パニカム・ヴィルガタム

スイッチグラス
保全状況
	; セキュア（ネイチャーサーブ）
科学的分類
王国：	植物界
クレード:	維管束植物
クレード:	被子植物
クレード:	単子葉植物
クレード:	ツユクサ科
注文：	ポアレス
家族：	イネ科
亜科:	パニコ科
属:	パニカム
種：	P. virgatum
二名法名
	パニカム・ヴィルガタム; L.

スイッチグラスとして一般に知られているPanicum virgatumは、北アメリカ原産の多年生暖地型バンチグラスで、カナダの北緯55 度以南から米国およびメキシコにかけて自生しています。スイッチグラスは、北アメリカ中央部の高草草原の優占種のひとつで、残存草原、在来の牧草地、および道端の帰化植物で見られます。主に土壌保全、飼料生産、狩猟カバー、観賞用草、植物修復プロジェクト、繊維、電力、熱生産、大気中の二酸化炭素の生物隔離に使用され、最近ではエタノールおよびブタノール生産用のバイオマス作物としても使用されています。

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、トールプレーリーグラス、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などがあります。

説明

スイッチグラスは、晩春に生育し始める、丈夫で根が深い多年生の根茎性イネ科植物です。高さは2.7 m (8 フィート 10 インチ) まで成長しますが、通常ビッグブルーステムグラスやインディアングラス _よりも低くなります。葉は30～90 cm (12～35 インチ) の長さで、目立つ中脈があります。スイッチグラスはC4 炭素固定を使用するため、干ばつや高温の条件で有利になります。 ^[2] 花はよく発達した円錐花序で、長さが60 cm (24 インチ) に達することもよくあり、種子を豊富に結びます。種子は長さ3～6 mm ( 1 ⁄ 8～1 ⁄ 4 インチ)、幅最大1.5 mm ( 1 ⁄ 16インチ) で、一輪の花が咲く小穂から発生します。両方の穎花があり、よく発達しています。熟すと、種子はピンク色またはくすんだ紫色を帯びることがあり、秋には植物の葉とともに黄金色に変わります。スイッチグラスは多年生で自生する作物であるため、農家は毎年の収穫後に植えて再播種する必要がありません。スイッチグラスは一度定着すると、10年以上生き残ることができます。^[3]トウモロコシとは異なり、スイッチグラスは限界地でも成長でき、比較的控えめなレベルの化学肥料を必要とします。^[3] 全体として、スイッチグラスは農地からバイオエネルギーを生産するための資源効率が高く、投入量の少ない作物であると考えられています。

ランド研究所で栽培されたスイッチグラスの根系
シーズ、カート・プレーリー

生息地

北米の大部分、特にアメリカ中西部の平原は、かつてはスイッチグラス、インディアングラス（Sorghastrum nutans）、イースタンガマグラス（Tripsacum dactyloides）、ビッグブルーステム（Andropogon gerardi）、リトルブルーステム（Schizachyrium scoparium）^[4]など、広大な土地に自生するイネ科植物の主な生息地でした。ヨーロッパからの入植者が大陸の西へと広がり始めると、自生するイネ科植物は耕され、その土地はトウモロコシ、小麦、オート麦などの作物に転換されました。フェスク、ブルーグラス、オーチャードグラス^[5]などの外来のイネ科植物も、乾草や牛の牧草として自生するイネ科植物に取って代わりました。^[4]

分布

スイッチグラスは用途が広く、適応力のある植物です。多くの気象条件、生育期間の長さ、土壌の種類、土地条件で生育し、繁茂することができます。分布は北緯55度以南のサスカチュワン州からノバスコシア州まで、南はロッキー山脈の東の米国の大部分、さらに南はメキシコまで広がっています。^[7]暖地性の多年生草本であるため、生育のほとんどは晩春から初秋にかけて行われ、寒い時期には休眠し、生産性が低下します。そのため、北部の生息地での生産性シーズンは3か月と短い場合がありますが、生息地の南部では、メキシコ湾岸周辺で生育シーズンが8か月に及ぶ場合があります。^[8]

