歴史
Panicum virgatum
一般的にスイッチグラスとして知られているパニカム・バーガタムは、北アメリカ原産の多年生の暖かい季節のバンチグラスであり、カナダの北緯55°からアメリカおよびメキシコに自然に発生します。スイッチグラスは、北アメリカ中央部のトールグラス草原の主要な種の1つで、残りの草原、在来の牧草地で見られ、道路沿いに帰化することができます。主に土壌保全、飼料生産、狩猟用カバー、観賞用草、植物修復プロジェクト、繊維、電気、熱生産、大気二酸化炭素の生物隔離、さらに最近ではエタノールとブタノールのバイオマス作物として使用されています。
スイッチグラスの他の一般的な名前には、トールパニックグラス、ウォブスクアグラス、ブラックベント、トールプレリーグラス、ワイルドレッドトップ、サッチグラス、バージニアスイッチグラスが含まれます。
説明
スイッチグラスは丈夫で根が深く、多年生の根茎草で、春の終わりに成長を始めます。高さ2.7 m（8 ft 10 in）まで成長できますが、通常は大きなブルーステムグラスやインディアングラスよりも短くなります。葉の長さは30〜90 cm（12〜35インチ）で、目立つ中骨があります。 SwitchgrassはC4カーボン固定を使用しており、干ばつや高温の条件下で有利です。その花にはよく発達した穂があり、多くの場合最大60 cmの長さで、種子が豊富にあります。種子の長さは3〜6 mm、幅は最大1.5 mmで、一輪の花のspike花から発育します。両方の接着剤が存在し、よく発達しています。熟したとき、種子は時々ピンクまたは鈍い紫色の色合いを帯び、秋の植物の葉で黄金色に変わります。 Switchgrassは多年生および自播の両方の作物であるため、農家は毎年の収穫後に植えて再播種する必要はありません。スイッチグラススタンドは、一度設置されると10年以上存続できます。トウモロコシとは異なり、スイッチグラスは周辺の土地で育つことができ、比較的控えめなレベルの化学肥料を必要とします。全体として、農地からバイオエネルギーを生産するための資源効率の良い低投入作物と考えられています。
生息地
北米の大部分、特に米国中西部の大草原は、かつてスイッチグラス、インディアングラス（ Sorghastrum nutans ）、東部のガマグラス（ Tripscum dactyloides ）、大きなブルーステム （ Andropogon gerardi ）、小さなブルーステムを含む原生草の広大な草地の主要な生息地でした（ Schizachyrium scoparium ）およびその他。ヨーロッパの開拓者が大陸の西に広がり始めたとき、在来の草は耕され、土地はトウモロコシ、小麦、オート麦などの作物に変換されました。フェスク、ブルーグラス、オーチャードグラスなどの導入された草も、牛の干し草や牧草として使用するために在来の草に取って代わりました。
分布
Switchgrassは多用途で適応性のある植物です。多くの気象条件、生育期間の長さ、土壌の種類、土地の状態で成長し、繁栄することさえできます。その分布は、サスカチュワン州からノバスコシア州までの緯度55°Nの南、ロッキー山脈の東の米国の大部分の南、さらにメキシコの南に広がっています。暖かい季節の多年生草として、その成長の大部分は春の終わりから初秋にかけて起こります。寒い月には休眠状態になり、非生産的になります。したがって、北の生息地での繁殖期は3か月と短い場合がありますが、生息地の南の範囲では、湾岸地域周辺での生育期は8か月に及ぶ場合があります。
スイッチグラスは多様な種であり、植物の間には著しい違いがあります。この多様性は、おそらく種が大陸全体に広がるにつれて、進化と新しい環境への適応を反映しており、繁殖プログラムにさまざまな価値ある特性を提供します。 Switchgrassには、2つの異なる形態、または「細胞型」があります。バイオマスをより多く生成する傾向がある低地品種と、一般的に北部起源で耐寒性が高いため、通常北部地域で好まれる高地品種です。高地のスイッチグラスタイプは一般に、低地タイプよりも短く（高さ2.4 m以下）、粗さが少ない。低地の栽培品種は、有利な環境で2.7 m以上に成長する場合があります。高地および低地の両方の品種は、根が深く（1.8m以上、良好な土壌で）、根茎が短い。高地タイプはより活発な根茎を持つ傾向があるので、低地品種はバンチグラスの習慣を持っているように見えるかもしれませんが、高地タイプはより芝を形成する傾向があります。低地の栽培品種は、形態がよりプラスチックに見え、林分が薄くなるか、広い列に植えられた場合、より大きな植物を生産し、高地の栽培品種よりも水分ストレスに敏感であるようです。
