SŁONECZNIK BULWIASTY JAKO ALTERNATYWNE ŹRÓDŁO BIOMASY NA LUBELSZCZYŹNIE THE JERUSALEM ARTICHOKE AS AN ALTERNATIVE SOURCE OF BIOMASS THE LUBLIN REGION 1 Barbara Sawicka, 1 Dominika Skiba, 2 Władysław Michałek 1 Katedra Szczegółowej Uprawy Roślin, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie 2 Katedra Fizjologii Roślin, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Summary. The analysis of potential photosynthetic productiveness of the Jerusalem artichoke were based on the results a field experiment conducted between 1997-2007 in the experimental station in Parczew on the soil good rye complex. The experiment was established with the use of randomized blocks in three replications. Factor of the experiment were 6 varieties of Jerusalem artichoke (Albik, Rubik, Kulista Biała IHAR, Kulista Czerwona IHAR, and Violet de Rennes). The aim of this study was to assess of the cultivars of Helianthus tuberosus grown in Poland, the sign of their photosynthetic productivity, and to determine the suitability for energy purposes and indicate the possibility of their cultivation on set-aside land. Variety of higher aboveground dry matter yield was a Biała Kulista IHAR which showed the highest maximum efficiency while photosystem PS II in darkness, the higher value of the coefficients of photochemical and nophotochemical putting out the fluorescence of chlorophyll. Due to the potential yield and comprehensive utility value of biomass Jerusalem artichoke has a chance to become an alternative source of energy. Tubers can be used to produce bio-ethanol or methane fermentation, some aboveground can be used to produce biomethane, through direct combustion or the production of briquettes and pellets. Because of the possibility of growing this species on a soil medium concise and light it can recommend the cultivation of fallow soils of Lublin region. The largest possibilities of the tillage of this species create administrative districts: Bilgoraj, Pulawy, Wlodawa, Chelm, Lubartow, Ryki, Opole and Leczna. Key words: Jerusalem artichoke, cultivars, the potential productivity photosynthesis, chlorophyll fluorescence, biomass, alternative energy sources Streszczenie. Analizę potencjalnej produktywności fotosyntetycznej słonecznika bulwiastego oparto na wynikach doświadczenia polowego, przeprowadzonego w latach 1997-2007 w stacji doświadczalnej w Parczewie na glebie kompleksu żytniego dobrego. Eksperyment wykonano metodą bloków zrandomizowanych w 3 powtórzeniach. Czynnikami doświadczenia było 6 odmian słonecznika bulwiastego (Albik, Rubik, Kulista Biała IHAR, Kulista Czerwona IHAR, Violet de Rennes). Celem badań była ocena uprawianych w Polsce odmian Helianthus tuberosus, oznaczenie ich produktywności fotosyntetycznej oraz określenie przydatności na cele energetyczne i wskazanie możliwości ich uprawy na terenach odłogowanych. Odmianą o wyższym plonie suchej masy nadziemnej okazała się Biała Kulista IHAR, która wykazała się jednocześnie największą maksymalną sprawnością fotosystemu PS II w ciemności, wyższą wartością współczynników fotochemicznego i niefotochemicznego wygaszania fluorescencji chlorofilu. Z uwagi na duży potencjał plonowania i wszechstronną wartość użytkową biomasy słonecznik bulwiasty ma szansę stać się alternatywnym źródłem energii. Bulwy mogą być wykorzystane do produkcji bioetanolu lub do fermentacji metanowej; część nadziemną można wykorzystać do produkcji biometanu, w procesie bezpośredniego spalania lub do produkcji brykietów i peletów. Ze względu zaś na możliwość uprawy tego gatunku na glebach średnio-zwięzłych i lekkich można go polecać do uprawy na odłogowanych glebach Lubelszczyzny. Największe możliwości uprawy tego gatunku stwarzają powiaty: biłgorajski, puławski, włodawski, chełmski, lubartowski, rycki, opolski i łęczyński. Słowa kluczowe: słonecznik bulwiasty, odmiany, potencjalna produktywność fotosynetyczna, fluorescencja chlorofilu, biomasa, alternatywne źródła energii Wstęp W strategiach rozwoju energetyki krajów rozwiniętych coraz większy nacisk kładzie się na pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych. W Polsce, według przyjętej przez Sejm Strategii rozwoju energetyki odnawialnej, jej udział powinien osiągnąć 7,5% w roku 2010 i 14% w roku 2020 [FABER I IN. 2007, JASIULEWICZ, 2008]. Takie założenia Rządu RP spowodowały w ostatnich latach zainteresowanie wykorzystaniem biomasy w energetyce i oszacowaniem jej potencjału [KOŚCIK I IN. 2005, GRZYBEK 2008]. Uprawa roślin alternatywnych stała się w ostatnich latach bardzo popularna. Podejmowanych jest szereg badań mających na celu określenie przydatności różnych gatunków roślin do wykorzystania w energetyce [MARKS I IN. 2006, FABER I IN. 2007, CHOŁUJ I IN. 2008, PISKIER 2009]. Badania wykazały, że rośliny dające lignocelulozową biomasę pozwalają osiągnąć dużo lepsze wyniki w produkcji biomasy niż rośliny uprawiane dla produkcji żywności [GAJDA I IN. 2008]. Duży nacisk polityków i społeczeństwa na rozwój produkcji surowców
