без оштећења (способност да толерише исушивање). Такође је важно да толеранција на различиту влажност земљишта (сушу) зависи и од фазе развоја биљке [13] . Нижу потражњу за водом пре треба схватити као способност дате врсте да преживи и у условима са ограниченим залихама влаге, без обзира на количину производње. Код биљака отпорних на сушу налазимо да имају отворене стоме и када недостаје воде. Неке биљке савијају своје листове (нпр. трава) [22] . Један број алтернативних енергетских усева је укључен у системе усева управо због отпорности на сушу или мале потребе за водом [24] или [18] . Мора се направити разлика између земљишне суше, коју карактерише недостатак физиолошки доступне воде у земљишту, и атмосферске суше. Атмосферска је посебно опасна јер наступа у кратком временском периоду, а усеви се обично не могу прилагодити томе. Отпорност биљака на недостатак воде није иста током вегетације. Највише се смањује у такозваним критичним периодима.
Отпорност на сушу
Биљке (углавном пољопривредне културе) се такође могу узгајати за отпорност на сушу. Отпорност на сушу је својство које омогућава биљкама да издрже период суше (недостатак воде у земљишту) или период високих температура и пратеће сувоће ваздуха без значајног погоршања развоја и смањења производње. Врсте које су инхерентно отпорне на сушу или генерално имају ниске захтеве за водом такође се могу одабрати за системе биљне производње. То се управо односи на избор алтернативних енергетских усева погодних за енергетске или крмне сврхе [24] или [18] . Отпорност на сушу и високе температуре и њихове комбинације су повољне за аридне регионе, али немају такву примену у регионима са веома променљивим временским условима, само као део широке прилагодљивости [5] . Отпорност на сушу је сложено својство, јер зависи од низа околности и фактора: количине и јачине кореновог система, односа надземне и подземне масе, морфолошких и анатомских посебности стабљике и листова који могу утицати на управљање водама усева, регенеративни капацитет и брзина развоја итд. Генетика отпорности на сушу је веома сложена због многих фактора који је условљавају или утичу [15] . Отпорност на сушу је комплексна особина, па ју је, за разлику од низа других особина, тешко тестирати само у теренским условима, где делује већи број различитих стресора и отежана је поновљивост резултата у појединим годинама. Толеранција и отпорност на сушу уопште, врсте и сорте појединих усева заснивају се на различитим физиолошким законима [5] . Тестирање отпорности на сушу је методички прилично тешко. Уместо тога, лабораторијске методе се бирају упоређивањем формирања масе (суве материје) у условима суше и у условима наводњавања, у климатским коморама или се користе и индиректне методе. У пољским условима упоређује се производња остварена новим оплемењивањем или сортама у сушним пределима (берби) и на подручјима са нормалним режимом током године.
Алтернативне енергетске културе
Већ постоје одабрани потенцијални усеви за производњу биоенергије за европска подручја животне средине погодни за енергетске сврхе, који ефикасно испуњавају захтеве биоенергетске индустрије. Не поседују сви усеви потребне атрибуте, и стога, одговарајуће биљке и праксе морају бити идентификоване за сваку агроеколошку зону, уз континуирано побољшање како би се смањили трошкови претходног третмана, култивације и конверзије. Међу потенцијалним културама за производњу биоенергије у различитим европским еколошким зонама спадају: кукуруз, семе горушице, конопља, ланено семе, рицинус, детелина или луцерка, шећерна репа, уљана репица, сунцокрет , кромпир, пшеница, остале житарице, сирак, кардона, див трска, трска канаринска трава, мискантус, еукалиптус, топола и врба. Ови усеви се разликују у погледу приноса, агро-еколошког ранга и географске подобности [28] .