ネイティブプレーリーでは、スイッチグラスは、ビッグブルーステム、インディアングラス、リトルブルーステム、シデアオイグラマ、イースタンガマグラス、およびさまざまなフォーブ（ヒマワリ、ゲイフェザー、プレーリークローバー、プレーリーコーンフラワー）など、いくつかの他の重要なネイティブトールグラスプレーリー植物と関連して歴史的に発見されています。これらの広く適応したトールグラス種は、かつて何百万ヘクタールを占めていました。
グランチャコでのスイッチグラスの栽培適性は、アルゼンチンの国立農業技術研究所（INTA）によって研究されています。
設立と管理
スイッチグラスは、トウモロコシの生産には侵食性の高い土地や、一般に他の農作物の低収量を生み出す湿った地域の砂質および砂利質の土壌を含む、row作物の生産に適さないと考えられる土地で栽培できます。すべての状況でスイッチグラスを確立する単一の方法を提案することはできません。作物は不耕起と従来の耕起の両方で確立できます。多様な混合物の一部として播種する場合、保全植林のための暖季型牧草混合物の植栽ガイドラインに従う必要があります。バイオエネルギーまたは保全植林のためのスイッチグラスの栽培と管理に関する地域のガイドラインが利用可能です。いくつかの重要な要因により、スイッチグラスを確立する成功の可能性が高まります。これらは次のとおりです。
- 春に土壌が十分に暖まった後、スイッチグラスを植えます。
- 発芽性の高い種子を使用し、0.6〜1.2 cmの深さ、または砂質土壌に最大2 cmの深さに植えます。
- 播種前と播種後の両方で土を詰めたり固めたりします。
- 競争を最小限に抑えるために、植え付け時に施肥を行わない。
- 化学的および/または文化的防除法による雑草の防除。
草刈りと適切にラベル付けされた除草剤は、雑草の抑制に推奨されます。化学雑草防除は、樹木を植える前または植える前または後に秋に使用できます。雑草は、成長しているスイッチグラスの高さのすぐ上で刈り取らなければなりません。 2,4-Dなどのホルモン系除草剤は、樹立年の早い時期に散布するとスイッチグラスの発生を抑えることが知られているため、避けるべきです。雑草の侵入が原因で失敗したように見える植栽は、失敗が実際よりも明らかになることが多いため、しばしば誤って評価されます。最初は雑草であるスイッチグラススタンドは、その後の数年間で適切に管理され、一般的に定着します。スイッチグラスが確立されてから、その生産能力が完全に発揮されるまでに最大3年かかります。地域によっては、通常、最初の1年で収量の1/4から1/3を生み出し、播種後1年でその可能性の2/3を生み出します。
設立後、スイッチグラスの管理は播種の目標に依存します。歴史的に、ほとんどのスイッチグラスの播種は、米国の保護区プログラムのために管理されてきました。生物多様性を促進するためのスタンドの有用性を最適化するには、定期的な草刈り、焼却、ディスク処理などの妨害が必要です。エネルギー作物としてのスイッチグラス管理に注目が集まっています。一般的に、作物は重いフィーダーではないため、窒素肥料を適度に散布する必要があります。秋の老化物質の典型的な窒素（N）含有量は0.5％Nです。除去されたバイオマス1トンあたり約5 kg N /ヘクタール（ha）の肥料窒素施肥が一般的なガイドラインです。受精に関するより具体的な推奨事項は、北米の地域で入手できます。除草剤は、通常、雑草と非常に競争力があるため、播種後のスイッチグラスではあまり使用されません。セルロース系エタノールやペレット燃料の生産を含むほとんどのスイッチグラスのバイオエネルギー変換プロセスは、一般的に収穫されたバイオマスのいくつかの代替種を受け入れることができます。スイッチグラスの林分は1年に2回以下で収穫する必要があり、1回の伐採で2回のバイオマスが得られることがよくあります。スイッチグラスは、干し草の生産に使用されるのと同じフィールド機器で収穫することができ、ベーリングまたはバルクのフィールド収穫に適しています。その生物学が適切に考慮される場合、スイッチグラスはエネルギー作物として大きな可能性を提供できます。
用途
スイッチグラスは、バイオマスエネルギー生産の原料として、土壌保全のためのグラウンドカバーとして、および侵食を制御するために、飼料および放牧のために、ゲームカバーとして、および生分解性プラスチックの原料として使用できます。これは、牧畜業者が干し草や牧草地に使用したり、家畜の寝具やわらbのハウジングなどの多くの用途で麦わらの代わりに使用したり、キノコを栽培するための基質として使用したりできます。
