Порівняльна оцінка емісії парникових газів та вуглецевого балансу біоенергетичних культур і пшениці озимої в умовах Лісостепу України

О. І. Присяжнюк; Н. О. Кононюк; О. А. Маляренко; В. В. Мусіч; О. Ю. Половинчук; О. М. Гончарук; О. П. Шевченко

doi:10.47414/na.13.3.2025.348846

Автор(и)

О. І. Присяжнюк Інститут біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН, Україна https://orcid.org/0000-0002-4639-424X
Н. О. Кононюк Інститут біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН, Україна https://orcid.org/0000-0002-5313-4999
О. А. Маляренко Інститут біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН, Україна https://orcid.org/0000-0002-9309-4020
В. В. Мусіч Інститут біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН, Україна https://orcid.org/0000-0001-5362-6750
О. Ю. Половинчук Інститут біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН, Україна https://orcid.org/0000-0002-7830-7534
О. М. Гончарук Інститут біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН, Україна https://orcid.org/0000-0002-7740-1334
О. П. Шевченко Інститут біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН, Україна https://orcid.org/0000-0001-5980-7536

DOI:

https://doi.org/10.47414/na.13.3.2025.348846

Ключові слова:

міскантус гігантський, верба енергетична, пшениця озима, парникові гази, вуглецевий баланс, секвестрація вуглецю, Лісостеп України

Анотація

Мета. Здійснити порівняльне оцінювання емісій парникових газів та вуглецевого балансу біоенергетичних культур (міскантусу гігантського і верби енергетичної) та пшениці озимої в умовах дев’яти областей Лісостепу України, а також визначити кліматичний ефект заміни традиційного зерновиробництва вирощуванням біоенергетичних культур на маргінальних землях. Методи. Прогнозні площі вирощування біоенергетичних культур визначали на основі аналізу малопродуктивних і деградо-ваних земель дев’яти областей Лісостепу з урахуванням агрокліматичних умов, частки маргінальних земель та біологічних вимог культур. Ураховано три агрокліматичні зони з різним рівнем зволоження та температурного режиму. Розрахунок емісій парникових газів проводили за методологією IPCC з урахуванням специфіки багаторічних культур. Вуглецевий баланс визначали як різницю між поглинанням CO₂ біомасою та антропогенними викидами, додатково враховували довготривалу секвестрацію вуглецю в ґрунті. Показники для пшениці озимої базувалися на власних попередніх дослідженнях, для міскантусу та верби – на експериментальних і модельних даних України та Європи. Результати. Прогнозні площі вирощування міскантусу становлять 190–367 тис. га (середнє 278,5 тис. га), верби – 101–248 тис. га (середнє 174,5 тис. га), сумарно – 453 тис. га, або близько 4 % орних земель Лісостепу. Валовий баланс CO₂ для біоенергетичних культур позитивний: міскантус +41–50 тис. кг/га, верба +26 тис. кг/га; чистий баланс та баланс секвестрації також позитивні (+2233–3458 кг CO₂-eq/га), на відміну від пшениці, що має негативний баланс секвестрації (−1099 кг/га). Основними чинниками є відсутність потреби у внесенні азотних добрив, щорічне надходження органічної біомаси з опалим листям і потужна підземна система. Сумарний кліматичний ефект заміни пшениці на біоенергетичні культури на прогнозних площах Лісостепу становить +2446,4 тис. т CO₂-eq/рік, включаючи економію прямих викидів – 595,7 тис. т CO₂-eq, покращення балансу секвестрації – 1850,7 тис. т CO₂-eq та додаткову секвестрацію вуглецю – 342,3 тис. т C/рік. Висновки. Вирощування багаторічних біоенергетичних культур на маргінальних землях Лісостепу забезпечує значне зниження емісій парникових газів та довгострокове накопичення вуглецю в ґрунті порівняно з однорічними зерновими. Кліматичний ефект таких насаджень еквівалентний щорічному поглинанню CO₂ лісовими масивами площею близько 500 тис. га, що свідчить про їх потенціал у контексті кліматичної стабілізації та переходу до більш стійкого землекористування.

Посилання

Intergovernmental Panel on Climate Change. (2023). Climate change 2021 – The physical science basis: Working Group I contribution to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009157896

Crippa, M., Solazzo, E., Guizzardi, D., Monforti-Ferrario, F., Tubiello, F. N., & Leip, A. (2021). Food systems are responsible for a third of global anthropogenic GHG emissions. Nature Food, 2(3), 198–209. https://doi.org/10.1038/s43016-021-00225-9

Myhre, G., Shindell, D., Bréon, F.-M., Collins, W., Fuglestvedt, J., Huang, J., Koch, D., Lamarque, J.-F., Lee, D., Mendoza, B., Nakajima, T., Robock, A., Stephens, G., Takemura, T., & Zhang, H. (2013). Anthropogenic and natural radiative forcing. In Climate change 2013: The physical science basis (pp. 659–740). Cambridge University Press. https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_Chapter08_FINAL.pdf

Reay, D. S., Davidson, E. A., Smith, K. A., Smith, P., Melillo, J. M., Dentener, F., & Crutzen, P. J. (2012). Global agriculture and nitrous oxide emissions. Nature Climate Change, 2(6), 410–416. https://doi.org/10.1038/nclimate1458

Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., & Winiwarter, W. (2008). How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience, 1(10), 636–639. https://doi.org/10.1038/ngeo325

State Statistics Service of Ukraine. (2024). Agriculture of Ukraine 2023: Statistical yearbook. [In Ukrainian]

Lal, R. (2004). Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security. Science, 304(5677), 1623–1627. https://doi.org/10.1126/science.1097396

