ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2007 z. 517: 91-99

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2007 z. 517: GROMADZENIE I OCENA ZASOBÓW GENOWYCH ROŚLIN DO UPRAWY NA CELE ENERGETYCZNE W OGRODZIE BOTANICZNYM INSTYTUTU HODOWLI I AKLIMATYZACJI ROŚLIN W BYDGOSZCZY Włodzimierz Majtkowski, Gabriela Majtkowska Ogród Botaniczny, Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin w Bydgoszczy Wstęp Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej, przyjęta przez Sejm RP r. zakłada, Ŝe udział energii ze źródeł odnawialnych w bilansie paliwowo-energetycznym Polski w 2010 roku ma wynieść 7,5% oraz 14% w 2020 r. Obowiązek zakupu energii z odnawialnych źródeł w Polsce nałoŝyło Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z 30 maja 2003 r. (Dz. U. Nr 104 z r.). Ocenia się, Ŝe w Polsce przy rocznym zuŝyciu do celów energetycznych wynoszącym ok. 100 milionów ton węgla, zapotrzebowanie na biomasę w energetyce wzrośnie do 11,2 mln ton w 2010 r. Obecnie rozwój agroenergetyki w Polsce oparty jest na promocji wierzby, która w latach została objęta dopłatami do uprawy roślin energetycznych. Powstające w Polsce wieloletnie plantacje wierzby energetycznej moŝna porównać do długotrwałej monokultury tradycyjnych roślin rolniczych. NiezaleŜnie od gatunku, stwarza to niebezpieczeństwo nagromadzenia agrofagów, powodujących zwiększenie uszkodzeń przez choroby i szkodniki. JuŜ obecnie obserwowane są liczne przykłady patogenów zagra- Ŝających wierzbie [TOMCZYK a, b, 2005, 2006]. Uprawa roślin energetycznych powinna więc obejmować jak najwięcej gatunków, dostosowanych do zróŝnicowanych warunków glebowo-klimatycznych. W 1994 roku w Ogrodzie Botanicznym IHAR w Bydgoszczy rozpoczęto gromadzenie i ocenę zasobów genowych roślin, przydatnych do uprawy na cele energetyczne w Polsce, które mogą stać się alternatywą dla wierzby. Celem pracy było przedstawienie wstępnych wyników waloryzacji zgromadzonych w kolekcji gatunków roślin. Prowadzone badania mogą być podstawą do określenia moŝliwości uprawy nowych gatunków na cele energetyczne, w warunkach klimatycznych Polski. Materiał i metody Materiał roślinny (nasiona, sadzonki) do kolekcji roślin energetycznych po-

2 92 W. Majtkowski, G. Majtkowska zyskiwano w kraju i za granicą (tab. 1). Rośliny wysadzano na terenie Ogrodu Botanicznego IHAR w Bydgoszczy, na glebie płowej właściwej, wytworzonej z gliny zwałowej, zaliczanej do IV klasy bonitacyjnej. Analizę składu chemicznego próbek glebowych przeprowadzono w Laboratorium Chemicznym Pracowni Agroekologii IHAR w Bydgoszczy (tab. 2). Zastosowano metodę uniwersalną wg Spurwaya w modyfikacji Nowosielskiego, w wyciągu 0,03 mol CH 3 COOH dm -3 [NOWOSIELSKI i in. 1977]. W pobranym materiale glebowym zostało oznaczone: - ph i zasolenie, w H 2 O destylowanej, - N-NO 3 - za pomocą elektrody jono-selektywnej, - P - metodą kolorymetryczną (Spekol 11 Carl Zeiss Jena), - Ca, Mg, K, Na - metodą absorpcji atomowej (spektrofotometr absorpcji atomowej PU 9100X Philips). Wykaz obiektów roślin energetycznych zgromadzonych w Ogrodzie Botanicznym IHAR w Bydgoszczy Tabela 1; Table 1 List of materials in energy plant collection of Botanical Garden of PBAI in Bydgoszcz Gatunek Species Andropogon gerardi VITM. Elymus elongatus RUN. Miscanthus giganteus GREEF & DEUTER Miscanthus sacchariflorus (MAXIM.) HACK. Miscanthus sinensis Status obiektu Kind of material Pochodzenie Origin Rok włączenia do kolekcji Year of receiped Bison Bonilla Champ Kaw Pawnee Roundtree ekotyp; ecotype ekotyp; ecotype Plant Material Center, Bismarck/USA Plant Material Center, Bismarck/USA National Seed Stor. Lab., Fort Collins/USA National Seed Stor. Lab., Fort Collins/USA National Seed Stor. Lab., Fort Collins/USA BG Chicago, Morton Arboretum/USA BG. Chicago/USA BG Jena/DEU 2005 ekotyp; ecotype BG Saarbrucken/DEU forma; form forma; form VITROPLANT, Klein Wanzleben/DEU Instytut Włókien Naturalnych, Poznań/POL ekotyp; ecotype brak danych; not tested Przed 1977 forma; form Instytut Genetyki Roślin PAN, Poznań/POL 2000

