Квак Володимир Михайлович. Оптимізація елементів технології вирощування міскантусу для виробництва біопалива в західній частині Лісостепу України : Квак Владимир Михайлович. Оптимизация элементов технологии выращивания мискантуса для производства биотоплива в западной части Лесостепи Украины Kvak Volodimir Mikhailovich. Optimization of elements in the technology of viroshuvannya miskantus for virobration biopaliva in the western part of Listep of Ukraine

Краткое описание

Квак Володимир Михайлович. Оптимізація елементів технології вирощування міскантусу для виробництва біопалива в західній частині Лісостепу України.- Дис. канд. с.-г. наук: 06.01.09, Нац. акад. аграр. наук України, Ін-т біоенерг. культур і цукр. буряків. - К., 2014.- 213 с. , рис.

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ БІОЕНЕРГЕТИЧНИХ КУЛЬТУР І ЦУКРОВИХ БУРЯКІВ

На правах рукопису

КВАК ВОЛОДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

УДК:633.282:631.559:620.952

ОПТИМІЗАЦІЯ ЕЛЕМЕНТІВ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОЩУВАННЯ
МІСКАНТУСУ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА БІОПАЛИВА В ЗАХІДНІЙ ЧАСТИНІ ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ

06.01.09 – рослинництво

Дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата сільськогосподарських наук

Науковий керівник
доктор сільськогосподарських наук, професор
Курило Василь Леонідович

Київ – 2014

ЗМІСТ
Стор.
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ ЕКОЛОГІЧНОЇ СИТУАЦІЇ, ХАРАКТЕРИСТИКА БІОЛОГІЧНИХ І БОТАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МІСКАНТУСУ ТА ЕЛЕМЕНТІВ ТЕХНОЛОГІЇ ЙОГО ВИРОЩУВАННЯ (Огляд літератури) 9
1.1. Енергетичні та екологічні передумови для досліджень 10
1.2. Історія розвитку культури 16
1.3. Ботанічна характеристика роду Miscanthus 19
1.4. Біологічні особливості росту і розвитку міскантусу 23
1.5. Елементи технології вирощування міскантусу та їх роль у формуванні врожаю 25
РОЗДІЛ 2. ПРОГРАМА, МЕТОДИКА ТА УМОВИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ 37
2.1. Ґрунтово-кліматичні умови проведення дослідів 37
2.2. Програма і методика проведення досліджень 43
2.3. Агротехнічні умови проведення дослідів 48
РОЗДІЛ 3. ОСОБЛИВОСТІ РОСТУ І РОЗВИТКУ РОСЛИН МІСКАНТУСУ ЗАЛЕЖНО ВІД ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРИЙОМІВ ВИРОЩУВАННЯ 51
3.1. Польова схожість ризомів міскантусу залежно від технологічних прийомів вирощування 51
3.2. Тривалість міжфазних періодів у рослин міскантусу залежно від строків садіння і глибини загортання ризомів та фону живлення 59
3.3. Зміна біометричних показників рослин міскантусу під впливом технологічних заходів 63
3.3.1. Динаміка росту і розвитку рослин міскантусу залежно від строків садіння та глибини загортання ризомів 63
3.3.2. Вплив густоти садіння та маси ризомів на ріст і розвиток рослин міскантусу 68
3.3.3. Зміна біометричних показників рослин міскантусу залежно від фону живлення 82
3.4. Площа листкової поверхні рослин міскантусу залежно від технологічних заходів вирощування 84
3.5. Чиста продуктивність фотосинтезу рослин міскантусу залежно від технологічних заходів вирощування 92
РОЗДІЛ 4. ФОРМУВАННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ РОСЛИН МІСКАНТУСУ ЗАЛЕЖНО ВІД ЕЛЕМЕНТІВ ТЕХНОЛОГІЇ ЙОГО ВИРОЩУВАННЯ 98
4.1. Динаміка накопичення сухих речовин рослинами міскантусу залежно від технологічних заходів вирощування 98
4.2. Динаміка надходження елементів живлення, їх винос урожаєм та коефіцієнти використання з добрив 101
4.3. Формування сухої маси рослин міскантусу залежно від фону живлення 107
4.4. Урожайність сухої маси міскантусу залежно від строків садіння та глибини загортання ризомів 110
4.5. Урожайність сухої маси міскантусу залежно від густоти садіння та маси ризомів 115
4.7. Технологічні показники якості біомаси та твердого біопалива 123
РОЗДІЛ 5. ЕКОНОМІЧНА ТА ЕНЕРГЕТИЧНА ОЦІНКА ВИРОЩУВАННЯ МІСКАНТУСУ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА БІОПАЛИВА 127
5.1. Економічна оцінка технологічних процесів вирощування міскантусу 128
5.2. Енергетична оцінка технологічних процесів вирощування міскантусу 132
ВИСНОВКИ 137
РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ 140
ДОДАТКИ 141
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 191