odnawialnych powoduje, że oczekuje się, by rośliny energetyczne charakteryzowały się dużym przyrostem rocznym, wysoką wartością opałową, znaczną odpornością na choroby i szkodniki oraz stosunkowo niewielkimi wymaganiami glebowymi. Obecnie jedną z cenniejszych roślin energetycznych jest słonecznik bulwiasty, charakteryzujący się znacznym potencjałem produkcyjnym i wielokierunkowością wykorzystania. Podstawowym czynnikiem warunkującym rozwój sektora upraw energetycznych w województwie lubelskim jest dostępność gruntów [GAŃKO 2007]. Poważnym ograniczeniem dla rozwoju energetyki alternatywnej są jednak chronione siedliska przyrodnicze, w szczególności stanowiące potencjalne ostoje sieci NATURA 2000 [KASPERSKA I BARAN 2004]. Ochrona ostoi Natura 2000 stanowić będzie silne ograniczenie dla lokalizacji upraw plantacji wieloletnich, dlatego dobrym rozwiązaniem może być przeznaczenie pod te uprawy odłogów i ugorów [KOŚCIK I IN. 2005, ROGUSKA I GRZYWACZEWSKA 2008]. Celem badań było określenie produkcyjności odmian Helianthus tuberosus i ocena ich przydatności na cele energetyczne oraz wskazanie możliwości ich uprawy na terenach odłogowanych. Materiały i metody Analizę potencjalnej produktywności fotosyntetycznej słonecznika bulwiastego oparto na wynikach ścisłego doświadczenia polowego, przeprowadzonego w latach 1997-2007 w stacji doświadczalnej w Parczewie, na glebie o składzie piasku gliniastego lekkiego (kompleks żytni dobry). Eksperyment wykonano metodą bloków zrandomizowanych w 3 powtórzeniach. Badano 6 odmian słonecznika bulwiastego (Albik, Rubik, Kulista Biała IHAR, Kulista Czerwona IHAR, Violet de Rennes). Pod uprawę Helianthus tuberosus stosowano jednakowe nawożenie organiczne (30 t. ha -1 obornika) i mineralne (80 kg N, 35 kg P, 100 kg K t. ha -1 ). Zdrowotność sadzeniaków była porównywalna (materiał bazowy). Bulwy sadzono w ostatniej dekadzie kwietnia w redliny, w rozstawie 67,5 x 37 cm. Powierzchnia poletek do zbioru wynosiła 20 m 2. Pielęgnacja doświadczenia była zgodna z wymogami poprawnej agrotechniki. W przeprowadzonych badaniach wykorzystano pomiary fluorescencji chlorofilu do określenia potencjalnej produktywności fotosynetycznej odmian słonecznika bulwiastego. Aktywność fotosyntetyczną roślin oceniano w czasie ich kwitnienia poprzez wykonanie pomiarów indukcji fluorescencji chlorofilu liści za pomocą fluorymetru PAM-2000. Fluorescencję chlorofilu mierzono na trzecim liściu właściwym Helianthus tuberosus wg metody podanej przez SCHREIBER A I IN. [1992]. Określono następujące parametry fluorescencji: maksymalną sprawność fotosystemu PS II (F V /F m ); wydajność PS II (F V /F m ); aktualną ilość elektronów w PS II - PSII ; współczynnik fotochemicznego (qp) i niefotochemicznego (qn) wygaszania fluorescencji. Pomiary prowadzono na liściach, o takim samym położeniu na roślinie i podobnej orientacji do światła, które zacieniano na około 20 minut przed pomiarem za pomocą fabrycznych klipsów. Produkcyjność roślin określano poprzez oznaczenie plonu masy nadziemnej i bulw. Zbiór masy nadziemnej przeprowadzono w połowie października, a bulw na początku kwietnia. W czasie zbiorów pobrano próby masy nadziemnej z 10 roślin każdego poletka oraz po 30 nieuszkodzonych bulw z 10 roślin każdego poletka do oznaczenia suchej masy. Oznaczono plon bulw i masy nadziemnej, a następnie ich suchą masę metodą suszenia, w temperaturze 105 C. Znane jest ciepło spalania masy nadziemnej H. tuberosus, które kształtuje się od 18,1 do 26,1 GJ. t -1, zależnie od odmiany [KRYŁOWICZ I IN. 2001, 2008, NIEDZIÓŁKA, ZUCHNIARZ 2006, STOLARSKI I IN. 2008]. Przyjmując, że przeciętnie 1 tona s.m. jest równoważna 18 GJ chemicznej zawartości energii węgla (przy wilgotności masy nadziemnej 10%), wyliczono produktywność 1 hektara. Produkcja biogazu została wyliczona w oparciu o uzyskany plon biomasy i szacunkową wydajność produkcji biogazu podawaną w literaturze. Produkcja biogazu wynosi od 480 do 590 m 3. t -1 biomasy (przyjęto wydajność na poziomie 550 m 3. t -1 s.m.). Produkcję energii cieplnej i elektrycznej wyliczono na podstawie wartości opałowej słonecznika bulwiastego [KRYŁOWICZ 2001, KRYŁOWICZ I IN. 2008, NIEDZIÓŁKA, ZUCHNIARZ 2006]. Uzyskane wyniki dotyczące produkcji biogazu, energii cieplnej i elektrycznej mogą być traktowane jedynie jako wielkości przybliżone. Statystyczne opracowanie wyników wykonano za pomocą analizy wariancji, korelacji prostej i regresji wielomianowej. Istotność źródeł zmienności testowano testem F Fischera- Snedecora, a ocenę istotności różnic pomiędzy porównywanymi średnimi dokonano za pomocą wielokrotnych przedziałów Tukey'a. Parametry funkcji określano metodą najmniejszych kwadratów, a weryfikację istotności testem t Studenta. Zmienność analizowanych wyników scharakteryzowano za pomocą współczynnika zmienności V. Wyniki dotyczące