3 GROMADZENIE I OCENA ZASOBÓW GENOWYCH (THUNB.) ANDERSSON Panicum virgatum L. Blackwell Cave-in-Rock Dacotah Forestburg Pathfinder Summer Trailblazer cd. tabeli 1; Table 1 - continued Table 1 National Germplasm Resources Lab., Beltsville/USA National Germplasm Resources Lab., Beltsville/USA Plant Material Center, Bismarck/USA Plant Material Center, Bismarck/USA National Seed Stor. Lab., Fort Collins/USA National Seed Stor. Lab., Fort Collins/USA National Germplasm Resources Lab., Beltsville/USA Populus sp. forma; form Familie Zeilinger, Loryhof in Guggenberg, Wippenham/AUT Raphanus sativus var. oleiferus REICHENB forma; form Rolnas Bydgoszcz 2005 Reynoutria japonica HOUTT. Reynoutria sachalinensis NAKAI Rosa multiflora THUNB. Rumex tianschanicus LOS.-LOSIN SK. Salix viminalis L. Sida hermaphrodita RUSBY Silphium perfoliatum L. Spartina pectinata ekotyp; ecotype KCRZG IHAR, Radzików/POL 1995 ekotyp; ecotype Muzeum Rolnictwa, Ciechanowiec/POL 1995 forma; form forma; form forma; form Gudrun/SWE Karin/SWE Olof/SWE Sprint/POL Start/POL Sven/SWE Tora/SWE Tordis/SWE Torhild/SWE Turbo/POL Stowarzyszenie Bioenergia na Rzecz Rozwoju Wsi, Kalisz Pom./POL BG Cluj-Napoca/ROM BG Vacratot/HUN Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Olsztyn/POL Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Olsztyn/POL Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Olsztyn/POL forma; form Akademia Rolnicza, Lublin/POL 2002 ekotyp; ecotype Zakład Pszczelarski ISK, Puławy/POL 1994 ekotyp; ecotype OB. Wrocław/POL 1989 BOSC EX LINK

4 94 W. Majtkowski, G. Majtkowska Skład chemiczny gruntów w Ogrodzie Botanicznym IHAR w Bydgoszczy Chemical composition of soils in Botanical Garden IHAR in Bydgoszcz Tabela 2; Table 2 Zasolenie Salinity phh2o N-NO 3 P K Na Mg Ca g dm -3 mg dm -3 0,12-0,33 5,8-6,9 < Rośliny w kolekcji wysadzano w ilości uzaleŝnionej od wielkości otrzymanej próby. Rozstawę dostosowano do agrotechniki zalecanej dla gatunku, np. miskanty - rozstawa 1 1 m, pozostałe gatunki traw - 0,6 0,6 m, wierzba - 0,7 0,7 m, topola - 1 1,5 m. Rośliny uprawiane są metodą ekstensywną, tj. nawoŝenie NPK w dawce odpowiednio: 60 : 40 : 40 kg ha -1 oraz podlewanie bezpośrednio po wysadzeniu, tylko w okresach suszy. Zakres badań obejmuje ocenę plonu i wilgotności biomasy oraz obserwacje fenologiczne, takie jak początek wegetacji, początek fazy generatywnej, termin dojrzewania nasion, faza dojrzałości technologicznej. Wilgotność plonu oceniano metodą podsuszania biomasy w temperaturze ~60 C (tzw. wilgotność powietrznie suchej masy). Dla niektórych gatunków w laboratorium elektrociepłowni SATURN MANAGEMENT w Świeciu wykonano analizę składu chemicznego biomasy oraz oceniano właściwości fizyczne popiołu (temperaturę topnienia). Wyniki i dyskusja Udział biomasy w bilansie energii w Europie szacowany jest obecnie na ok. 4,5%, w Polsce - 2,45%. O moŝliwościach praktycznego wykorzystania zgromadzonych w kolekcji materiałów zadecyduje przede wszystkim wielkość plonu biomasy. Istotne znaczenie będą miały takŝe wymagania siedliskowe (jakość gleby, zapotrzebowanie na wodę), agrotechnika uprawy, technologia wykorzystania, opłacalność. Gatunkami, które w wielu krajach Europy uznane zostały za najwaŝniejsze rośliny energetyczne, z uwagi na trwałość plantacji (15-20 lat) i wysokość plonu (15-20 t ha -1 s.m.), są wierzba (Salix viminalis) oraz miskant olbrzymi (Miscanthus giganteus). Wierzba energetyczna największą popularność zdobyła w krajach skandynawskich, głównie w Szwecji, gdzie uprawiana była na powierzchni ok. 17 tys. ha [TELENIUS 2003]. Za uprawą wierzby przemawia łatwość załoŝenia plantacji ze sztobrów, które umieszcza się w glebie w okresie zimowym (wykorzystując okresy cieplejszej pogody) lub na wiosnę. Warunki meteorologiczne w okresie wegetacji w latach na tle danych z wielolecia (wg danych IMiGW dla posterunku Tabela 3; Table 3