スイッチグラスは多様な種であり、植物間で顕著な違いがあります。この多様性は、種が大陸全体に広がるにつれて進化し、新しい環境に適応したことを反映していると思われますが、育種プログラムにさまざまな貴重な特性を提供します。スイッチグラスには、2つの異なる形態、つまり「サイトタイプ」があります。低地栽培品種はバイオマスをより多く生産する傾向があり、高地栽培品種は一般に北部起源で耐寒性が高く、そのため通常は北部地域で好まれます。高地スイッチグラスの種類は一般に低く、高さは ≤ 2.4 m (7 フィート 10 インチ) で、低地の種類よりも粗くありません。低地栽培品種は、好ましい環境では ≥ 2.7 m (8 フィート 10 インチ) まで成長することがあります。高地栽培品種と低地栽培品種は両方とも根が深く、好ましい土壌では 1.8 m (5 フィート 11 インチ) を超え、根茎は短いです。高地型は根茎が活発な傾向があるため、低地型は群生する習性があるように見えるが、高地型はより芝状になる傾向がある。低地型は形態的に可塑性があり、株間が狭くなったり広い列に植えられたりすると植物が大きく成長し、高地型よりも水分ストレスに敏感であるように見える。^[9]

在来の草原では、スイッチグラスは歴史的に、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、サイドオーツグラマ、イースタンガマグラス、およびさまざまな雑草（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、他のいくつかの重要な在来の高草草原植物と共生しているのが見られます。これらの広く適応した高草種は、かつては何百万ヘクタールもの土地を占めていました。^[10]

スイッチグラスがグラン・チャコでの栽培に適しているかどうかは、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る。 ^[11]

設立と運営

スイッチグラスは、トウモロコシの栽培には侵食されやすい土地や、他の農作物の収穫量が少ない湿潤地域の砂質・砂利質土壌など、列作には不向きとされる土地でも栽培できます。スイッチグラスを植える単一の方法は、あらゆる状況に当てはまるわけではありません。この作物は、不耕起と従来の耕起の両方で植えることができます。多様な混合物の一部として播種する場合は、保全植栽用の暖地型牧草混合物の植え付け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栽用のスイッチグラスの栽培と管理に関する地域ガイドラインが利用可能です。スイッチグラスの植え付けの成功の可能性を高めることができるいくつかの重要な要素があります。これらには以下が含まれます。^[12]

春の間に土壌が十分に暖まった後にスイッチグラスを植えます。
発芽率の高い種子を使用し、0.6～1.2 cm の深さに植えます。砂質土壌の場合は最大 2 cm の深さに植えます。
播種前と播種後に土壌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肥料を与えない。
化学的および/または文化的防除方法による雑草の防除。

雑草の防除には、刈り取りと適切なラベルの付いた除草剤の使用が推奨されます。化学除草剤は、定着前の秋、または植え付けの前後に使用できます。雑草は、成長しているスイッチグラスの高さより少し上で刈り取る必要があります。2,4 -Dなどのホルモン除草剤は、定着年の早い時期に散布するとスイッチグラスの発育を低下させることが知られているため、使用しないでください。^[13] 雑草の蔓延により失敗したように見える植え付けは、失敗が実際よりも見かけによらないことが多いため、誤って評価されることがよくあります。最初は雑草が生えていたスイッチグラスの群落は、その後の適切な管理により、十分に定着するのが一般的です。^[12] スイッチグラスは、定着すると、生産能力を最大限に発揮するまでに最大3年かかる場合があります。^[14]地域によって異なりますが、通常、最初の年に潜在的収穫量の1/4から1/3を生産し、播種後の年には潜在的収穫量の2/3を生産できます。^[15]

定着後のスイッチグラスの管理は、播種の目的によって異なります。歴史的に、米国のほとんどのスイッチグラスの播種は、保全準備プログラムのために管理されてきました。定期的な草刈り、火入れ、ディスク耕などの撹乱は、生物多様性を促進するための林分の有用性を最適化するために必要です。エネルギー作物としてのスイッチグラスの管理にますます注目が集まっています。一般に、この作物は窒素肥料をあまり必要としないため、適度な施用が必要です。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/ヘクタールの肥料窒素施用が一般的なガイドラインです。北米では、施肥に関するより具体的な推奨事項が地域ごとに提供されています。スイッチグラスは一般に雑草とかなり競合するため、播種年以降は除草剤が使用されることはあまりありません。スイッチグラスのバイオエネルギー変換プロセスのほとんどは、セルロースエタノールやペレット燃料の生産を含むが、収穫されたバイオマスにいくつかの代替種を混入させることが一般的である。スイッチグラスは1年に2回以上収穫すべきではなく、1回の刈り取りで2回分のバイオマスが得られることが多い。スイッチグラスは干し草生産に使用するのと同じフィールド機器で収穫でき、梱包やバルクフィールド収穫に適している。その生物学的性質を適切に考慮すれば、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秘めている。^[12]^[16]