ВСТУП
Більшість європейських країн, зокрема і Україна, в останнє десятиліття починають усвідомлювати обмеженість викопних ресурсів та необхідність їх раціонального використання, тому швидкими темпами розпочали перебудову існуючої енергетики та диверсифікацію поставок енергоресурсів з використанням відновлювальних джерел енергії. Особлива увага приділяється вирощуванню і перероблянню біосировини та відходів органічного походження. Сьогодні у світі вирощують велику кількість високопродуктивних енергетичних культур, біомаса (надземна частина рослин) яких використовується для виробництва біопалива.
Створення власного джерела біоенергетичної сировини, розширення сировинної бази є важливим завданням для існуючих переробних підприємств України. Виробники біопалива для рентабельного виробництва вимушені мобілізувати та використовувати біомасу різного походження.
Багаторічні злакові культури є найбільш придатною сировиною для виробництва твердих видів біопалива і стають основою для біоенергетики в багатьох країнах світу. Вони здатні накопичувати велику кількість біомаси за рахунок фотосинтезу, що відбувається впродовж тривалого періоду – від ранньої весни до пізньої осені.
Органічна сировина та спеціально вирощена біомаса, яка може використовуватися для виробництва біопалива, має ряд особливостей, що відрізняються від традиційних викопних палив. Найбільш важливою паливно-енергетичною характеристикою сировини є її теплотворна здатність, яка залежить від ряду факторів: генетичних особливостей культури, вмісту целюлози, пектину, полімерних та фенольних смол; умов зберігання сировини; вологості.
Актуальність теми. У зв’язку з недостачею власних енергоресурсів для України є важливим створення власного відновлювального джерела енергії на основі вирощування рослинної біоенергетичної сировини на малопродуктивних та деградованих землях, які вилучені із сівозмін та не використовуються для вирощування сільськогосподарських культур.
Однією з перспективних культур для ґрунтово-кліматичної зони України, що вирощується як сировина для переробляння у тверде біопаливо, є міскантус. Однак, для промислового використання відсутня технологія його вирощування, яка була б адаптована для умов України.
Тому актуальною є тема розробляння, обґрунтування і впровадження у виробництво елементів технології вирощування міскантусу, як сировини для виробництва біопалива, яка має важливе наукове та народногосподарське значення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з завданням 0111U003124 «Розробити теоретичні основи зонального розміщення та адаптивних технологій вирощування нових видів фітоенергетичних культур» на 2011–2015 роки, що є складовою частиною програми наукових досліджень НААН України № 22 «Біоенергетичні ресурси».
Мета і завдання досліджень. Мета досліджень – підвищити продуктивність міскантусу на основі визначення особливостей росту і розвитку рослин, удосконалення та обґрунтування елементів технології його вирощування в умовах західної частини Лісостепу України для виробництва біопалива.
Для досягнення поставленої мети передбачалося вирішити такі завдання:
 визначити основні фактори підвищення продуктивності міскантусу як сировини для виробництва твердого біопалива;
 проаналізувати особливості росту і розвитку рослин у перший та наступні роки вегетації та формування врожаю надземної маси (біомаси) міскантусу залежно від ґрунтово-кліматичних умов вирощування;
 удосконалити та розробити елементи технології вирощування міскантусу з метою покращення умов для росту і розвитку рослин у перший та наступні роки вегетації, підвищення продуктивності для виробництва твердого біопалива;
 провести економічну і енергетичну оцінки ефективності вирощування міскантусу як багаторічної енергетичної культури для виробництва біопалива залежно від агротехнічних прийомів вирощування;
 обґрунтувати технологію вирощування міскантусу для виробництва твердого біопалива.
Об’єкт досліджень – процес формування продуктивності міскантусу на основі визначення закономірностей росту і розвитку рослин залежно від агротехнічних умов вирощування в умовах західної частини Лісостепу України.
Предмет досліджень – рослини міскантусу, ризоми (частина кореневищ), елементи технології та процеси механізованого вирощування міскантусу: строки садіння та глибина загортання, маса ризомів та густота їх садіння, норми внесення добрив.