5 GROMADZENIE I OCENA ZASOBÓW GENOWYCH w Ogrodzie Botanicznym IHAR w Bydgoszczy) Meteorological conditions during vegetation period from 2006 to 2007 as compared to data from other years (according to data from IMiGW for the station of Botanical Garden IHAR in Bydgoszcz) Miesiąc Month temperatura temperature ( C) opad rainfall (mm) temperatura temperature ( C) opad rainfall (mm) temperatura temperature ( C) opad rainfall (mm) III 1,4 24 0,3 23,3-0,8 21,4 IV 6,9 37 8,1 39,2 8,0 57,6 V 12, ,1 96,1 13,2 65,7 VI 16, ,5 23,8 17,5 26,0 VII 17, ,0 72,4 22,9 51,2 VIII 17, ,8 32,3 17,4 112,4 IX 12, ,5 19,1 16,2 31,9 X 7,9 40 9,3 8,1 10,8 13,5 93,0 417,0 98,6 314,3 105,2 379,7

6 96 W. Majtkowski, G. Majtkowska W kolekcji roślin energetycznych zgromadzonych w Ogrodzie Botanicznym IHAR w Bydgoszczy w 2006 roku znajdowało się 39 obiektów, reprezentujących 15 gatunków (tab. 1). Ponad połowę wszystkich obiektów (53,8%) stanowiły trawy, naleŝące do 7 gatunków. Oprócz wydmuchrzycy wydłuŝonej (Elymus elongatus) wszystkie gatunki traw naleŝą do roślin typu C-4 fotosyntezy. Ten rodzaj metabolizmu jest często spotykany u traw pochodzących z Azji (Chiny, Japonia) oraz Ameryki Pn. RóŜnice w budowie anatomicznej organów asymilacyjnych roślin C-4 są wynikiem przystosowania do wydajnego wiązania CO 2 w środowiskach kserofitycznych, o ograniczonej wilgotności, wysokiej temperaturze i silnym nasłonecznieniu. Poszukiwanie roślin oszczędnie gospodarujących wodą uzasadniają coraz częstsze susze, które w ciągu ostatnich 25 lat pojawiają się w Polsce z coraz większą intensywnością i na coraz większym obszarze [ŁABĘDZKI ]. W latach w regionie kujawsko-pomorskim odnotowano dwukrotnie kilkumiesięczne okresy suszy. Deficyt wody pogłębiały wysokie temperatury powietrza, wyŝsze od średniej wieloletniej (tab. 3). Na uwagę zasługuje wysokość plonu uzyskana z badanych obiektów w warunkach długotrwałej suszy. NajwyŜsze plony uzyskano na poletkach z wierzbą (średnio 18,2 t ha -1 w przeliczeniu na powietrznie suchą masę) oraz miskantem olbrzymim i miskantem chińskim (odpowiednio 20,7 i 19,1 t p.s.m. ha -1 ). Pędy wierzby pozyskiwano w cyklach rocznych. Do najwaŝniejszych czynników decydujących o wartości energetycznej biomasy naleŝy stopień ich uwilgotnienia. Wysoka wilgotność plonu, sięgająca 40-50%, dotyczyła większości gatunków roślin, których termin zbioru przypadał w okresie zimowym. Do gatunków wcześnie kończących fazę generatywną naleŝał szczaw tianszański, który do zbioru nadawał się juŝ w połowie lipca. Wilgotność biomasy wynosiła wówczas poniŝej 10% (tab. 4). Wyniki analiz wykonanych w laboratorium elektrociepłowni SATURN MA- NAGEMENT w Świeciu potwierdzają zaleŝność składu chemicznego biomasy od gatunku (tab. 5). Tabela 5; Table 5 Wyniki analizy biomasy w przeliczeniu na suchą masę (źródło: Elektrociepłownia SATURN MANAGEMENT w Świeciu) Chemical composition of biomass converted to dry matter (source: SATURN MANAGEMENT Power Plant in Świecie) Gatunek; Species Wartość opałowa Energy value (kj kg -1 ) Zawartość popiołu Ash content (%) Siarka całkowita Sulphur content (%) Chlor Chlorine (%) Temp. topnienia popiołu Ash fusion point ( C) Miscanthus sacchariflorus 17,4 3,7 0,05 0, Raphanus sativus var. oleiferus 18,3 6,9 0,61 0,103 > 1500 Rumex tianschanicus 19,1 5,4 0,04 0, Zgromadzone w kolekcji Ogrodu Botanicznego IHAR w Bydgoszczy materiały

