PERFORMANCE POTENTIAL OF SPECIES OF MISCANTUS ANDRESS GENUS AND PROSPECTS OF ITS CULTIVATION IN PRIMORSKY KRAI

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВИДОВ РОДА МИСКАНТУС (MISCANTHUS ANDERSS) И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ВОЗДЕЛЫВАНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ ПРИМОРСКОГО КРАЯ

Научная статья

Берсенева С.А.^1, * Ивлева О.Е.², Маслова А. О. ³

¹ ORCID: 0000-0001-9109-8063;

² ORCID: 0000-0001-8685-3634;

^{1, 2, 3} Приморская ГСХА, г. Уссурийск, Россия

* Корреспондирующий автор (svshatal[at]mail.ru)

Аннотация

В настоящей работе представлено научно-теоретическое обоснование перспектив интродукции и выращивания видов рода мискантус (Miscanthus Anderss) на территории Приморского края с целью изучения особенностей формирования высокопродуктивных агроценозов в качестве экономически выгодного возобновляемого источника технических ресурсов. Особенности географического положения Приморского края и его агроклиматические ресурсы позволяют выращивать мискантус в производственных масштабах, так как в дикой флоре края представители этого рода благоприятно переносят специфический муссонный климат изучаемого региона.

Мискантус характеризуется высокой продуктивностью, устойчивостью к неблагоприятным факторам среды, отличается устойчивым фитопатологическим состоянием, что позволяет расширить зону его возделывания как возобновляемого источника топлива, целлюлозосодержащего сырья, источника хлорофилла.

Так же, интродукция мискантуса позволит сельскохозяйственным предприятиям расширить ассортимент культурной флоры региона новым биоэнергетическим растением, которое может стать альтернативой природному газу и дровам для домашнего отопления при использовании, например, в виде пеллет (топливных гранул).

Ключевые слова: мискантус, техническая культура, агротехника возделывания, интродукция растений, возобновляемый источник сырья.

PERFORMANCE POTENTIAL OF SPECIES OF MISCANTUS ANDRESS GENUS AND PROSPECTS OF ITS CULTIVATION IN PRIMORSKY KRAI

Research article

Berseneva S.A.^1, * Ivleva O.E.², Maslova A.O.³

¹ ORCID: 0000-0001-9109-8063;

² ORCID: 0000-0001-8685-3634;

^{1, 2, 3} Primorskaya State Academy of Agriculture, Ussuriysk, Russia

*Corresponding author (svshatal[at]mail.ru)

Abstract

This work presents the scientific and theoretical justification of the prospects for the introduction and cultivation of the species of Miscanthus genus (Miscanthus Andress) in the Primorsky Krai to study the formation of highly productive agrocenoses as an economically viable renewable source of technical resources. The geographical location of the Primorsky Krai and its agroclimatic resources make it possible to grow miscanthus commercially since the representatives of this genus favorably tolerate the specific monsoon climate in the wild nature of this region.

High productivity, resistance to adverse environmental factors, and a stable phytopathological state – these are the main features of Miscanthus, which allow expanding the area of its cultivation as a renewable fuel source, as a cellulose-containing raw material, and a source of chlorophyll.

Besides, the introduction of Miscanthus will allow agricultural enterprises to expand the range of cultural flora of the region with a new bioenergy plant, which can become an alternative to natural gas and wood for home heating when used, for example, in the form of pellets (fuel pellets).

Keywords: miscanthus, industrial culture, agricultural farming, plant introduction, renewable source of raw materials.

Введение

Природная флора Приморского края насчитывает 2750 видов сосудистых растений из 875 родов и 173 семейств, из которых 559 видов на российском Дальнем Востоке (РДВ) встречаются только на территории Приморья (специфические виды). Это самый высокий показатель среди административных подразделений РДВ как по общему уровню богатства флоры, так и по степени его видовой специфичности.

Небольшой род Miscanthus Anderss, относящийся к семейству Злаковых содержит около 40 видов. Это высокие многолетние травянистые растения, распространенные преимущественно в тропических и субтропических зонах Азии, Африки и Австралии. В России этот род представлен 3 видами, а на территории Приморского края - 2 восточно-азиатскими видами, натуральными местами происхождения которых является территория Японии, Южных Курил, Манджурии, Кореи, Таиланда, Полинезии и Восточного побережья США. В диком виде виды рода веерник: Miscanthus sinensis Anderss и M. sacchariflorus (Maxim.) Honda. характерены для лугов и кустарников, эти виды распространены и на японских островах [8].