powierzchni terenów odłogowanych w województwie lubelskim zebrano z lat 1997-2007 [GUS 2007A, GUS 2007B]. Wyniki i dyskusja Słonecznik bulwiasty może być rozmnażany przez bulwy, rizomy, odcinki pędów, kultury tkankowe i nasiona. W praktyce jednak podstawowym sposobem rozmnażania są bulwy, o masie 45-60 g, charakteryzujące się okresem spoczynku wynoszącym 54-200 dni [CHOŁUJ I IN. 2008]. Jest jednym z najefektywniejszych gatunków roślin uprawnych w przekształcaniu energii słonecznej na masę roślin, zarówno pod względem ilościowym jak i jakościowym. Jak podaje SAWICKA I MICHAŁEK [2005] szybkość przyrostu masy bulw jest określana przez czas ich zawiązywania, a długość okresu jej wzrostu od stanu fotosyntetycznie aktywnych liści. Za szerszym rozpropagowaniem Helianthus tuberosus przemawia też jego wysoka odporność zarówno na 2
wysokie, jak i niskie temperatury powietrza, niewielkie wymagania glebowe, jak również wysoka odporność na choroby i szkodniki, a także bardzo wysoki potencjał produkcyjny, zarówno masy nadziemnej, jak i bulw [SAWICKA 2004, SAWICKA, MICHAŁEK 2005, 2008]. Ponadto warunki klimatyczne, jak i glebowe województwa sprzyjają gospodarce rolnej, pozwalając na uprawę roślin typowych dla strefy umiarkowanej, w tym słonecznika bulwiastego [KASPERSKA I BARAN 2004, KRASOWICZ 2007, BUJANOWICZ-HARNAŚ 2008]. Właściwości badanych odmian cechowały się zróżnicowanymi wartościami F V /F m, F V /F m PSII, qp i qn (tab. 1). Odmianą o najwyższych wartościach tych cech okazała się Biała Kulista IHAR, przy czym homologicznymi pod tym względem, okazały się odmiany: Czerwona Kulista IHAR, Rubik i Violet de Rennes. Najniższymi parametrami rozpatrywanych wskaźników fotosyntezy odznaczała się odmiana Swojecka Czerwona, przy czym odmiana Albik okazała się jednorodna pod tym względem. Z kolei odmianą najbardziej stabilną, pod względem wielkości parametrów fluorescencji chlorofilu, była Swojecka Czerwona. Spadek wartości poszczególnych parametrów, a zwłaszcza maksymalnej sprawności fotosystemu PS II w ciemności, świadczy o zmniejszonym zapotrzebowaniu roślin na produkty stanowiące tzw. siłę asymilacyjną i o zakłóceniach w procesie wzrostu badanych roślin. Ta niekorzystna tendencja wystąpiła w przypadku odmiany Swojecka Czerwona. Świadczy o tym nie tylko mniejszy plon masy nadziemnej, ale też niskie wartości dotyczące produktywności fotosyntetycznej tej odmiany. Względna zmiana potencjalnej wydajności kwantowej fotosystemu PS II (F v /F m ) okazała się również uzależniona od właściwości genetycznych badanych odmian (tab. 1). SMILLIE I IN. [1987], VERHOEVEN I IN. [1997], KREBS I IN. [1996] oraz PUŁA I IN. [1999] wykazali, że funkcjonowanie PSII jest najbardziej czułym wskaźnikiem działania różnorodnych czynników na rośliny i jest przydatna również w hodowli do selekcjonowania roślin o pożądanym genotypie. Porównując wartości parametru Fv/Fm z uzyskanym plonem masy nadziemnej Helianthus tuberosus stwierdzono, iż wartości te były większe w przypadku odmian o wyższym potencjale plonowania. Zaobserwowano także różnice w wartości biologicznej uzyskanej biomasy bulw. Analiza korelacji prostej wykazała, że spośród ocenianych parametrów fluorescencji chlorofilu, największą zależność z plonem suchej masy nadziemnej wykazała potencjalna wydajność kwantowa fotosystemu PS II (r=0,991), najmniejszą zaś współczynnik niefotochemicznego wygaszania fluorescencji chlorofilu (r=0,539) (tab. 2). Slaski i in. [2005] stwierdzili, że odmiany Albik i Rubik mają bardzo wysoki potencjał genetyczny, nawet 3-4 razy wyższy niż typowe rośliny uprawiane w stanie Alberta. W opinii SAWICKIEJ I MICHAŁKA [2005] wartości wskaźników wydajności fotosyntetycznej słonecznika bulwiastego, takich jak: Ф PSII, qp i qn są związane z fazami rozwoju odmian słonecznika bulwiastego. Wartość tych wskaźników zmniejszała się wraz ze wzrostem roślin. Zdaniem PUŁY I IN. [1999], wraz ze zwiększaniem rozmiarów blaszki liściowej asymilacja CO 2 zachodzi coraz intensywniej a jednocześnie maleje intensywność oddychania. Po osiągnięciu pełni dojrzałości liść przekształca się z akceptora w donor asymilatów. Zwiększenie wartości wskaźników fluorescencji oznacza pośrednio wydłużenie okresu wegetacji, co według ŠESTAK A, ŠIFFEL A [1997] może bezpośrednio wpływać na plon bulw i jego jakość. Zdaniem SAWICKIEJ I MICHAŁKA [2005, 2008] natężenie procesu fotosyntezy, w poszczególnych fazach rozwoju roślin Helianthus tuberosus, może być uzależnione od składu hormonalnego tkanek asymilacyjnych. W przeprowadzonym doświadczeniu średni plon świeżej masy nadziemnej badanych odmian wynosił 33,85 t. ha -1, zaś przeciętny plon bulw 26,49 t. ha -1 (rys. 1). Istotnie najwyższy plon bulw wytworzyła odmiana Violet de Rennes, zaś masy nadziemnej odmiana Rubik; przy czym Albik okazała się homologiczna pod względem tej cechy (rys. 2). Pod względem obu badanych cech najmniej korzystnymi parametrami odznaczała się