7 GROMADZENIE I OCENA ZASOBÓW GENOWYCH pozwalają na wprowadzenie do polskiego rolnictwa takich roślin, których uprawa nie będzie wymagała dodatkowych nakładów na zakup specjalistycznego sprzętu. Do zbioru biomasy (słomy) wystarczą: kosiarka, prasa lub sieczkarnia do kukurydzy, natomiast do zbioru wierzby niezbędny jest specjalistyczny kombajn, np. Claas Jaguar. Wnioski 1. Zgromadzone w kolekcji Ogrodu Botanicznego IHAR w Bydgoszczy zasoby genowe stanowią źródło materiałów wyjściowych do hodowli odmian energetycznych dla polskiego rolnictwa. 2. Trawy z rodzaju Miscanthus (M. giganteus oraz M. sinensis) plonują na poziomie odmian wierzby energetycznej. 3. Zbiór biomasy w okresie zimowym związany jest z wysoką wilgotnością plonu, sięgającą 40-50% oraz podatnością niektórych wieloletnich gatunków roślin na wyleganie pod cięŝarem śniegu. W hodowli odmian roślin energetycznych naleŝy zwrócić uwagę na skrócenie okresu wegetacji, co umoŝliwi przesunięcie terminu zbioru na jesień. Literatura ŁABĘDZKI L.. Problematyka susz w Polsce. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie 41(10): NOWOSIELSKI O., SZWONEK E., SMOTER J., BEREŚNIEWICZ A., MIJAS M., NOWOSIELSKA B., JASZCZOŁT E., TRĘBSKI L., STUPNICKA H Metodyka analizy gleb i ziem ogrodniczych, substratów szklarniowych oraz kompostów w celach diagnostycznych. Zakład NawoŜenia Instytutu Warzywnictwa, Skierniewice: 15 ss. TELENIUS B Conditions for increased market penetration of Short Rotation Coppice for energy purposes in Sweden. Mat. OECD Workshop on Biomass and Agriculture, Vienna, Austria, : 1-4. TOMCZYK A. a. Bakterie, grzyby, stawonogi. Agroenergetyka 2(8): TOMCZYK A. b. Od spodu. Agroenergetyka 4(10): TOMCZYK A Ratujmy wierzchołki. Agroenergetyka 1(11): TOMCZYK A Ochrona upraw matecznych. Agroenergetyka 1(15): Słowa kluczowe: energia odnawialna, rośliny energetyczne, biomasa, trawy C-4 Streszczenie W 1994 roku w Ogrodzie Botanicznym IHAR w Bydgoszczy rozpoczęto ocenę zgromadzych zasobów genowych roślin, przydatnych do uprawy na cele energetyczne w