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、土壌保全のための地被植物、浸食防止、飼料や放牧、狩猟地のカバー、生分解性プラスチックの原料として使用できます。牛農家では干し草や牧草地として、また麦わらの代用品として、家畜の寝具、わら俵の囲い、キノコ栽培の基質など、さまざまな用途に使用できます。

さらに、スイッチグラスは、中程度から湿った土壌、直射日光の当たる場所から半日陰の場所でも、干ばつに強い観賞用草として栽培されます。

蛾の宿主植物

これは、ダルギダ・ルブリペニスの幼虫の好ましい宿主植物です。^{[17]また、}デラウェアスキッパーとホボモックスキッパーの幼虫の宿主でもあります。^[18]

バイオエネルギー

スイッチグラスは、限界農地で中程度から高い収穫量を生み出す能力を持つ、在来の多年生暖地型牧草であるため、1980 年代半ば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。現在、セルロースエタノール生産、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、干ばつおよび洪水耐性、比較的低い除草剤および肥料投入要件、管理の容易さ、やせた土壌および気候条件での耐寒性、および温帯気候へ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 乾燥トン (ODT/ha) を生産する能力があります。米国の13の研究試験地におけるスイッチグラスの収穫量をまとめると、各試験で上位2品種の収穫量は9.4～22.9 t/haで、平均収穫量は14.6 ODT/haであることがわかりました。^[19]しかし、これらの収穫量は小規模な試験区で記録されたもので、商業的な圃場ではこれらの結果よりも少なくとも20%低くなることが予想されます。米国では、スイッチグラスの収穫量は、米国南東部などの生育期が長く温暖多湿の地域で最も高く、北部グレートプレーンズの生育期が短く乾燥した地域で最も低いようです。^{[19]スイッチグラスの生育に必要なエネルギー投入は、}トウモロコシ、大豆、キャノーラなどの一年生種子作物に比べて少なく、これらの作物は圃場作業、作物の乾燥、施肥に比較的多くのエネルギー投入が必要になることがあります。全草の多年生草本 C4牧草原料は、C4光合成システムと多年生の性質により、成長に必要な化石エネルギーの投入量が少なく、太陽エネルギーを効果的に捕捉できるため、バイオマスエネルギー原料として望ましい。ある研究によると、スイッチグラス1トンの生産には0.97～1.34 GJかかるのに対し、トウモロコシ1トンの生産には1.99～2.66 GJかかるという。^[20]別の研究では、スイッチグラスは0.8 GJ/ODTの化石エネルギーを使用するのに対し、穀物トウモロコシは2.9 GJ/ODTであることが判明した。^[21] スイッチグラスには約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になる可能性がある。^[22] この非常に好ましい比率は、1 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投入量が低いことに起因しています。

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を開発するために多大な努力が払われている。ジョージ・W・ブッシュは2006年の一般教書演説で、スイッチグラスをエタノールに利用することを提案した。 ^[23]^[24]^[25]それ以来、スイッチグラスをバイオ燃料源として研究するために1億ドル以上が投資されてきた。^[26]スイッチグラスは、収穫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る。 ^[27]しかし、草本バイオマスをエタノールに変換する現在の技術では、1トンあたり約340リットルである。^[28] 対照的に、トウモロコシのエタノールは1トンあたり約400リットルの収量である。^[29]

スイッチグラスをエタノール原料としてトウモロコシよりも使用することの主な利点は、生産コストが一般に穀物トウモロコシの約半分であり、1ヘクタールあたりのバイオマスエネルギーをより多く畑で捕捉できることです。^[22] したがって、スイッチグラスのセルロースエタノールは、より低いコストで1ヘクタールあたりのエタノール収量が高くなるはずです。ただし、これはセルロースエタノール工場の建設と運営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収支は、トウモロコシエタノールよりも大幅に優れていると考えられています。バイオコンバージョンプロセス中に、スイッチグラスのリグニン画分を燃焼させて、バイオリファイナリーを稼働させるのに十分な蒸気と電気を供給できます。研究によると、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1単位ごとに、4単位のエネルギーが生成されることがわかっています。^[30] 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み出します。^[31] 2008年にグレートプレーンズで行われた研究^[32]によると、スイッチグラスからのエタノール生産ではこの数字は6.4であり、スイッチグラスの栽培と液体燃料への変換に使用されたエネルギーよりも540%多くのエネルギーが生産されたエタノールに含まれていることを示しています。しかし、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年代初頭に2000年までにセルロースエタノールを商業化するという予測^[33]は達成されていません。注目に値する研究努力にもかかわらず、セルロースエタノールの商業化はこのように大きな課題であることが判明しています。