odmiana Biała Kulista IHAR, co potwierdzają wcześniejsze badania SAWICKIEJ [2002, 2004]. Otrzymane plony bulw były wyższe od uzyskanych przez GÓRALA [1998], natomiast plon części nadziemnych był nieco niższy. W badaniach porównawczych 10 odmian i rodów słonecznika bulwiastego, tegoż autora, plony biomasy nadziemnej kształtowały się od 36,6 do 57,3 t. ha -1, zaś przeciętny plon był na poziomie 44,7 t. ha -1. W opinii Górala [1999] na urodzajnej glebie, dostatecznie uwilgotnionej, można wyprodukować do 200 t biomasy nadziemnej i 90 t bulw z ha, zaś na glebach klasy 3 lub 4, okresowo posusznych, produkcja biomasy nadziemnej może dochodzić do 40-75 t, a bulw 23-34 t. ha -1, zależnie od odmiany i jakości gleby. Potencjał odmiany Violet de Rennes DOPAZO I IN. [2009] szacują łącznie na 14 t s.m. w warunkach Francji, a w warunkach Włoch na 22 t. ha -1 s.m. KOSIARIC I IN. [1984], porównując plon 36 odmian i rodów wykazali, iż plon bulw Helianthus tuberosus może się wahać od 6 do 76 t. ha -1. PROŚBA-BIAŁCZYK [2007] udowodniła, iż wysoki poziom plonowania słonecznika bulwiastego jest możliwy nawet na glebach o odczynie bardzo kwaśnym, co potwierdza, że jest to roślina, którą można uprawiać na różnych kategoriach gleb. Średni plon suchej masy bulw w doświadczeniu wynosił 6,22 t. ha -1 a części nadziemnych 8,58 t. ha -1. Najwyższym plonem suchej masy nadziemnej odznaczała się odmiana Biała Kulista IHAR, najniższym zaś Swojecka Czerwona, natomiast największym, sumarycznym plonem suchej masy bulw i części nadziemnych, wyróżniała się odmiana Violet de Rennes, a homologiczną pod względem wartości tej cechy, okazała się Albik (rys. 2). Przeciętny plon suchej masy, uzyskany w wieloletnim doświadczeniu, był zbliżony do otrzymanego przez FABERA I IN. [2007], ale znacznie niższy od wydajności uzyskanej przez KOŚCIKA [2007]. W badaniach PISKIERA [2009], przeprowadzonych na terenie północno-zachodniej Polski, w stanowisku po 8. letnim odłogu, 3
na piasku gliniastym mocnym, glebach IVa klasy bonitacyjnej, przeciętny plon suchej masy, w I roku uprawy, kształtował się na poziomie 3,81-4,52 t ha -1, zależnie od odmiany i 8,5 t ha -1 w drugim roku uprawy. W warunkach borealnego pasu klimatyczno-glebowego LEHTOMÄKI [2006] uzyskał plon suchej masy bulw w przedziale od 9 do 16 t. ha -1. Według KAYS I NOTTINGHAM [2007] plon suchej masy części nadziemnych może się wahać się od 4 do 30 t. ha -1, w zależności od genotypu, warunków klimatycznych, rodzaju gleby i wieku plantacji. Z badań porównawczych DOPAZO i IN. [2009] wynika, iż plon suchej masy bulw Helianthus tuberosus był wyższy w warunkach Hiszpanii i Włoszech, niższy zaś we Francji. Ponadto plon suchej substancji odmian późno kwitnących, w październiku, np. Violet de Rennes, był znacznie wyższy niż odmian czy rodów wczesnych. Wartość energetyczna to jeden z podstawowych parametrów termofizycznych biopaliw stałych. Z badań NIEDZIÓŁKI I ZUCHNIARZA [2006] wynika, że waha się ona od 6-8 MJ. kg -1 dla biomasy o wilgotności 50 60% do 15 18 MJ. kg -1 dla biomasy podsuszonej, której wilgotność wynosi 10 20%, aż do 19 MJ. kg -1 dla biomasy całkowicie wysuszonej. Należy jednak zaznaczyć, że biomasa o dużej wilgotności w czasie zbioru wymaga poprawy walorów energetycznych poprzez zmniejszenie zawartości wody, co zwiększa koszty jej zastosowania. Wartość opałowa części nadziemnych tego gatunku, w przeprowadzonych badaniach, wahała się od 140 do 163 GJ. ha -1. Większą wartością opałową charakteryzowały się odmiany: Biała Kulista IHAR oraz Czerwona Kulista IHAR. Odmiany Albik, Rubik oraz Violet de Rennes okazały się homologiczne, pod względem wartości tej cechy (tab. 3). MAJTKOWSKI [2006] wartość opałową słomy z H. tuberosus, przy wilgotności 20%, ocenia na ok. 18 MJ. kg -1, tj. 900 GJ. ha -1, KOŚCIK [2007] zaś na 483 GJ. ha -1. PISKIER [2006] plon energii, z dwuletniej plantacji słonecznika bulwiastego, wyszacował na 135,4 GJ. ha -1 i był on mniejszy od wyliczonego dla kukurydzy o 5,2%. Ten sam autor [PISKIER 2009] energię zawartą w plonie odmiany Albik ocenił na 84,1 GJ ha -1 i na 92,7 GJ ha -1 w przypadku odmiany Rubik; przy czym uprawa przebiegała przy dużym niedoborze opadów w okresie wegetacji i w warunkach niskiego nawożenia mineralnego, co rzutowało na poziom uzyskiwanej suchej masy. W warunkach Finlandii słonecznik bulwiasty zaliczono do roślin o najwyższym potencjale energetycznym, obok takich gatunków jak: tymotka, koniczyna, kanar, mozga trzcinowa. Jej potencjał wytwarzania energii określił na 28-53 MWh. ha -1 i 40 000-60 000 km. ha -1. Wyliczona wydajność metanu, z masy nadziemnej Helianthus tuberosus, kształtowała się na poziomie 4718 m 3. ha -1, a zależnie od odmiany od 4278 do 4994 m 3. ha -1 (tab. 3). Produkcja wyliczonej energii cieplnej, zależnie od odmiany, wynosiła odpowiednio od 43 do 50 MWh. ha -1 ; elektrycznej 14-16 MWh. ha -1. MAJTKOWSKI [2006] wielkość produkcji biogazu z biomasy