Годишњи и вишегодишњи енергетски усеви
Избор најпогоднијих алтернативних енергетских култура је кључан, посебно у смислу стратешке и ефективне замене традиционалних и смањења емисије гасова стаклене баште [39] . Одабрани алтернативни усеви треба да имају висок принос и енергетски потенцијал, уз само минималне утицаје на животну средину [6] . Одлука о сејању годишњег или вишегодишњег усева такође може бити дискутабилна. Укупна енергетска ефикасност (тј. однос уложене енергије и енергетске добити) је већа за вишегодишње засаде него за једногодишње (у зависности од приноса и интензитета гајења) [21] ; [3] . Позитивни утицаји на животну средину углавном потичу од вишегодишњих засада услед покривености земљишта, веће секвестрације CO2 [9] ; [10] и промоција биодиверзитета [8] . Генерално, они имају бољи утицај на животну средину од традиционалних једногодишњих усева и повезани су са већим приносима биомасе, бољом стабилношћу приноса чисте енергије и мањим утицајима на животну средину [12] . Подручје које ће тада бити дефинисано за гајење алтернативне енергије и крмних култура треба да се заснива првенствено на потенцијалима приноса, интензитету производње и врсти технологије која се користи [6] ; [3] . Такође, производња једногодишњих усева може постати еколошки прихватљивија, на пример, када се обрада земљишта у плодореду обавља у минимизираном режиму, а земљиште може да функционише као понор угљеника [36] . Међутим, предност једногодишњих енергетских усева је позната и рутинска технологија производње, флексибилност промене врсте усева и површина, као и могућност примене дела производње по тржишним ценама хране, сточне хране или енергената.
Алтернативни крмни и енергетски усеви са потенцијалом ублажавања климатских промена
Пољопривредна делатност значајно доприноси еколошкој штети, углавном због коришћења земљишта, употребе ђубрива и потрошње енергије. Главни потенцијал за побољшање често укључује повећани принос биомасе и потенцијални добитак енергије, избор нежних пољопривредних пракси и ексклузивно гајење вишегодишњих усева [20] . С друге стране, један од недостатака усева намењених еко-енергији је то што се на обрадивим површинама такмиче са прехрамбеним културама [33] . Ово није исто у случају крмних усева јер они служе као примарни извор биомасе за исхрану животиња. Због тога се препоручује гајење енергетских усева, посебно у маргиналним подручјима [27] , на земљиштима ниске продуктивности или на други начин деградираним [38] . Генерално, постоје главни критеријуми за оцењивање одрживости енергије: коришћење и промена коришћења земљишта, водни отисак енергетских усева, утицај енергетских усева на биодиверзитет [8] , климатске промене, секвестрација C, ублажавање GHG (равнотежа и животни циклус), и одржавање плодности земљишта [28] .
Да би се применили принципи одрживости, неопходно је идентификовати исплативе начине да се избегну, бар делимично, GHG и у пољопривредном сектору. Ако желимо да размишљамо о ублажавању производње гасова стаклене баште у оквиру одабраних процеса гајења, потребно је фокусирати се пре свега на њихове најјаче изворе. То су производња и употреба азотних ђубрива и пољске емисије везане за њихову производњу и примену. Решење може бити смањење дозе ђубрива или укупна промена у систему пољопривреде [36] ; [14] . Уосталом, смањење дозе ђубрива које се користи у пољопривредном сектору дуго се сматрало кључном активношћу у смањењу емисије N2O и NO. Систем управљања у великој мери утиче и на количину GHG из пољопривреде. Конвенционални пољопривредни системи се заснивају на већим уносима ђубрива (органских и минералних), који су кључни фактори за ублажавање емисија N2O и NO из земљишта. N2O се може сматрати главним гасом стаклене баште, а системи еколошког управљања обично производе мање (такође CO2) због генерално нижих инпута [7] . Највећи емисиони ток се може сматрати оним који је везан за производњу и употребу минералних ђубрива и последице њихове примене. У пољопривредном сектору, а посебно у сектору биљне производње, азотна ђубрива представљају релативно сложен проблем. На пример, Боехмел ет ал. [6] наводе да N ђубриво има тенденцију да има 41-64% удела у потрошњи енергије у једногодишњим усевима и 17-45% у трајним засадима . При већим дозама N више нема значајног повећања биомасе [25] . Ефикасност коришћеног ђубрива опада са повећањем доза ђубрења јер биљка не узима велики део ђубрива и уместо тога улази у воду или ваздух [32] у виду такозваних пољских емисија. Једна од општих предности вишегодишњих трава је мања потреба за хранљивим материјама и инпута у облику средстава за хемијску заштиту од једногодишњих усева [29] .