スイッチグラスの熱エネルギーへの応用は、工業用または小規模用途ではセルロース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、スイッチグラスは燃料ペレットに圧縮することができ、その後、住宅の暖房に使用されるペレットストーブ（通常はトウモロコシまたは木質ペレットを燃焼します）で燃やされます。^{[14]スイッチグラスは、}発電における石炭の代替品として広くテストされてきました。現在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。^[34]ミズーリ州のショーミーエネルギー協同組合（SMEC）^[35]は、スイッチグラスやその他の暖地型牧草、および木材残渣を、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使用しています。カナダ東部では、スイッチグラスが商業用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。燃焼研究が行われており、商業用ボイラー燃料として非常に適しているようです。カナダ東部では余剰木材残渣が不足しているため、スイッチグラスをペレット燃料として開発する研究も行われている。 ^[36] 2009年の林業産業の減速により、現在、北米東部全域で木質ペレットが不足している。一般的に言えば、熱用途でスイッチグラスを直接燃焼させると、スイッチグラスのバイオ変換プロセスの中で、最も高い正味エネルギー利得とエネルギー出力対入力比が得られる。 ^[37]研究によると、スイッチグラスはペレット化されて固体バイオ燃料として使用される場合、化石燃料を置き換えるのに適した候補であることが判明している。スイッチグラスのペレットは、14.6:1のエネルギー出力対入力比を持つことが判明しており、これは農地からの液体バイオ燃料オプションよりも大幅に優れている。^[21] 温室効果ガス緩和戦略として、スイッチグラスペレットは農地を利用して1ヘクタールあたり7.6～13トンのCO2の温室効果ガスを緩和する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トウモロコシエタノールは、それぞれ1ヘクタールあたり5.2トンと1.5トンのCO2を緩和することがわかりました_。 [ ^16]

歴史的に、熱エネルギー用途の草の開発における主な制約は、燃焼用途ではバイオマスの品質問題が特に懸念されるため、従来のボイラーで草を燃やすことの難しさでした。これらの技術的問題は現在、秋の草刈りや春の収穫などの作物管理慣行によってほぼ解決されているようです。これらの慣行では浸出が起こり、草中のエアロゾル形成化合物（KやClなど）とNが少なくなります。これによりクリンカー形成と腐食が減り、スイッチグラスは小型の燃焼器具で使用できるクリーンな燃焼燃料源になります。秋に収穫された草は、大型の商業用および工業用ボイラーでより多くの用途があると思われます。^[38]^[39]^{[40]スイッチグラスは、低品質の}天然ガス代替品を製造するために使用されるプロセスを通じて、ドイツと中国の小規模な工業用および農場の建物の暖房にも使用されています。^[41]

Bai et al. (2010) は、スイッチグラス植物材料をエタノール生産の原料として使用することによる環境持続可能性を分析する研究を実施した。^{[42]この評価には} ライフサイクル分析が使用された。彼らは、E10、E85、エタノールの効率をガソリンと比較した。彼らは、スイッチグラス作物の栽培、管理、加工、保管に関連する大気および水への排出を考慮に入れた。彼らはまた、保管されたスイッチグラスをエタノール工場まで輸送することを考慮し、その距離を20kmと仮定した。E10とE85を使用することによる地球温暖化係数の削減は、それぞれ5％と65％であった。彼らのモデルはまた、「人体毒性の可能性」と「生態毒性の可能性」が、ガソリンとE10よりも、エタノール含有量の高い燃料（すなわち、E85とエタノール）の方が大幅に大きいことを示唆した。

2014年には、スイッチグラスを安価かつ効率的にエタノールに変換できる遺伝子組み換え細菌Caldicellulosiruptor besciiが^{開発されました。 [43]}^[44]

生分解性プラスチックの生産

米国の科学者たちは、スイッチグラスの遺伝子を組み換えて、植物の細胞内にビーズ状の顆粒として蓄積するポリヒドロキシ酪酸を生成できるようにした。 ^[45] 予備試験では、植物の葉の乾燥重量に最大3.7%のポリマーが含まれていることが示された。^[46] このような低い蓄積率では、2009年現在、スイッチグラスをバイオソースとして商業的に利用することはできません。