tego gatunku szacuje na 53500 m -3. ha -1. KOŚCIK [2007], prowadząc badania w warunkach południowo-wschodniej Polski, ocenił produkcję metanu z części nadziemnych słonecznika bulwiastego na 13500 m 3. ha -1, zaś produkcję energii elektrycznej na 53,7 MWH. ha -1. W warunkach fińskich, LEHTOMÄKI [2006], określa produkcję metanu, wyprodukowanego z biomasy H. tuberosus, zebranej w późnym terminie, w połowie października, na poziomie 3100-5400 m 3 CH 4. ha -1, produkcję energii cieplnej na 30-53 MWh. ha -1, co odpowiada 38000-68000 km. ha -1 transportu pasażerskiego, a więc porównywalną z uzyskanymi wynikami. W opinii MAJTKOWSKIEGO [2006], KOŚCIKA I IN. [2005], KOŚCIKA [2007], DOPAZO I IN. [2009] surowcem energetycznym Helianthus tuberosus mogą być zarówno bulwy, które można przeznaczyć do produkcji bioetanolu lub biogazu, jak też części nadziemne (świeże lub zakiszone) do produkcji biogazu, bezpośredniego spalania lub też do produkcji brykietów i pelet. Kościk [2007] wykazał, bowiem, że zeschnięte łodygi Helianthus tuberosus mogą służyć do bezpośredniego spalania, produkcji brykietów, czy też peletów, a proces brykietowania przebiega bez problemów, zaś jakość produktu jest dobra. Również bez problemów przebiega proces produkcji peletu. Uzyskany przez niego pelet był dobrze sprasowany, szklisty, co wskazywało, że miał odpowiednią gęstość. Wyniki badań Tabina i Woźnicy [1954, 1959] wskazują, że rośliny tego gatunku mogą być zakiszane po zbiorze, jesienią, w terminie między 16 września a 16 października, kiedy zielona masa i kiszonki H. tuberosus charakteryzują się największą zawartością bezazotowych substancji wyciągowych. Przeprowadzona w tym terminie fermentacja zielonej masy słonecznika bulwiastego przebiegała prawidłowo, bez żadnych dodatkowych zabiegów, a kwasowość kiszonki oraz wzajemne stosunki poszczególnych kwasów układały się bardzo korzystnie. Również z badań LEHTOMÄKI [2006] wynika, że produkcja metanu z biomasy słonecznika bulwiastego jest optymalna w późniejszym terminie zbioru, z powodu wyższej biomasy w tym okresie. Ponadto ilość strukturalnych węglowodanów, które łatwo podlegają fermentacji przez mikroorganizmy, wzrasta w częściach nadziemnych Helianthus tuberosus do połowy października i dlatego biomasa może zostać zebrana późno, nie narażając na beztlenową podatność na degradację. W produkcji biogazu z kiszonki słonecznika bulwiastego bardziej ważny jest, zdaniem LEHTOMÄKI [2006], odpowiedni moment cięcia, zawartość cukrów i substancji buforujących, poziom suchej masy (28-38%), odpowiednie rozdrobnienie roślin (długość sieczki (4-8 mm), jak i zanieczyszczenia glebowe. Przy zbyt niskim koszeniu roślin i wjeździe ciągników z przyczepami na zakiszany materiał, wprowadza się dużą ilość gleby wraz z niekorzystnymi bakteriami i grzybami. W związku z tym wysokość koszenia powinna być ustalona na 5-6 cm od powierzchni gleby. 4
Bulwy, bądź sok z bulw mogą też służyć zarówno do produkcji biometanu, jak i bioetanlu. Jak podaje Szambelan i in. [2004] bulwy i soki z bulw Helianthus tuberosus poddane klasycznej fermentacji z użyciem bakterii Zymomonas mobilis, drożdży gorzelniczych Saccharomyces ceravisiae oraz drożdży z aktywną inulinazą (Kluyveromyces fragilis i Kluveromyces marxianus) charakteryzują się wysoką wydajnością procesu fermentacji alkoholowej. Wydajność etanolu, dla bakterii i drożdży gorzelniczych, po hydrolizie enzymatycznej (wyrażona jako % wydajności teoretycznej) wynosiła odpowiednio: 78,3-90,0% i 72,4-84,15% dla bulw i 78,3-88,1% i 74,4-82,2% dla soków z bulw. Lubelszczyzna jest obszarem zróżnicowanym rolniczo, zarówno pod względem warunków przyrodniczych, jak i ekonomiczno-organizacyjnych. Różnice dotyczą m.in. struktury użytków rolnych, która jest pochodną zróżnicowania warunków przyrodniczych [KRASOWICZ 2007, ROGUSKA, GRZYWACZEWSKA 2008]. Województwo lubelskie odznacza się dość dużym udziałem gruntów rolnych o wysokich klasach bonitacyjnych gleb, w tym gleby szczególnie chronione, kl. I-III, które stanowią prawie 40% (rys. 3). W okresie transformacji ustrojowej, głównie z powodu spadku opłacalności produkcji, w celu ograniczenia nadprodukcji rolniczej, około 2,5 mln ha gruntów ornych w Polsce zostało wyłączonych z uprawy. Tereny te można z powodzeniem przeznaczyć pod uprawę słonecznika bulwiastego [KOŚCIK I IN. 2005, MARKS I IN. 2006; ZARÓD 2006, STOLARSKI I IN. 2008]. W latach 1997-2007 udział gruntów ornych w województwie lubelskim stanowił średnio 78,8% użytków rolnych. W tym czasie udział terenów odłogowanych, w gruntach ornych, wahał się od 12,1 do 2,3%. W latach 1997-2002, w których odnotowano najwyższą powierzchnię odłogów i ugorów na terenie województwa lubelskiego, obserwowano wzrost udziału powierzchni tych gruntów, z wyjątkiem 1999 roku. W następnych latach powierzchnia tych terenów ulegała sukcesywnemu zmniejszaniu, osiągając w 2007 roku 28,4 tys. ha. Obserwuje się, zatem trend do