Други начин да се смањи GHG је замена традиционалних усева другом културом која је такође погодна за одабрану намену, односно за сточну или енергетску намену. Односно, могућности ублажавања GHG могу се остварити гајењем мање интензивних вишегодишњих засада [2] ; [26] . То могу бити, на пример, вишегодишње траве, које су такође погодне због својих својстава [3] , високопродуктивне врсте једногодишњих и вишегодишњих усева или њихове мешавине које су већ одабране и посебно имплементиране [37] . Међутим, на пример, кукуруз се њима још не може у потпуности заменити из перспективе производње биомасе [16] ; [3] . Али са становишта ублажавања GHG у гајењу кукуруза, плодореда и инкорпорације међу усева, система за обраду тла без обраде [36] ; [1] , или ефикасно управљање ђубрењем N може донети решење [30] . Ипак, због природе вишегодишњих усева и генерално нижих захтева за ђубрењем, очекује се да ће алтернативни усеви за производњу биомасе имати мањи утицај на животну средину током свог животног циклуса од традиционалних једногодишњих усева који су до сада узгајани [17] .
Потенцијал за побољшање приноса
Могућност побољшања потенцијала приноса је у избору одговарајућих врста усева и генотипова за дате локације које одговарају специфичном типу земљишта и клими. Ако се алтернативни енергетски или крмни усеви желе производити одрживо, праксе узгоја енергетских усева треба да буду оптимизоване, а не максимизиране, пошто су генерално потребни системи са малим уносом који захтевају смањен унос хранљивих материја и агрохемикалија. Традиционалне технике оплемењивања, селекције и хибридизације биљака су углавном споре. На пример, велики део мискантуса који се тренутно узгаја у Европи потиче од стерилних триплоида који се размножавају скупим резницама које могу бити подложне касним мразевима. Стога, будућа истраживања могу бити усмерена на повећање продуктивности смањењем осетљивости на ниске температуре.
С обзиром на досадашње ограничено искуство оплемењивања, вероватно је да се велики напредак у приносу биоенергетских усева, на пример, путем генетски и генетски немодификованих усева, може очекивати у наредних неколико деценија. И квантитет (количина приноса биомасе) и квалитет (на пример, структура биљке или хемијска природа улазне сировине) идентификовани су као циљеви будућег оплемењивања, док ће главни задатак бити подршка отпорности биљака на климатске флуктуације, подршка система усева отпорних на климу, респективно. Иако генетски модификоване врсте енергетских усева могу бити прихватљивије за јавност од генетски модификованих усева за храну или сточну храну, и даље постоји забринутост у вези са потенцијалним утицајима таквих биљака на животну средину, укључујући ток гена од неаутохтоних биљака до сродника домаћих биљака. Као резултат тога, генетски немодификоване биотехнологије (тј. избор биљних врста отпорних на сушу или мраз) могу остати посебно атрактивне [35] .
Перспектива
Уопштено говорећи, агрономска истраживања, развој и управљање усевима алтернативне енергије далеко заостају за утврђеним годишњим усевима за исхрану. Разлог је углавном тај што се у прошлости улога пољопривреде у производњи енергије није сматрала стратешким питањем. Ова ситуација се недавно променила због повећане бриге за животну средину и повећане цене фосилних горива. Очекује се да ће производња енергетских култура бити од користи за развој нових тржишта, подржати регионалне економске структуре, обезбедити алтернативне изворе запошљавања у руралним областима, промовисати коришћење маргиналног земљишта, довести до смањења нивоа CO2 и смањити зависност од централизованих ресурса. .Стога, дугорочно, успешна имплементација система енергетских усева треба да тежи да обезбеди стварање прихода, одрживост животне средине, енергетску сигурност, флексибилност и репликацију [41] .
Референце
Antille, D. L., Chamen, W. C., Tullberg, J. N., & Lal, R. (2015). The potential of controlled traffic farming to mitigate greenhouse gas emissions and enhance carbon sequestration in arable land: a critical review. Transactions of the ASABE, 58(3), 707-731.
Bellarby, J., Foereid, B., Hastings, A., Smith, P. (2009). Cool farming: Climate Impacts of Agriculture and Mitigation Potential (Eds J. Bellarby, B. Foereid, A. Hastings, P. Smith). Scotland, Aberdeen, 44 p.