Результаты исследований

Анализ литературных данных по вопросу использования мискантуса как технической культуры, показывает, что представители этого рода - многолетние травянистые растения, содержащие до 50% целлюлозы, поэтому, их выращивание позволяет сохранить леса, на восстановление которых требуется более 70 лет [6], [7]. Внедрение указанной технической культуры в агрофитоценозы позволяет решить одну из задач, поставленную Президентом РФ в Указе от 07 мая 2018 г. № 204 при разработке национальных целей и стратегических задач развития Российской Федерации на период до 2024 года в сфере экологии и касающуюся сохранения лесов [4].

В России Miscanthus sp. рассматривают как перспективное целлюлозосодержащее сырье для производства целлюлозы и продуктов ее химической модификации.

Согласно исследованиям Будаевой В.В., Сакович Г.В [1] целлюлоза (от 40 до 60%) с ее уникальной структурой повторения β-D-глюкопиранозных молекул, формирующих каркас, является главным ресурсом для большинства производств биоматериалов и биотоплива; гемицеллюлозы (от 20 до 40%) являются матричным веществом, состоящим из различных полисахаридов; лигнин (от 10 до 30 %) обеспечивает жесткость и целостность структуры.

Содержание целлюлозы в составе стебля видов рода Miscanthus Anderss позволяют сделать вывод о том, что независимо от места произрастания и возраста растения, стебель изучаемых видов, характеризуется большим содержанием целлюлозы и меньшим содержанием нецеллюлозных компонентов. Исключением являются пентозаны (нецеллюлозный компонент), которые преобладают в стебле [4].

Целлюлозные волокна  - главный составной компонент растительных клеток, хорошо набухают в воде, они способны фибриллироваться на более мелкие волокна (фибриллы и микрофибриллы), имеют высокую прочность, и стойкость к воздействию температуры и химических веществ, легко диспергируются в воде и образуют прочную межволоконную связь между собой в бумажном листе. Целлюлозное волокно  обладает способностью хорошо смачиваться водой [5].

Указанные свойства структурной организации стеблей мискантуса, особенности морфологической организации - прямостоячие голые, гладкие стебли, его физиологические особенности, позволяют представителям изучаемого рода быть использованными в производстве кассет или лотков в гидропонических системах.

Химическая природа стеблей мискантуса, как источника высококачественной целлюлозы, позволяет использовать его для изготовления картона и изделий, широко используемых в быту: одноразовая бумажная посуда, ручки, писчая бумага, тиссью (бумага санитарно-гигиенического назначения). То есть эта целлюлоза способна заменить неэффективно используемую древесную целлюлозу, и перспективы её потребления из мискантуса увеличиваются [2].

В настоящее время в мире производится 75 миллионов тонн пластика, 12 из которых попадают в окружающую среду. Согласно расчетам, к 2050 году в мировом океане пластика будет больше, чем рыб по биомассе. Чтобы этого избежать, такие изделия можно производить из биодеградируемого пластика, разлагающегося в течение полутора месяцев. Сырьем для его изготовления является мискантус, заменяющий лиственные породы [2]. Целлюлоза мискантуса дает короткое волокно, гарантирующее четкий прострел в тренировочных мишенях стрелков и спортсменов, баллистический порох из нитратов целлюлозы, а главное - биоэтанол и бактериальную наноцеллюлозу [1].

Особое свойство мискантуса выделять значительное количество энергии позволяет использовать его для изготовления высококачественного энергетического продукта – биопеллет. Мискантус также эффективно используется в качестве компостного материала, кормовой биодобавки, экологического строительного материала - биобетона [10].

Мульча мискантуса очень эффективна в предотвращении роста сорняков и защитой от них. Чрезвычайно устойчива по отношению к ветровой и водной эрозии, она также имеет очень высокий уровень удержания воды, ограничивая испарение в жаркую погоду. Мискантус крайне неприхотлив и не требует особого ухода [9].

Нами, в период с 2017 по 2019 год были проведены исследования по использованию мискантуса в качестве альтернативного источника производства лотков (кассет) для гидропонических систем, так как повышенная влажность и постоянное освещение в условиях гидропоники приводит к интенсивному росту зеленых водорослей, в т.ч. хлореллы, что отрицательно сказывается на процессах роста культур и эстетичности оборудования и расходных материалов.