土壌保全

スイッチグラスは土壌保全と土壌改良に有用であり、特にスイッチグラスが自生する米国とカナダでその効果が顕著である。スイッチグラスは繊維状の根系が深く、その深さは植物の高さとほぼ同じである。スイッチグラスは他の在来のイネ科植物や雑草とともに、かつては現在の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の生息地の影響は有益であり、現在存在する肥沃な農地の形成に貢献している。スイッチグラスの繊維状の根系が深く広がることで、中西部の土壌に有機物の層が深く残り、これらのモリソル土壌は世界で最も生産性の高い土壌の 1 つとなっている。スイッチグラスやその他の多年生草原イネ科植物を農作物として復活させることで、イネ科植物の深い根系による有機物、透水性、および肥沃度の増加から、多くの限界土壌が恩恵を受ける可能性がある。

スイッチグラスが生育する地域では、風と水の両方による土壌浸食が大きな懸念事項となっている。スイッチグラスは背が高いため、効果的な風食害防止バリアを形成できる。^[47] また、その根系は土壌を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つ。一部の高速道路局（たとえば、KDOT）は、道路沿いの生育を再開する際に、種子ミックスにスイッチグラスを使用している。^{[48]また、}露天掘りの現場、堤防、^[47]および池のダムでも使用できる。米国の多くの地域の保全地区では、土壌を固定するとともに野生生物の生息地を提供する能力があるため、草地の水路の浸食を制御するためにスイッチグラスを使用している。

飼料と放牧

^{スイッチグラスは牛にとって}優れた飼料ですが、馬、羊、山羊に対してはサポニンと呼ばれる化学物質による毒性が見られ^、これら^の動物に光過敏症や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研究を続けていますが、詳細が判明するまではスイッチグラスを与え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与えたり、放牧したりすることができます。

スイッチグラスの放牧には、草地の生存を確実にするために注意深い管理方法が必要である。放牧は草が約 50 cm の高さになったら開始し、草が約 25 cm まで食べ尽くされたら放牧を中止し、放牧期間の間に 30 ～ 45 日間牧草地を休ませることが推奨されている。^[52]スイッチグラスは成長するにつれて茎が伸びて食味が悪くなるが、目標放牧期間中は相対飼料価値 (RFV) が 90 ～ 104 の好ましい飼料である。^[53] この草は直立して成長するため、成長点は土壌表面から茎の上に位置するため、再生のためには 25 cm の刈り株を残すことが重要である。干し草用にスイッチグラスを収穫する場合、最初の刈り取りは穂立ち後期、つまり 6 月中旬頃に行う。これにより、8 月中旬に 2 回目の刈り取りが可能になり、冬を乗り切るのに十分な再生が残る。^[54]

ゲームカバー

スイッチグラスは、豊富な小さな種子と背の高い覆いを持つことから、キジ、ウズラ、ライチョウ、野生の七面鳥などの高地の狩猟鳥類や鳴鳥にとって良い餌と生息地として、野生生物保護活動家の間ではよく知られています。2015年に発表された研究では、スイッチグラスを従来の単一栽培で育てると、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。^[55]スイッチグラスは、植える密度や組み合わせによっては、全国の他の野生生物にも優れた餌と隠れ場所を提供します。農場にスイッチグラスを植えている生産者にとっては、スイッチグラスに引き寄せられる野生生物が豊富にあるため、環境的および美的な利点があると考えられています。アイオワ州のPrairie Lands Bio-Products, Inc.の一部のメンバーは、適切な季節にスイッチグラスの土地を狩猟用にリースすることで、この利点を収益性の高いビジネスに変えました。^[56]野生生物協会が推奨しているように、条間収穫のプロセスを通じて、大規模農業でも野生生物への利益を拡大することができます。条間収穫は、畑全体を一度に収穫するのではなく、生息地全体が除去されないようにすることで、スイッチグラスに生息する野生生物を保護することができると示唆しています。^[57]

観賞用品種

Panicum virgatum の 栽培品種は、庭園や造園の観賞用植物として使用されています。以下の品種は、王立園芸協会のガーデンメリット賞を受賞しています。

『ダラス・ブルース』^[58]
「ヘビーメタル」^[59]
「ハンス・ハルムス」^[60]
「ノースウィンド」^[61]
「シェナンドー」^[62]

参照

参考文献

参照 Seedenergies: テクニック Panicum virgatum、スイッチグラス作物の写真

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外部リンク

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アイオワ州南部におけるバイオマス燃料用スイッチグラスの生産管理ガイド
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