8 98 W. Majtkowski, G. Majtkowska Polsce. Obecnie w kolekcji znajduje się 39 obiektów, w tym: szybko rosnące drzewa (wierzba, topola), trawy typu C-4 fotosyntezy (Miscanthus giganteus, Andropogon gerardi, Panicum virgatum, Spartina pectinata) oraz wieloletnie byliny dwuliścienne (Silphium perfoliatum, Helianthus tuberosus, Reynoutria japonia), które stanowić mogą materiał wyjściowy do hodowli odmian dla agroenergetyki. Waloryzacja obiektów obejmuje cechy fenologiczne, plonowanie oraz ocenę wilgotności biomasy. NajwyŜsze plony uzyskano na poletkach z wierzbą (średnio 18,2 t ha -1 w przeliczeniu na powietrznie suchą masę) oraz miskantem olbrzymim i miskantem chińskim (odpowiednio 20,7 i 19,1 t p.s.m. ha -1 ). Uprawa roślin energetycznych powinna obejmować jak najwięcej gatunków, dostosowanych do zróŝnicowanych warunków glebowoklimatycznych oraz moŝliwości technicznych rolników. COLLECTION AND EVALUATION OF PLANT GENETIC RESOURCES FOR ENERGETIC PURPOSES IN BOTANICAL GARDEN OF PLANT BREEDING AND ACCLIMATIZATION INSTITUTE IN BYDGOSZCZ Włodzimierz Majtkowski, Gabriela Majtkowska Plant Breeding and Acclimatization Institute, Botanical Garden, Bydgoszcz Key words: renewable energy, energy plant, biomass, C-4 grasses Summary Energy plant collection was initiated in 1994 and now it consists of 39 taxons, including: fast growing trees, i.e. Salix sp. (willow) and Populus (poplar), grasses, esp. C- 4 carbon fixation group: Miscanthus giganteus, Andropogon gerardi (big blustem), Panicum virgatum (switch grass), Spartina pectinata (praire cord grass) and other species of potential suitability for cultivation on large areas in Poland, i.e. Silphium perfoliatum, Helianthus tuberosus, Reynoutria japonica. The aim of the evaluation was to determine phenological traits, yielding and biomass moisture. The air-dry matter yield of Salix, Miscanthus giganteus and Miscanthus sinensis ranged from 18,2 to 20,7 t ha -1. The above collection could be a reach source of initial material for breeding work. Dr inŝ. Kazimierz Majtkowski Ogród Botaniczny Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin ul. Jeździecka BYDGOSZCZ w.majtkowski@ihar.bydgoszcz.pl

9 Tabela 4; Table 4 Zestawienia wyników waloryzacji potencjalnych gatunków energetycznych w 2006 r. Configuration of valorization results of potential energy species within the collection of Botanical Garden IHAR in Bydgoszcz in 2006 Gatunek/obiekt, (rok wysadzenia) Species/object (planting year) Andropogon gerardi (2005) BG Chicago BG Jena Roundtree początek wegetacji begining of vegetation pocz. fazy generat. begining of generative stage Data; Date Biomasa; Biomass pocz. kwitn. begining of anthesis zbiór nasion seed harvest zbiór biomasy biomass harvest plon św.m. fresh weight (t ha -1 ) wilgotność p.s.m 1 moisture of a.d (%) plon w p.s.m. 1 yield in a.d. 1 Elymus elongatus (2005) ,2 58,6 12,1 Miscanthus giganteus (2003) ,7 47,8 20,7 Miscanthus sacchariflorus (2003) ,8 45,2 14,1 Miscanthus sinensis (2003) ,5 46,2 19,1 Panicum virgatum (2005) Cave-in-Rock Summer Rumex tianschanicus BG Cluj-Napoca () ,4 7,7 6, ,3 8,9 10,4 14,5 13,3 49,7 51,4 49,1 42,7 47,9 (t ha -1 ) 5,7 4,3 5,3 8,3 6,9

10 100 W. Majtkowski, G. Majtkowska Rumex tianschanicus BG Vacratot () ,7 7,8 8,9 Reynoutria japonica (1995) ,9 39,4 6 Reynoutria sachalinensis (1995) ,1 59,6 6,1 Rosa multiflora ,1 46,5 8,1 cd. tabeli 4; Table 4 - continued Salix viminalis () Tora Sven Olof Gudrun Torhild Tordis Karin ,1 2 37,9 39,6 36,3 31,2 46,3 32,4 22,0 48,1 2 18,2 2 Silphium perfoliatum (1994) ,5 37,5 7,8 Spartina pectinata (2005) ,6 42,1 10,2 19,7 20,6 18,8 16,2 24,0 16,8 11,4 2 1 p.s.m. powietrznie sucha masa; a.d. air dry matter średnia dla gatunku; average for species