Bernas, J., Bernasová, T., Gerstberger, P., Moudrý, J., Konvalina, P., Moudrý, Jr., J. (2021). Cup plant, an alternative to conventional silage from a LCA perspective. The International Journal of Life Cycle Assessment, 26(2), 311-326.
Bernas, J., Moudrý Jr, J., Kopecký, M., Konvalina, P., Štěrba, Z. (2019). Szarvasi-1 and Its Potential to Become a Substitute for Maize Which Is Grown for the Purposes of Biogas Plants in the Czech Republic. Agronomy, 9(2), 98.
Bláha, L. Hodnocení vybraných vlastností semen trav a jejich význam pro hodnocení suchovzdornosti. In Osivo a sadba. PAZDERŮ, K. Vydání 1. Praha: Česká zemědělská univerzita v Praze - Katedra rostlinné výroby, 2009. s. 143-149
Boehmel, C., Lewandowski, I., & Claupein, W. (2008). Comparing annual and perennial energy cropping systems with different management intensities. Agricultural systems, 96(1-3), 224-236.
Bos, J. F., de Haan, J., Sukkel, W., & Schils, R. L. (2014). Energy use and greenhouse gas emissions in organic and conventional farming systems in the Netherlands. NJAS-Wageningen Journal of Life Sciences, 68, 61-70.
Chmelíková, L., & Wolfrum, S. (2019). Mitigating the biodiversity footprint of energy crops–A case study on arthropod diversity. Biomass and Bioenergy, 125, 180-187.
Clifton‐Brown, J. C., Stampfl, P. F., & Jones, M. B. (2004). Miscanthus biomass production for energy in Europe and its potential contribution to decreasing fossil fuel carbon emissions. Global change biology, 10(4), 509-518.
Deckmyn, G., Muys, B., Garcia Quijano, J., & Ceulemans, R. (2004). Carbon sequestration following afforestation of agricultural soils: comparing oak/beech forest to short‐rotation poplar coppice combining a process and a carbon accounting model. Global Change Biology, 10(9), 1482-1491.
Dhillon, R. S., & von Wuehlisch, G. (2013). Mitigation of global warming through renewable biomass. Biomass and bioenergy, 48, 75-89.
Ericsson, K., Rosenqvist, H., & Nilsson, L. J. (2009). Energy crop production costs in the EU. Biomass and bioenergy, 33(11), 1577-1586.
Fay, P. A.; Schultz, M. J. Germination, survival, and growth of grass and forb seedlings: Effects of soil moisture variability. Acta Oecologica. 2009, 35, p. 679-684
Gattinger, A., Muller, A., Haeni, M., Skinner, C., Fliessbach, A., Buchmann, N., Mäder, P., Stolze, M., Smith, P., El-Hage Scialabba, N., Niggli, U. (2012). Enhanced top soil carbon stocks under organic farming. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(44), 18226-18231.
Graman, J.; Čurn, V. Šlechtění rostlin (obecná část). České Budějovice: ZF JU 1998, 133 s.
Grieder, C., Dhillon, B. S., Schipprack, W., & Melchinger, A. E. (2012). Breeding maize as biogas substrate in Central Europe: I. Quantitative-genetic parameters for testcross performance. Theoretical and Applied Genetics, 124(6), 971- 980.
Hijazi, O., Munro, S., Zerhusen, B., & Effenberger, M. (2016). Review of life cycle assessment for biogas production in Europe. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 54, 1291-1300.
Islam, M. A., & Obour, A. K. (2021). Drought physiology of forage crops. In Handbook of plant and crop physiology (pp. 567-578). CRC Press.
Jasinskas, A., Zaltauskas, A., & Kryzeviciene, A. (2008). The investigation of growing and using of tall perennial grasses as energy crops. Biomass and Bioenergy, 32(11), 981-987.
Jury, C., Benetto, E., Koster, D., Schmitt, B., & Welfring, J. (2010). Life Cycle Assessment of biogas production by monofermentation of energy crops and injection into the natural gas grid. Biomass and Bioenergy, 34(1), 54-66.
Kára, J. (2006). Moderní zemědělské bioplynové stanice. Agromagazín. 7 (11), 62–65.