さらに、スイッチグラスは、平均して湿った土壌から完全な太陽の下で日陰まで、干ばつに強い装飾用の草として栽培されています。
thの宿主植物
これは、Dargida rubripennisの好ましい幼虫宿主植物です。
バイオエネルギー
Switchgrassは1980年代中頃から再生可能なバイオエネルギー作物として研究されてきました。なぜなら、それは辺縁の農地で中程度から高い収量を生み出す能力を備えたネイティブの多年生の暖かい季節の草だからです。現在、セルロース系エタノール生産、バイオガス、熱エネルギー用途の直接燃焼など、いくつかのバイオエネルギー変換プロセスでの使用が検討されています。バイオエネルギー作物としてのスイッチグラスの主な農業上の利点は、その長寿命、干ばつと洪水耐性、比較的低い除草剤と肥料の投入要件、管理の容易さ、貧しい土壌と気候条件での丈夫さ、そして温暖な気候での広範な適応性です。アラバマ州などの一部の暖かく湿度の高い南部地域では、1ヘクタールあたり最大25のオーブン乾燥トン（ODT / ha）を生産する能力があります。米国の13の研究トライアルサイトでのスイッチグラスの収量の概要では、各トライアルの上位2品種が9.4〜22.9 t / ha、平均収量は14.6 ODT / haであることがわかりました。ただし、これらの収穫量は小規模なプロット試験で記録されたものであり、商業フィールドサイトはこれらの結果よりも少なくとも20％低いことが予想されます。米国では、スイッチグラスの収穫高は、米国南東部などの成長期が長く、北部グレートプレーンズの乾期の短い季節地域で最も低い温暖で湿度の高い地域で最も高いようです。スイッチグラスを栽培するために必要なエネルギー入力は、トウモロコシ、大豆、またはキャノーラなどの年次種子含有作物と比較した場合に有利です。これらの作物は、フィールド操作、作物乾燥、および施肥に比較的高いエネルギー入力を必要とします。植物全体の草本多年生C4草原料は、C4光合成システムと多年生の性質のために成長し太陽エネルギーを効果的に捕捉するために必要な化石エネルギー入力が少ないため、望ましいバイオマスエネルギー原料です。 1つの研究では、1トンのトウモロコシを生産するのに1.99から2.66 GJであるのに対して、0.97から1.34 GJで1トンのスイッチグラスを生産することが示されています。別の研究では、スイッチグラスは穀物トウモロコシの2.9 GJ / ODTと比較して0.8 GJ / ODTの化石エネルギーを使用することがわかりました。スイッチグラスに約18.8 GJ / ODTのバイオマスが含まれていることを考えると、作物のエネルギー出力対入力比は最大20：1になります。この非常に好ましい比率は、ヘクタールあたりのエネルギー出力が比較的高く、生産のためのエネルギー入力が低いためです。
米国ではセルロース系エタノール作物としてスイッチグラスの開発にかなりの努力が費やされています。ジョージW.ブッシュの2006年の一般教書演説で、彼はエタノールにスイッチグラスを使用することを提案しました。それ以来、潜在的なバイオ燃料源としてスイッチグラスの研究に1億米ドル以上が投資されています。 Switchgrassは、収穫された1トンあたり最大380リットルのエタノールを生産する可能性があります。しかし、草本からバイオマスへのエタノールへの変換の現在の技術は、1トンあたり約340リットルです。対照的に、コーンエタノールの生産量は1トンあたり約400リットルです。
エタノール原料としてトウモロコシよりもスイッチグラスを使用する主な利点は、その生産コストが一般に穀物トウモロコシの約1/2であり、1ヘクタールあたりのバイオマスエネルギーを現場でより多く獲得できることです。したがって、スイッチグラスセルロースエタノールは、低コストでヘクタールあたりのエタノールの収率を高める必要があります。ただし、これは、セルロースエタノールプラントの建設と運用のコストを大幅に削減できるかどうかによって異なります。スイッチグラスエタノール産業のエネルギーバランスも、コーンエタノールのエネルギーバランスよりも大幅に優れていると考えられています。生物変換プロセス中に、スイッチグラスのリグニン画分を燃やして、バイオリファイナリーを操作するのに十分な蒸気と電気を供給できます。研究では、スイッチグラスからバイオ燃料を作成するために必要なエネルギー入力のすべての単位に対して、4単位のエネルギーが得られることがわかっています。