Методи досліджень. Польовий – спостереження за ростом і розвитком рослин, формуванням урожайності, умовами зовнішнього середовища, оцінки агротехнічного та економічного ефектів досліджуваних факторів під час вирощування культури; вегетаційний – дослідження росту, розвитку та продуктивності рослин міскантусу залежно від норм мінеральних добрив; лабораторний – визначення хімічного складу листково-стеблової маси міскантусу (вміст азоту, фосфору, калію та зольність); вимірювально-ваговий – визначення вологості, твердості ґрунту на період садіння та для обліку врожайності; математично-статистичний – дисперсійний, кореляційний, регресійний, кількісний аналізи, оцінка достовірності експериментальних даних; розрахунково-порівняльний – для встановлення економічної ефективності та енергетичної оцінки удосконалених елементів технології вирощування.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше в умовах західної частини Лісостепу України встановлено залежності формування врожайності біомаси міскантусу від строків садіння та глибини загортання ризомів, густоти стояння рослин та маси ризомів, норми мінеральних добрив. Встановлено кореляційні зв’язки та визначено рівняння регресії між біометричними показниками рослин міскантусу. На основі результатів досліджень оптимізовано елементи технології вирощування міскантусу як сировини для виробництва біопалива. За результатами досліджень отримано три патенти України: № 75541 «Пристрій для садіння ризомів», № 76084 «Спосіб садіння ризомів міскантусу», № 76087 «Спосіб вирощування міскантусу», що стосуються вдосконалення технологічних процесів садіння та вирощування міскантусу.
Практичне значення одержаних результатів. На основі результатів досліджень для умов західної частини Лісостепу України виробництву рекомендовано оптимальні строки садіння та глибину загортання ризомів міскантусу, їх масу та густоту садіння, норми мінеральних добрив. Запропоновано удосконалену технологію вирощування міскантусу для виробництва біопалива.
Виробнича перевірка результатів досліджень була проведена в 2011–2013 роках у ТзОВ «Інтубус» Борщівського району Тернопільської області.
Особистий внесок здобувача. Автором узагальнено світову та вітчизняну наукову літературу за темою дисертаційної роботи. За його безпосередньою участю визначено мету і завдання досліджень, складено програми й методики досліджень, особисто закладенно й проведенно польові, вегетаційні, лабораторні й виробничі досліди, статистично опрацьовано результати досліджень, проведено їх аналіз, підготовлено й написано звіти та публікації за темою дисертації. Автором також розраховано економічну та енергетичну оцінки, сформульовано висновки і рекомендації виробництву.
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень оприлюднено та обговорено на Міжнародній конференції «Енергозбереження та альтернативні джерела енергії: проблеми і шляхи їх вирішення» (2–3 березня 2010 р., Полтава); Міжнародній науково-практичній конференції «Енергоефективність» (19–21 жовтня 2010 р., Київ); Всеукраїнській науковій конференції молодих учених (10–11 березня 2011 р., Умань); Першій міжнародній науково-практичній конференції «Біоенергетика: вирощування біоенергетичних культур, виробництво та використання біопалива» (25–26 жовтня 2011 р., Київ); Міжнародній науково-технічній конференції «Земля України – потенціал енергетичної та екологічної безпеки держави» (2–4 квітня 2012 р., Вінниця); Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених «Новітні технології вирощування сільськогосподарських культур» (6 квітня 2012 р., Київ); Міжнародній науково-практичній конференції молодих учених і спеціалістів, присвяченій 100-річчю від дня народження видатного вченого В. П. Васильєва «Стан та перспективи розвитку захисту рослин» (2–3 квітня 2013 р., Київ).
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 13 наукових праць, з них 10 статей у наукових журналах і збірниках наукових праць фахових видань за переліком ДАК України, 3 патенти України.
Структура і обсяг роботи. Дисертація викладена на 213 сторінках машинописного тексту і складається зі вступу, п’яти розділів, які містять 29 таблиць і 32 рисунки, висновків, рекомендацій виробництву, 6 додатків, списку використаної літератури, що містить 210 найменувань, з яких 53 латиницею.