zmniejszania powierzchni gruntów ugorowanych (rys. 4). Przyczyn zmniejszania się obszarów odłogowanych na Lubelszczyźnie można się doszukiwać w przyjęciu zasad dopłat bezpośrednich w polskim rolnictwie, wraz z wejściem Polski do Unii Europejskiej oraz zalesienie gleb mineralnych, o niskich klasach bonitacyjnych [KASPERSKA I BARAN 2004]. Najwyższy odsetek gruntów odłogowanych znajdował się w powiatach: biłgorajskim, puławskim, włodawskim, chełmskim, lubartowskim, ryckim, opolskim i łęczyńskim [KASPERSKA I BARAN 2004, GUS 2007A]. Ze względu na możliwość uprawy słonecznika bulwiastego na glebach średnio-zwięzłych i lekkich można go polecać do uprawy na odłogowanych glebach wyżej wymienionych powiatów woj. lubelskiego. Dzięki temu otwiera się przed nimi szansa uprawy słonecznika bulwiastego do celów energetycznych, co w znacznym stopniu powinno spowodować rozwój rolnictwa. Jednak możliwości przeznaczenia gruntów odłogowanych pod produkcję na cele energetyczne są ograniczone, z uwagi na to, że występują one w regionach, o rozdrobnionej strukturze agrarnej lub też w regionach o dużym udziale gleb bardzo słabych. Słonecznik bulwiasty wymaga gleb średnio zwięzłych, przewiewnych, o dużej zawartości składników pokarmowych i dostatecznej wilgotności. Silnie rozwinięty system korzeniowy pozwala też na uprawę w gorszych stanowiskach, jak również na niezbyt zachwaszczonych odłogach. Ważną zaletą tego gatunku jest możliwość samoodnawiania się. Jest to szczególnie korzystne w miejscach trudno dostępnych, nie zachodzi, bowiem konieczność corocznego sadzenia bulw [GÓRAL 1999, Piskier 2009]. Wnioski 1. Biomasa Helianthus tuberosus poprzez swoje właściwości energetyczne jest alternatywnym źródłem energii, które z powodzeniem może zastąpić dotychczasowe technologie ciepłownicze, oparte na tradycyjnych paliwach kopalnych. Bulwy mogą być wykorzystane do produkcji bioetanolu lub do fermentacji metanowej; część nadziemną można wykorzystać do produkcji biometanu, w procesie bezpośredniego spalania lub do produkcji brykietów i peletów. 2. Plony suchej masy bulw i części nadziemnych Helianthus tuberosus predestynują badane odmiany do wykorzystania ich na cele energetyczne. Odmianą o najwyższym plonie suchej masy nadziemnej okazała się Biała Kulista IHAR, która wykazała się jednocześnie największą maksymalną sprawnością fotosystemu PS II w ciemności, wyższą wartością współczynników fotochemicznego i niefotochemicznego wygaszania fluorescencji chlorofilu, co wskazuje na wysoką, potencjalną plenność tej odmiany. Homologicznymi, pod tym względem, okazały się też odmiany: Czerwona Kulista IHAR, Rubik i Violet de Rennes. 3. Ze względu na możliwość uprawy słonecznika bulwiastego na glebach średniozwięzłych i lekkich można go uprawiać na odłogowanych glebach Lubelszczyzny, głównie średnio-zwięzłych i lekkich. Największe możliwości uprawy tego gatunku stwarzają powiaty: biłgorajski, puławski, włodawski, chełmski, lubartowski, rycki, opolski i łęczyński. Możliwości przeznaczenia gruntów obecnie odłogowanych pod produkcję na cele energetyczne są jednak ograniczone, gdyż największe powierzchnie odłogów występują w regionach województwa, o rozdrobnionej strukturze agrarnej lub o dużym udziale gleb bardzo słabych. 5
Literatura BUJANOWICZ-HARNAŚ B. 2008. Środowiskowe uwarunkowania konkurencyjności rolnictwa Lubelszczyzny. Stowarzyszenie Ekonomistów Rolnictwa i Agrobiznesu. Rocz. Nauk. 10 (1): 39-43. CHOŁUJ D., PODLASKI S., WIŚNIEWSKI G., SZMALEC J. 2008. Kompleksowa ocena biologicznej przydatności 7 gatunków roślin wykorzystywanych na cele energetyczne. Studia i Raporty IUNG-PIB, 11: 81-99. DOPAZO R., VEGA-NIEVA D.J., ORTIZ L. 2009. Herbaceous energy crops: reviewing productivity for bioenergy production. http://193.146.36.56/ence/publicaciones/valencia_oc7.3.pdf FABER A., STASIAK M., KUŚ J. 2007. Wstępna ocena produkcyjności wybranych gatunków roślin energetycznych. Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 47 (4): 339-346. GAJDA A.M., CZYŻ E.A. 2008. Kształtowanie się właściwości fizycznych i mikrobiologicznych gleb pod uprawą wybranych gatunków roślin energetycznych. Mat. Kon. Nauk. nt.: Uprawa roślin energetycznych a wykorzystanie rolniczej przestrzeni produkcyjnej w Polsce. Puławy, 4-5.06: 11-12. GAŃKO E. 2007. Potencjał techniczny produkcji roślin na cele energetyczne w Polsce. Mat. Kon. Nauk. nt.: Uprawa roślin energetycznych a wykorzystanie rolniczej przestrzeni produkcyjnej w Polsce. Puławy, 4-5.06: 13-14. GÓRAL S. 1998. Zmienność morfologiczna i plonowanie wybranych klonów słonecznika bulwiastego topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Hod. Rośl. i Nas. 2: 6-10. GÓRAL S. 1999. Słonecznik bulwiasty topinambur. Uprawa i użytkowanie. Wyd. IHAR Radzików: ss. 21. GRZYBEK A. 2008. Zapotrzebowanie na biomasę i strategie energetycznego jej wykorzystania. Studia i Raporty IUNG-PIB, 11:11-23. GUS 2007a. Rocznik statystyczny