В ноябре 2017 года в рамках международного сотрудничества между Университетом Чиба (Япония) (далее - Chiba University) и федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования «Приморская государственная сельскохозяйственная академия» (далее - ФГБОУ ВО Приморская ГСХА), группа обучающихся и преподавателей Академии находилась на стажировке в Японии в Институте садоводства и земледелия. В ходе стажировки нами было внесено предложение о замене пенопластовых лотков и кассет, которые используются в гидропонических системах на лотки, изготовленные из стеблей растений рода Miscanthus Andress, который повсеместно произрастает на территории Японии [10].

 Виды рода Miscanthus sp. обладают хорошей урожайностью сухой биомассы, засухоустойчивостью и зимостойкостью, быстрым ростом (относится к группе растений продуктивного С4-фотосинтеза, что обеспечивает высокую урожайность), неприхотливостью к агрохимическим и физическим показателям почв.

Процессы интродукции и введения мискантуса в культуру значительно зависят от природно-климатических условий, особенно в первый год возделывания. Выращивание мискантуса возможно на неплодородных или маргинальных землях, поскольку он не создает конкуренцию традиционным сельскохозяйственным культурам, что предусмотрено доктриной продовольственной безопасности [3]. В связи с этим, для расширения зоны возделывания мискантуса необходимо, в первую очередь, изучить возможность выращивания интродуцента в условиях муссонного климата и определить продуктивность в различные годы жизни травостоя.

На территории России активный процесс интродукции мискантуса, как технической культуры, начался с 2000 годов. Комплексного изучения процесса интродукции и введения исследуемого растения в культуру на территории Приморского края и Дальнего Востока, в целом, не проводилось. Научных исследований в области агротехнологий и агроэкологических испытаний не зафиксировано. Изучение особенностей формирования высокопродуктивных агроценозов в качестве экономически выгодного возобновляемого источника технических ресурсов, ранее не производились. Мискантус как техническая культура не числиться в культурных посадках агропромышленных предприятий изучаемого региона и Дальнего Востока, в целом.

В марте 2020 года по инициативе японской компании JSN Co., LTD заключено сотрудничество с ФГБОУ ВО Приморская ГСХА в области проведения научных исследований по агроэкологическому испытанию сортов рода мискантус на территории Приморского края. Основная цель проекта – интродукция в культуру представителей рода мискантус и проведение агроэкологических исследований мискантуса на территории Приморского края.

Научная и практическая значимость исследований - изучить биологические особенности роста, фенологию мискантуса, определить потенциальную урожайность и качество зеленой массы, на основе полученных данных дать оценку целесообразности возделывания мискантуса в условиях Приморского края в качестве экономически выгодного возобновляемого источника технических ресурсов.

09.05.2020 года на территории учебно-опытного поля ФГБОУ ВО Приморская ГСХА были произведены посадки мискантуса сахаристого корневищами - ризомами (см. рисунок 1) на глубину заделки посадочного материала – 15 см. широкорядным способом высаживания с расстоянием междурядий 70 см., что связано с большой густотой посадок, которая может привести к потере урожая. Норма высадки в расчете на 1 га - 15 000 ризом.

 

Рис. 1 – Посадка мискантуса сахаристого (Miscanthus sacchariflorus (Maxim.) Honda.) 09.05.2020 г.

 

Посадочный материал для проведения исследований был любезно предоставлен компанией JSN Co., LTD. Длина ризом, используемых в посадке составляла от 6 до 15 см. и массой от 20 до 55 грамм. Посадочный материал имел по 2-4 крупные хорошо развитые зачаточные почки. На ризомах сохранились прошлогодние придаточные и зародышевые корни, которые образовались на подземных узлах надземных побегов, на узлах корневищ и ползучих надземных побегов (см. рисунок 2).

 

Рис. 2 – Посадочный материал (ризомы) мискантуса сахаристого (Miscanthus sacchariflorus (Maxim.) Honda.)

Образующиеся при делении корневищ мелкие ризомы, имеющие как крупные, так и мелкие зачаточные почки, высаживали по 1-2 штуки в лунку не позднее 8 часов после процедуры деления, а также, с учетом требований, во избежание повреждений, высыханий ризом и длительного их нахождения на солнце. Предварительно посадочный материал замачивали в воде на 4 часа.