対照的に、トウモロコシエタノールは、エネルギー入力単位あたり約1.28単位のエネルギーを生成します。グレートプレーンズの最近の研究では、スイッチグラスからのエタノール生産の場合、この数字は6.4であるか、またはスイッチグラスの成長と液体燃料への変換に使用されたエネルギーよりも生産されたエタノールのエネルギーが540％多いことが示されました。ただし、セルロースエタノール技術の開発には商業化の障壁が残っています。 1990年代初頭の2000年までのセルロースエタノールの商業化の予測は満たされていません。したがって、注目すべき研究努力にもかかわらず、セルロース系エタノールの商業化は重要な課題であることが証明されています。
スイッチグラスの熱エネルギー用途は、産業または小規模用途のセルロース系エタノールよりも短期的なスケールアップに近いようです。たとえば、スイッチグラスを燃料ペレットに押し込み、その後、家庭の暖房に使用するペレットストーブで燃やします（通常はトウモロコシや木質ペレットを燃やします）。スイッチグラスは、発電における石炭の代替として広くテストされています。これまでで最も広く研究されているプロジェクトは、アイオワ州のチャリトンバレープロジェクトです。ミズーリ州のShow-Me-Energy Cooperative（SMEC）は、石炭火力発電所の燃焼に使用されるペレットの原料として、木材残留物とともにスイッチグラスやその他の暖かい季節の草を使用しています。カナダ東部では、スイッチグラスは商業規模の暖房用途の原料としてパイロット規模で使用されています。燃焼研究が実施されており、商業ボイラー燃料として適しているようです。また、2009年の森林製品産業の減速により、北アメリカ東部全体で木質ペレットが不足しているため、カナダ東部では余剰木材残渣がないため、ペレット燃料としてスイッチグラスを開発する研究も行われています。一般的に、熱アプリケーション用のスイッチグラスの直接焼成は、すべてのスイッチグラスの生物変換プロセスの中で最高の正味エネルギーゲインとエネルギー出力対入力比を提供できます。研究では、ペレット化されて固体バイオ燃料として使用されるスイッチグラスは、化石燃料に取って代わる有力な候補であることがわかっています。スイッチグラスペレットは、14.6：1のエネルギー出力対入力比を持つことが確認されました。これは、農地の液体バイオ燃料オプションの場合よりも大幅に優れています。温室効果ガス軽減戦略として、スイッチグラスペレットは、ヘクタールあたり7.6〜13トンのCO2の温室効果ガスを軽減するために農地を使用するための効果的な手段であることがわかりました。対照的に、スイッチグラスセルロースエタノールとコーンエタノールは、それぞれヘクタールあたり5.2トンと1.5トンのCO2を軽減することがわかった。
歴史的に、熱エネルギー用途向けの草の開発に対する主要な制約は、バイオマス品質の問題が燃焼用途で特に懸念される可能性があるため、従来のボイラーでの草の燃焼に関連する困難でした。これらの技術的な問題は、現在では、草刈りや春の収穫などの浸出を可能にする作物管理慣行によって大部分は解決されているように見えます。これにより、草のエアロゾル形成化合物（KやClなど）やNが少なくなります。これにより、クリンカーの形成と腐食が減少し、スイッチグラスを小型の燃焼機器で使用するためのクリーンな燃焼燃料源にすることができます。秋に収穫された草は、より大型の商業用および工業用ボイラーにより多く適用される可能性があります。 Switchgrassは、低品質の天然ガス代替品の製造プロセスを通じて、ドイツと中国の小規模な工業ビルや農場の建物を加熱するためにも使用されています。
バイ等。 （2010）は、エタノール生産の原料としてスイッチグラス植物材料を使用する環境の持続可能性を分析する研究を実施しました。ライフサイクル分析を使用してこの評価を行いました。 E10、E85、およびエタノールの効率をガソリンと比較しました。彼らは、スイッチグラス作物の栽培、管理、加工、保管に関連する空気と水の排出を考慮しました。彼らはまた、貯蔵されたスイッチグラスのエタノール工場への輸送を考慮し、そこでは距離が20 kmであると仮定しました。 E10とE85を使用することによる地球温暖化係数の低下は、それぞれ5％と65％でした。彼らのモデルはまた、「人間の毒性の可能性」と「生態毒性の可能性」がガソリンとE10よりも高エタノール燃料（すなわち、E85とエタノール）の方がかなり大きいことを示唆しました。