rolnictwa i obszarów wiejskich 2007 http://www.stat.gov.pl/cps/rde/xbcr/gus/publ_rls_rocznik_rolnictwa_2007.pdf.pdf GUS 2007b. Rocznik statystyczny województw 2007. http://www.stat.gov.pl/gus/5840_zws_pub_227_plk_html JASIULEWICZ M. 2008. Wykorzystanie upraw energetycznych w strategii konkurencyjności regionów. Stowarzyszenie Ekonomistów Rolnictwa i Agrobiznesu Roczniki Naukowe 10 (2): 98-102. KASPERSKA E., BARAN K. (RED.) 2004. Wojewódzki program rozwoju alternatywnych źródeł energii dla województwa lubelskiego. Raport II. Uwarunkowania. Lublin. http://www.oze.bpp.lublin.pl/dokumenty/rap_ii/tekst.pdf KAYS S. J., NOTTINGHAM S. F. 2007. Biology and Chemistry of Jerusalem Artichoke: Helianthus tuberosus L. CRC Press, Talyor & Francis Group, Boca Raton, Florida, USA, ISBN 1420044948: pp. 496. KOSTARIC N., COSETINO G.P., WIECZOREK A., DUVNJAK Z. 1984. The Jerusalem artichoke as an agricultural crop. Biomass 5, 1-36. KOŚCIK B. 2007. Surowce energetyczne pochodzenia rolniczego. Wyd. PWSZ, Jarosław: 35-40. KOŚCIK B., GŁOWACKA A., KOWALCZYK-JUŚKO A., WYŁUPEK T. 2005. Szacowanie potencjału biomasy na cele energetyczne do bezpośredniego spalania problemy metodologiczne. Stowarzyszenie Ekonomistów Rolnictwa i Agrobiznesu. Rocz. Nauk. 7 (7): 160-165. KRASOWICZ S. 2007. Rolnictwo województwa lubelskiego na tle kraju. Stowarzyszenie Ekonomistów Rolnictwa i Agrobiznesu. Rocz. Nauk. 9 (1): 254-258. KREBS D. SYNKOVA H., AVATOVŠÈOVÁ N., KOÈOVÁ M., ŚESTAK Z. 1996. Chlorophyll fluorescence measurements for genetic analysis of maize cultivars. Photosynthetica 32 (4), 595-608. KRYŁOWICZ A., CHRZANOWSKI K., USIDUS J. 2001. Zgłoszenia patentowe P-348681. Sposób i układ wytwarzania metanu, energii elektrycznej i cieplnej. WKTiR Zamość. KRYŁOWICZ A., CHRZANOWSKI K., USIDUS J. 2008. Wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej oraz paliw z biomasy. Biul. Tech.-Inf. 1 (40): 2-7. LEHTOMÄKI A. 2006. Biogas production from energy crops and crop residues. Copyright, by University of Jyväskylä. Academic dissertation, 163, pp. 91. MAJTKOWSKI W. 2006. Bioróżnorodność upraw energetycznych podstawą zrównoważonego rozwoju. Problemy Inżynierii Rolniczej 2: 25-36. MARKS M., NOWICKI J., NOWICKI M. 2006. Ocena energetyczna różnych sposobów zagospodarowania odłogu. Pam. Puł. 142: 289-295. NIEDZIÓŁKA I., ZUCHNIARZ A. 2006. Analiza energetyczna wybranych rodzajów biomasy pochodzenia roślinnego. Motorol 8A, 232 237. PISKIER T. 2006. Nakłady robocizny i koszty uprawy topinamburu. Problemy Inżynierii Rolniczej, 11: 359-365. PISKIER T. 2009. Potencjał energetyczny topinamburu. Problemy Inżynierii Rolniczej, 1: 133-136. PROŚBA-BIAŁCZYK U. 2007. Produkcyjność topinamburu (Helianthus tuberosus L.) w uprawie bez nawożenia. Fragmenta Agronomica, 4, 106-112. 6
PUŁA J., SKRZYPEK E., ŁABZA T., DUBERT F. 1999. Fluorescencja chlorofilu jako jeden ze wskaźników plonowania ziemniaka. Mat. Konf. Nauk. nt.: Ziemniak jadalny dla przetwórstwa spożywczego czynniki agrotechniczne i przechowalnicze warunkujące jakość. Radzików, 23-25.02: 110-122. ROGUSKA A., GRZYWACZEWSKA T. (RED.) 2008. Raport o stanie środowiska naturalnego województwa lubelskiego w roku 2008. BMŚ, Lublin. Wyd. Nauk. Gabriel Borowski, Lublin, ISBN 978-83-927530-1- 8. SAWICKA B. 2002. Efektywność stosowania herbicydów w uprawie Helianthus tuberosus L. Część II. Plon i struktura nadziemnych części roślin. Biul. IHAR 223/224: 397-414. SAWICKA B. 2004. Jakość bulw Helianthus tuberosus L. w warunkach stosowania herbicydów. Ann. UMCS E-49(3): 1245-1257. SAWICKA B., MICHAŁEK W. 2005. Evaluation and productivity of Helianthus tuberosus L. In the conditions of Central-East Poland. EJPAU 8(3), #42. Online: http://www.ejpau.media.pl/volume8/issue3/abs- 42.html SAWICKA B., MICHAŁEK W. 2008. Photosynthetic activity of Helianthus tuberosus L. depending on a soil and mineral fertilization. Polish Journal of Soil Science 41(2): 208-222. SCHREIBER U., NEUBAUER C., SCHLIWA U. 1992. PAM fluorometer based on medium frequency pulsed Xeflash measuring light: A highly sensitive new tool in basic and applied photosynthesis research. Photosynth. Res. 36, 65-72. ŠESTAK Z., ŠIFFEL P., 1997. Leaf age related differences in chlorophyll fluorescence. Photosynthetica, 33 (3-4), 347-369. SLASKI J.J., ARCHAMBAULT D.J., VIDMAR J.J., QUANDT J., ANYIA A.O. 2005. Jerusalem artichoke, a carbon sequestering alternative crop for bio-based energy and high-value compounds and materials. Proc. Capturing Canada s Green Advantage BIOCAP Conference: 56. SMILLIE C.R., NOTT R., HETHERINGTON S.E., OQUIST G. 1987. Chilling injury and recovery in detached and attached leaves measured by chlorophyll fluorescence. Physiol. Plant. 69, 419-427. STOLARSKI M., SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J. 2008. Biopaliwa z biomasy wieloletnich roślin energetycznych. Energetyka i Ekologia, 8(1): 77-80. SZAMBELAN K., NOWAK J., CHRAPKKOWSKA K.J. 2004. Comparison of bacterial and yeast etanol fermentation yield from jerusalem atrichoke (Helianthus tuberosus L.) tubers pulp and juices. Acta Sci. Pol. Aliment. 