Согласно рекомендаций, посадку ризом осуществляли на поле после сои, которая позволяет избежать толстого слоя растительных остатков и обеспечить почву азотом.

Посевные площади полностью были обработаны перед высадкой (прокультивированы на глубину, 10-12 см) для лучшей защиты почвы и предупреждения разрастания сорняками.

Первые всходы мискантуса зафиксированы 4.06.2020 года (см. рисунок 3), при этом, дополнительно проведен анализ засоренности всходов.

 

Рис. 3 – Всходы мискантуса сахаристого (Miscanthus sacchariflorus (Maxim.) Honda.) и их засоренность а)- 04.06.2020; б)- 15.06.2020

 

Анализ литературы позволил установить, что на протяжении первого года вегетации, мискантус чувствителен к сорнякам и в связи с разряженной посадкой необходимо проведение 2-х - 3-х кратной межрядной обработки для борьбы с сорняками. Для достижения высококачественного урожая необходимо контролировать сорняки на молодых плантациях.

В связи с тем, что мискантус сахарный является новой культурой для Дальневосточного региона и выращивается на ограниченном количестве площади, в особых агроклиматических условиях Приморского края, вопрос борьбы с сорняками в посадках и применение специфического гербицида на данном этапе не разработан. При этом, установлено, что в настоящее время не существует разработанных коммерческих препаратов для борьбы с вредителями видов рода мискантус ни в США, ни в Европе.

Проводимые агробиологические исследования возделывания видов рода мискантус на территории Приморского края, позволяют провести дополнительные исследования в области применения специфических препаратов борьбы с сорняками и вредителями.

Заключение

Сегодня мискантус - это одна из многообещающих биоэнергетических культур не только в Европе, Америке, но, и, во всем мире, в целом. Это связано с его высокой устойчивостью к холодам, ограниченной влажности, способности расти на маржинальных землях и выдерживать наводнения, способности давать высокие урожаи.

Технология посадки имеет основной ограничитель использования мискантуса: недостаточное количество посадочного материала. Найти качественный посадочный материал с известным генетическим происхождением очень тяжело практически в любой стране мира. Сегодня перечень поставщиков посадочного материала мискантуса невелик.

Для производственных посадок видов рода мискантус на территории Приморского края при отсутствии единой технологии по его возделыванию, необходимо дополнительно изучить вопросы получения посадочного материала мискантуса путем клонирования на безвирусной основе (in vitro) в условиях лаборатории биотехнологий ФГБОУ ВО Приморская ГСХА, особенности технологии культивирования и борьбы с сорняками и вредителями исследуемой культуры.

Работа по агроэкологическому испытанию мискантуса сахаристого будет проведена с учетом поставленной цели, задач и особенностей технологического процесса возделывания культуры в специфических агроклиматических условиях Приморского края для решения вопроса целесообразности и перспектив его интродукции.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Будаева В.В. Показатели качества целлюлозы, полученной азотнокислым способом в лабораторных и опытно-промышленных условиях из мискантуса /В.В. Будаева, Ю.А. Гисматулина, В.Н. Золотухин, Г.В. Сакович, С.Г. Вепрев, В.К. Шумный // Ползуновкий вестник. 2013. № 3. С. 162-168.
2. Гисматулина Ю.А. Особенности целлюлоз из различных морфологических частей мискантуса сорта Сорановский / Ю.А. Гисматулина, В.В. Будаева, С.Г. Вепрев, Г.В. Сакович, В.К. Шумный // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2014. Т. 18. №3. С. 553-562.
3. Гущина В.А. Особенности роста и развития интродуцента мискантуса гигантского (Miscanthus giganteus) в условиях лесостепи Среднего Поволжья/ В.А. Гущина, А.А. Володькин, Н.И. Остробородова, Н.Д. Агапкин, А.В. Летучий // Аграрный научный журнал. 2018. № 1. С. 10-13.
4. Гущина В.А. Гидротермические условия возделывания мискантуса гигантского при интродукции в Среднем Поволжье / В.А.Гущина, Н.И.Остробородова, А.А.Володькин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2019. №3(55). С. 50-57.
5. Денисова М.Н. Исследование структур мискантуса, гидротропной целлюлозы и нитратов, полученных из нее // Химия растительного сырья, 2012.- № 4.- С.19-27
6. Елоева Р.К. Перспективы использования альтернативных источников энергии в сельском хозяйстве / Р.К. Елоева, И.Х. Есенов //Известия Горского ГАУ. 2014. Т. 51. №3. С. 193-196.
7. Капустянчик С.Ю. Особенности развития и формирования биомассы мискантуса в лесостепи новосибирского Приобья / С.Ю. Капустянчик // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 12. С. 28-31.
8. Сосудистые растения советского Дальнего Востока: Плауновидные, Хвощевидные, Папоротниковидные, Голосеменные, Покрытосеменные (Цветковые): в 8 т./ отв. ред. С. С. Харкевич. — Л. : Наука, 1985. - Т. 1 / ред. тома Н. Н. Цвелёв. - 398 с. - 2000 экз.
9. Шумный В.К. Новая форма Мискантуса китайского (Веерника китайского Miscanthus sinensis - Anders) как перспективный источникцеллюлозосодержащего сырья/ В.К. Шумный// ИнформационныйвестникВОГиС. 2010. Т. 14, №1. С. 122-126.
10. Berseneva S.A. The use of plants on the example of genus Miscanthus Andress in the manufacture of trays for hydroponic systems/ S.A. Berseneva, D.V. Druzhechkova/ Materials of the International Conference «Scientific research of the SCO countries: synergy and integration» - Reports in English. Part 3 (April 9, 2019. Beijing, PRC) – 2019.- P. 184-191