2014年に、スイッチグラスを安価で効率的にエタノールに変えることができる遺伝子Caldicellulosiruptor besciiの遺伝子改変型が作成されました。
生分解性プラスチックの生産
新しいアプリケーションでは、米国の科学者は、植物の細胞内のビーズ状の顆粒に蓄積するポリヒドロキシブチレートを生産できるようにスイッチグラスを遺伝子組み換えしました。予備試験では、植物の葉の乾燥重量がポリマーの最大3.7％を占めることが示されました。このような低い蓄積率は、2009年の時点では、生物資源としてのスイッチグラスの商業利用を許可していません。
土壌保全
スイッチグラスは、特にスイッチグラスが風土病である米国とカナダで、土壌の保全と修正に役立ちます。 Switchgrassには、繊維質の根系が深く、植物と同じくらいの深さがあります。それは、他の在来の草や牧草とともに、かつてはコーンベルトである米国の平原を覆っていたため、過去のスイッチグラス生息地の影響は有益であり、今日存在する肥沃な農地に役立っています。スイッチグラスの深い繊維状の根系は、中西部の土壌に深く豊かな有機物の層を残し、これらのモリソル土壌を世界で最も生産性の高いものにしました。スイッチグラスや他の多年生草原草を農作物として戻すことにより、多くの周辺土壌は、草の深い根系のために有機物質、透過性、および肥沃度の増加から恩恵を受ける可能性があります。
スイッチグラスが生育する地域では、風と水による土壌侵食が大きな懸念事項です。スイッチグラスはその高さにより、効果的な風食バリアを形成できます。また、その根系は土壌を適所に保持するのに優れており、洪水や流出による浸食を防ぐのに役立ちます。一部の高速道路部門（たとえば、KDOT）は、道路に沿って成長を再確立するときにシードミックスにスイッチグラスを使用しています。また、ストリップ鉱山、堤防、および池のダムで使用することができます。米国の多くの地域の保全地区は、野生生物の生息地を提供しながら土壌を固定する能力があるため、草の水路の侵食を制御するためにそれを使用しています。
牧草と放牧
スイッチグラスは牛にとって優れた牧草です。しかし、ウマ、ヒツジ、ヤギではサポニンとして知られる化合物を介して毒性を示し、これらの動物では光過敏性と肝臓障害を引き起こします。研究者は、スイッチグラスがこれらの種に害を及ぼす特定の条件についてさらに学習し続けていますが、さらに発見されるまで、スイッチグラスはそれらに与えられないことが推奨されます。ただし、牛の場合は、干し草として放牧するか、放牧することができます。
放牧スイッチグラスは、スタンドの存続を確保するために注意深い管理慣行を要求します。植物の高さが約50 cmになったら放牧を開始し、植物が約25 cmになったら放牧を中止し、放牧期間の30〜45日間は牧草を休ませることをお勧めします。スイッチグラスは、成熟するにつれて茎がつき、味が悪くなりますが、目標の放牧期間中は、相対飼料値（RFV）が90〜104の好ましい牧草です。草の直立した成長パターンは、その成長点を土壌表面から茎に置きます。そのため、25 cmの無精ひげを残すことが再成長に重要です。干し草用のスイッチグラスを収穫する場合、最初の刈り取りはブート後期、つまり6月中旬頃に行われます。これにより、8月中旬に2回目の伐採が可能になり、冬を乗り切るのに十分な再生が残ります。
ゲームカバー
スイッチグラスは、キジ、ウズラ、ライチョウ、野生の七面鳥、歌鳥などの高地の狩猟鳥種の良好な餌と生息地として、野生生物保護学者の間でよく知られています。 2015年に公開された研究では、スイッチグラスが伝統的な単一栽培で栽培された場合、一部の野生生物に悪影響を与えることが示されています。スイッチグラスの植え方やパートナーとの組み合わせによっては、優れた飼料を提供し、全国の他の野生生物を保護します。農場にスイッチグラススタンドがある生産者にとっては、スイッチグラススタンドに引き付けられる豊富な野生生物のために、環境上および審美上の利点と見なされます。アイオワ州のプレーリーランドバイオプロダクツ社の一部のメンバーは、適切な季節に狩猟用のスイッチグラスの土地をリースすることで、この利益を収益性の高いビジネスに変えました。野生生物への利益は、野生生物協会によって推奨されているように、畑全体を一度に収穫するのではなく、生息地全体が収穫されるようにストリップ収穫を実践できることを示唆するストリップ収穫のプロセスを通じて、大規模農業でも拡大することができます除去されないため、スイッチグラスに生息する野生生物を保護します。