Kincl, M.; Krpeš, V. Základy fyziologie rostlin. Ostrava: Ostravská univerzita, 2006. 220 s
Knápek, J., Haas, R., Jílková, J. (2010). Energy for sustainable development II: CZ-AT EEG 2010 : research papers of Czech-Austrian Energy Expert Group. Praha: Alfa Nakladatelství, 2010. ISBN 9788087197363.
Koçar, G., & Civaş, N. (2013). An overview of biofuels from energy crops: Current status and future prospects. Renewable and sustainable energy reviews, 28, 900-916.
Koppensteiner, L. J., Kaul, H. P., Piepho, H. P., Barta, N., Euteneuer, P., Bernas, J., ... & Neugschwandtner, R. W. (2022). Yield and yield components of facultative wheat are affected by sowing time, nitrogen fertilization, and environment. European Journal of Agronomy, 140, 126591.
Lehtomäki, A., Viinikainen, T. A., & Rintala, J. A. (2008). Screening boreal energy crops and crop residues for methane biofuel production. Biomass and bioenergy, 32(6), 541-550.
Lewandowski, I., Weger, J., Van Hooijdonk, A., Havlickova, K., Van Dam, J., & Faaij, A. (2006). The potential biomass for energy production in the Czech Republic. Biomass and Bioenergy, 30(5), 405-421.
Lopez-Bellido, L., Wery, J., & Lopez-Bellido, R. J. (2014). Energy crops: prospects in the context of sustainable agriculture. European journal of agronomy, 60, 1-12.
Massé, D., Gilbert, Y., Savoie, P., Bélanger, G., Parent, G., & Babineau, D. (2010). Methane yield from switchgrass harvested at different stages of development in Eastern Canada. Bioresource technology, 101(24), 9536-9541.
Millar, N., Robertson, G. P., Grace, P. R., Gehl, R. J., & Hoben, J. P. (2010). Nitrogen fertilizer management for nitrous oxide (N2O) mitigation in intensive corn (Maize) production: an emissions reduction protocol for US Midwest agriculture. Mitigation and adaptation strategies for global change, 15(2), 185-204.
Moore, J. E. (1980). Forage crops. Crop quality, storage, and utilization, 61-91.
Niggli, U., Fließbach, A., Hepperly, P., & Scialabba, N. (2009). Low greenhouse gas agriculture: mitigation and adaptation potential of sustainable farming systems. Ökologie & Landbau, 141, 32-33.
Ochodek, T., Koloničný, J., & Janásek, P. (2006). Potenciál biomasy, druhy, bilance a vlastnosti paliv z biomasy. ISBN, 80, 248-1207.
Scheer, H. (2005). Energy Autonomy: The Economic, Social and Technological Case for Renewable Energy (1st ed.). Routledge. https://doi.org/10.4324/9781849771122S.
Sims, R. E., Hastings, A., Schlamadinger, B., Taylor, G., & Smith, P. (2006). Energy crops: current status and future prospects. Global change biology, 12(11), 2054-2076.
Smith, P., Martino, D., Cai, Z., Gwary, D., Janzen, H., Kumar, P., Scholes, B. (2008). Greenhouse gas mitigation in agriculture. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences, 363(1492), 789-813.
Středa, T. a Z. Strašil. Pěstování rostlin pro nepotravinářské účely speciální část. Brno: Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta, 2014. ISBN 978-80-7509-005-8.
Vassilev, S. V., Baxter, D., Andersen, L. K., Vassileva, C. G., & Morgan, T. J. (2012). An overview of the organic and inorganic phase composition of biomass. Fuel, 94, 1-33.
Vaughan, N. E., Gough, C., Mander, S., Littleton, E. W., Welfle, A., Gernaat, D. E., & Van Vuuren, D. P. (2018). Evaluating the use of biomass energy with carbon capture and storage in low emission scenarios. Environmental Research Letters, 13(4), 044014.
Walter, J., et al. Do plants remember drought? Hints towards a drought-memory in grasses. Environmental and Experimental Botany. 2011, 71, p. 34-40.
Zegada‐Lizarazu, W., Elbersen, H. W., Cosentino, S. L., Zatta, A., Alexopoulou, E., & Monti, A. (2010). Agronomic aspects of future energy crops in Europe. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 4(6), 674-691.