Список литературы на английском языке / References in English

1. Budaeva V.V. Quality indicators of cellulose obtained by nitrate method in laboratory and experimental-industrial conditions from miscanthus/V.V. Budaeva, Yu.A. Gismatulina, V.N. Zolotukhin, G.V. Sakovich, S.G. Veprev, V.K. Shumny//Polzunovsky bulletin. 2013. № 3. P. 162-168. [in Russian]
2. Gismatulina Yu.A. Features of pulp from various morphological parts of the Soranovsky/Yu.A. Gismatulina, V.V. Budaeva, S.G. Veprev, G.V. .V.. Sakov. 2014. Vol. 18. №. 3. P. 553-562. [in Russian]
3. Gushchina V.A. Features of the growth and development of the introduction of giant miscanthus (Miscanthus giganteus) in the forest-steppe of the Middle Volga region/V.A. Gushchina, A.A. 2018. № 1. P. 10-13. [in Russian]
4. Gushchina V.A. Hydrothermal conditions for the cultivation of giant miscanthus at the introduction in the Middle Volga region/V.A. Gushchina, N.I. Ostroborodova, A.A. Volodkin//Izvestia Nizhnevolzhsky agricultural 2019. № 3 (55). P. 50-57. [in Russian]
5. Denisova M.N. Study of structures of miscanthus, hydrotropic cellulose and nitrates obtained from it//Chemistry of plant raw materials, 2012.- № 4.- P.19-27. [in Russian]
6. Yeloeva R.K. Prospects for the use of alternative energy sources in agriculture/R.K. Yeloeva, I.K. Yesenov//Izvestia Gorsky GAU. 2014. Vol. 51. №. 3. P. 193-196. [in Russian]
7. Kapustyanchik S.Yu. Features of the development and formation of miscanthus biomass in the forest-steppe of the Novosibirsk Priobye/S.Yu. Kapustyanchik//Achievements of science and technology of the agro-industrial complex. 2017. T. 31. №. 12. P. 28-31. [in Russian]
8. Vascular plants of the Soviet Far East: Plaunoid, Coniferous, Fern-shaped, Golosemenny, Plaunsemeny (Flower): in 8 vols/otv. ed. S. S. Kharkevich. - L.: Science, 1985. - Vol. 1/ed. Volumes N. N. Tsvelev. - 398 p. - 2000 copies. [in Russian]
9. Noisy V.K. The new Miskantusa form Chinese (Veernika of the Chinese Miscanthus sinensis - Anders) as perspective istochniktsellyulozosoderzhashchy raw materials / Century. K. Shumny//InformatsionnyyvestnikVOGiS. 2010. Vol. 14, N. 1. P. 122-126. [in Russian]
10. Berseneva S.A. The use of plants on the example of genus Miscanthus Anderss in the manufacture of trays for hydroponic systems/ S.A. Berseneva, D.V. Druzhechkova/ Materials of the International Conference «Scientific research of the SCO countries: synergy and integration» - Reports in English. Part 3 (April 9, 2019. Beijing, PRC) – 2019.- P. 184-191