3(1), 45-53. TABIN S., WOŹNICA J. 1954. Skład chemiczny zielonej masy bulwy (Helianthus tuberosus L.) i kiszonek z niej sporządzonych. Annales UMCS E-9(19), 329-358. TABIN S., WOŹNICA J. 1959. Wartość pastewna zielonej masy bulwy (Helianthus tuberosus L.) i kiszonek z niej sporządzonych. Zesz. Probl. PNR 21, 369-380. VERHOEVEN A. S., DEMMIG-ADAMS B., ADAMS W. 1997. Enhanced employment of the xanthophylls cycle and thermal energy dissipation in spinach exposed to high light and N stress. Plant Physiol., 113, 817-824. ZARÓD J. 2006. Racjonalne zagospodarowanie odłogów i nieużytków w województwie zachodniopomorskim. [W:] Prace Naukowe nr 38. Zrównoważony i trwały rozwój wsi i rolnictwa, Wyd. SGGW, Warszawa: 225-231. 80.00 70.00 60.00 50.00 t. ha -1 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 Kulista Biała IHAR Kulista Czerwona IHAR Plon bulw - Tuber yield Swojecka Czerwona Albik Rubik Violet de Rennes NIR-LSD Plon cz. nadziemnych - Yield of the overground Rysunek 1. Plon świeżej masy bulw i części nadziemnych Helianthus tuberosus (średnia lat 1997-2007) Figure 1. The crop of fresh mass of tubers and aboveground part Helianthus tuberosus (the average years 1997-2007) 7
18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 t. ha -1 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 Kulista Biała IHAR Kulista Czerwona IHAR Swojecka czerwona Albik Rubik Violet de Rennes NIR-LSD Plon suchej masy bulw - Dry matter yield of tubers Plon suchej masy cz. nadziemnych - Dry matter yield of the overground Rysunek 2. Plon suchej masy bulw i części nadziemnych Helianthus tuberosus (średnia lat 1997-2007) Figure 2. The crop of the dry mass of tubers and part aboveground Helianthus tuberosus (the average years 1997-2007) 37.23% 0.87% 23.02% 16.63% 0.02% 6.37% Klasa I klasa II klasa III klasa IV klasa V klasa VI nieklasyfikowane 31.82% 7.06% Rysunek 3. Udział gleb użytków rolnych wg klas bonitacyjnych Figure 3. The part of the soils of agricultural uses according to soil quality classes Źródło: Rocznik statystyczny rolnictwa i obszarów wiejskich 2008 8
160.0 140.0 y = 0.1636x 4-4.056x 3 + 31.294x 2-80.463x + 134.88 R 2 = 0.7592 120.0 100.0 tys. ha 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Rysunek 4. Powierzchnia ugorów i odłogów w województwie lubelskim w latach 1997-2007 Figure 4. The surface of fallows and fallow lands in the lubelskie province in years 1997-2007 Źródło: Roczniki statystyczne rolnictwa i obszarów wiejskich, województwa lubelskiego, w latach 1997-2007 The source: Generations statistical agricultures and country areas, lubelskie province, in the years 1997-2007 Tabela 1. Parametry fluorescencji chlorofilu w liściach Helianthus tuberosus Table 1. Parameters of the fluorescence of the chlorophyll in leaves of Helianthus tuberosus Odmiany Biała K. IHAR Czerwona K. IHAR Swojecka Czerwona Albik Rubik Violet de Rennes Fv/Fm Fv /Fm PSII qp qn Średnio V* Średnio V Średnio V Średnio V Średnio Mean Mean Mean Mean Mean 0.649 15.76 0.171 22.25 0.785 19.88 0.642 21.69 0.200 0.644 15.65 0.170 22.08 0.779 19.73 0.637 21.52 0.199 0.556 13.50 0.147 19.06 0.672 17.03 0.550 18.58 0.172 0.558 16.70 0.164 22.31 0.694 21.72 0.566 22.60 0.147 0.609 14.80 0.161 20.89 0.737 18.66 0.603 20.36 0.188 0.609 14.70 0.160 20.86 0.735 18.64 0.600 20.33 0.186 NIR-LSD 0.05 0.032 0.008 0.037 0.029 0.009 Średnio Mean 0.604 15.19 0.162 21.24 0.734 19.27 0.600 20.85 0.182 53.87 *współczynnik zmienności variability coefficients [%] Tabela 2. Współczynniki korelacji plonu s.m. części nadziemnych Helianthus tuberosus i parametrów fluorescencji chlorofilu Table 2. Correlation coefficients of D.M. yield of overground part Helianthus tuberosus and the parameters of the fluorescence of the chlorophyll Fv/Fm Fv /Fm PSII qp qn Plon s.m. D.M yield Fv/Fm Fv /Fm PSII qp qn 1 0.769 1 0.989 0.854 1 0.991 0.847 0.999 1 0.907 0.433 0.837 0.845 0.843 0.991 0.912 0.905 V 56.52 56.09 48.41 56.14 53.06 53.01 Plon s.m. D.M. yield 1 0.539 1 Tabela3. Wskaźniki wydajności energetycznej masy nadziemnej Helianthus tuberosus (średnia lat 1997-2007) Table 3. The coefficients of the efficiency of the energetistic aboveground mass Helianthus tuberosus (average years 1997-2007) Odmiany Cultivars Biała Kulista IHAR Czerwona Kulista IHAR Swojecka Czerwona Albik Rubik Violet de Rennes Plon suchej masy nadziemnej Dry matter yield of the overground [t. ha -1 ] 9,08 9,01 7,78 8,55 8,53 8,52 Produkcja biometanu Biomethane production [m -3. ha] cieplnej heat [MW. ha -1 ] Produkcja energii Energy production elektrycznej electricity [MW. ha -1 ] Wartość opałowa Calorific value [GJ. ha -1 ] Średnio Mean 8,6 4718 47 15 154 4994 4957 4278 4704 4689 4687 50 49 43 47 47 47 16 16 14 15 15 15 163 162 140 154 153 153 9
10