Список литературы

ВИСНОВКИ
1. У дисертаційній роботі наведено результати експериментальних та теоретичних досліджень із вивчення особливостей росту, розвитку та продуктивності міскантусу залежно від агротехнічних умов вирощування: строків садіння і глибини загортання, маси та густоти садіння ризомів міскантусу, норми внесення мінеральних добрив. Викладено науково-обґрунтовані розробки елементів технології вирощування міскантусу, що забезпечують формування високих урожаїв біомаси в умовах західної частини Лісостепу України для виробництва твердих видів біопалива.
2. Встановлено, що найвища польова схожість 78% досягається за садіння ризомів на глибину 8…10 см одночасно з настанням фізичної стиглості ґрунту. Запізнення із садінням на 5–8 діб і більше, порівняно до оптимального строку садіння, призводить до зниження польової схожості на 5,4% і більше.
3. За садіння міскантусу в перший строк (І–ІІ декада квітня) збільшується тривалість міжфазних періодів. У результаті чого збільшується тривалість вегетаційного періоду і становить 150 діб, тоді, як за другого строку (ІІ–ІІІ декада квітня) цей показник був меншим на 3 доби, за третього (І декада травня) – на 8 діб. Така ж тенденція спостерігалась на варіантах із внесенням мінеральних добрив. Тривалість вегетаційного періоду збільшується з кожною наступною нормою (N40P15K60; N80P30K120; N120P45K180) відповідно на 1; 3; 4 доби порівняно до контролю.
4. Рослини міскантусу в перший рік вегетації формують спочатку більшу підземну масу, а потім надземну. Збільшення густоти садіння від 10 до 25 тис. шт. / га призводить до зменшення маси кореневищ від 637 до 471 г. Збільшення маси ризомів від 20…30 г до 90…120 г сприяє збільшенню маси кореневищ – від 471 до 664 г.
5. Висота головного пагона рослин першого року вегетації за першого строку садіння становила 136 см, з кожним наступним строком садіння знижувалась на 3…5 см. Кількість пагонів за першого строку становила 11,2 шт., а за другого і третього – відповідно 9,1 та 8,1 шт. Збільшення глибини загортання ризомів від 6 см до 10 см сприяло збільшенню кількості пагонів від 9,2 до 10,0 шт.
6. Загущеність насаджень від 10 до 25 тис. шт. / га призводить до збільшення висоти головного пагона від 130 до 160 см, а кількість пагонів навпаки знижується від 11,4 до 9,4 шт. Збільшення маси ризомів від 20…30 г до 90…120 г сприяло збільшенню кількості пагонів – від 9,4 до 11,2 шт. За збільшення норми добрив від N40P15K60 до N120P45K180 кількість пагонів на період збирання збільшується в середньому від 5,9 шт. до 10,1 шт.
7. Максимальну площу асиміляційної поверхні листків у перший рік вегетації (8,3 тис. м2/га) рослини міскантусу формували у вересні за густоти стояння 25 тис.шт./га та маси ризомів 90…120 г, що більше на 1,0; 3,2 та 4,6 тис. м2/га порівняно із густотою 20; 15 та 10 тис.шт./га відповідно.
8. Найбільшу чисту продуктивність фотосинтезу отримано у вересні у варіанті першого строку садіння за глибини загортання ризомів 10 см, яка становила 6,72 г/м2 за добу. Збільшення маси ризомів сприяло зростанню чистої продуктивності фотосинтезу від 6,09 г/м2 за добу за маси ризомів 20…30 г до 6,38 г/м2 за добу за маси ризомів 90…120 г.
9. Урожайність сухої біомаси міскантусу і вихід енергії збільшуються завдяки садінню ризомів у ранні строки на глибину загортання 8…10 см і становили 1,7; 9,1 та 12,9 т/га і 31,8; 170,2 та 241,2 ГДж відповідно у перший, другий та третій роки вирощування.
10. За результатами досліджень встановлено, що для вирощування біосировини міскантусу за раціональних затрат коштів і енергії оптимальними параметрами садіння є: густота рослин 15 тис. / га (схема садіння 70х90 см), маса ризомів 30…60 г, норма мінеральних добрив N40P15K60, що забезпечило урожайність сухої маси 17 т/га.
11. За удосконаленої технології вирощування міскантусу порівняно з традиційною собівартість сухої біомаси, зібраної за три роки, знижується від 127,32 до 88,72 грн./т, умовно чистий прибуток збільшився від 422,68 до 461,28 грн./т, а рівень рентабельності – від 332,0 до 519,9%, а за 15 років знижується від 226,93 до 153,57 грн., умовно чистий прибуток збільшується від 323,07 до 396,43 грн./т, рівень рентабельності – від 141,37 до 258,15%.
12. За результатами енергетичного розрахунку встановлено, що коефіцієнт енергетичної ефективності за удосконаленої технології вирощування порівняно з традиційною збільшується за 3 роки від 8,2 до 13,3, а за 15 років – від 35,5 до 54,9.