Lewandowski, I., Scurlock, J. M. O., Lindvall, E., & Christou, M. (2003). The development and current status of perennial rhizomatous grasses as energy crops in the US and Europe. Biomass and Bioenergy, 25(4), 335–361. https://doi.org/10.1016/S0961-9534(03)00030-8

Karp, A., & Shield, I. (2008). Bioenergy from plants and the sustainable yield challenge. New Phytologist, 179(1), 15–32. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2008.02432.x

Heaton, E. A., Dohleman, F. G., & Long, S. P. (2008). Meeting US biofuel goals with less land: The potential of Miscanthus. Global Change Biology, 14(9), 2000–2014. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2008.01662.x

Volk, T. A., Verwijst, T., Tharakan, P. J., Abrahamson, L. P., & White, E. H. (2004). Growing fuel: A sustainability assessment of willow biomass crops. Frontiers in Ecology and the Environment, 2(8), 411–418. https://doi.org/10.1890/1540-9295(2004)002[0411:GFASAO]2.0.CO;2

Dondini, M., Hastings, A., Saiz, G., Jones, M. B., & Smith, P. (2009). The potential of Miscanthus to sequester carbon in soils: Comparing field measurements in Carlow, Ireland to model predictions. GCB Bioenergy, 1(6), 413–425. https://doi.org/10.1111/j.1757-1707.2010.01033.x

McCalmont, J. P., Hastings, A., McNamara, N. P., Richter, G. M., Robson, P., Donnison, I. S., & Clifton-Brown, J. (2017). Environmental costs and benefits of growing Miscanthus for bioenergy in the UK. GCB Bioenergy, 9(3), 489–507. https://doi.org/10.1111/gcbb.12294

Heletukha, H. H., & Zheliezna, T. A. (2020). Prospects for production and use of biofuels in Ukraine: Analytical note of BAU No. 23. Bioenergy Association of Ukraine. [In Ukrainian]

Fernando, A. L., Costa, J., Barbosa, B., Monti, A., & Rettenmaier, N. (2018). Environmental impact assessment of perennial crops cultivation on marginal soils in the Mediterranean Region. Biomass and Bioenergy, 111, 174–186. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2017.04.005

Intergovernmental Panel on Climate Change. (2006). 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories: Vol. 4. Agriculture, forestry and other land use. IGES. https://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/vol4.html

Intergovernmental Panel on Climate Change. (2019). 2019 Refinement to the 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories. IGES. https://www.ipcc.ch/report/2019-refinement-to-the-2006-ipcc-guidelines-for-national-greenhouse-gas-inventories

Bolinder, M. A., Janzen, H. H., Gregorich, E. G., Angers, D. A., & VandenBygaart, A. J. (2007). An approach for estimating net primary productivity and annual carbon inputs to soil for common agricultural crops in Canada. Agriculture, Ecosystems & Environment, 118(1–4), 29–42. https://doi.org/10.1016/j.agee.2006.05.013

Don, A., Osborne, B., Hastings, A., Skiba, U., Carter, M. S., Drewer, J., Flessa, H., Freibauer, A., Hyvönen, N., Jones, M. B., Lanigan, G. J., Mander, Ü., Monti, A., Djomo, S. N., Valentine, J., Walter, K., Zegada‐Lizarazu, W., & Zenone, T. (2012). Land-use change to bioenergy production in Europe: Implications for the greenhouse gas balance and soil carbon. GCB Bioenergy, 4(4), 372–391. https://doi.org/10.1111/j.1757-1707.2011.01116.x

Styles, D., Gibbons, J., Williams, A. P., Stichnothe, H., Chadwick, D. R., & Healey, J. R. (2015). Cattle feed or bioenergy? Consequential life cycle assessment of biogas feedstock options on dairy farms. GCB Bioenergy, 7(5), 1034–1049. https://doi.org/10.1111/gcbb.12189

Felten, D., & Emmerling, C. (2011). Effects of bioenergy crop cultivation on earthworm communities – A comparative study of perennial (Miscanthus) and annual crops with consideration of graded land-use intensity. Applied Soil Ecology, 49, 167–177. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2011.06.001

Hansen, E. M., Christensen, B. T., Jensen, L. S., & Kristensen, K. (2004). Carbon sequestration in soil beneath long-term Miscanthus plantations as determined by 13C abundance. Biomass and Bioenergy, 26(2), 97–105. https://doi.org/10.1016/s0961-9534(03)00102-8

Poeplau, C., & Don, A. (2014). Soil carbon changes under Miscanthus driven by C4 accumulation. GCB Bioenergy, 6(4), 327–335. https://doi.org/10.1111/gcbb.12043

Clifton‐Brown, J. C., Lewandowski, I., Andersson, B., Basch, G., Christian, D. G., Kjeldsen, J. B., J⊘rgensen, U., Mortensen, J. V., Riche, A. B., Schwarz, K.-U., Tayebi, K., & Teixeira, F. (2001). Performance of 15 Miscanthus genotypes at five sites in Europe. Agronomy Journal, 93(5), 1013–1019. https://doi.org/10.2134/agronj2001.9351013x

Lakyda, P. I., Bilous, A. M., Blyshchyk, V. I., Vasylyshyn, R. D., Vasylyshyn, O. M., Domashovets, H. S., Kovalevskyi, S. S., Lakyda, I. P., Lashchenko, A. H., Mateiko, I. M., Matushevych, L. M., Moroziuk, O. V., Fomin, V. I., & Shvets, Yu. P. (2011). Standards for estimating components of aboveground phytomass of trees of the main forest-forming species of Ukraine. EKO-inform. [In Ukrainian]

Ministry of Environmental Protection and Natural Resources of Ukraine. (2023). National inventory of anthropogenic emissions from sources and removals by sinks of greenhouse gases in Ukraine for 1990–2021. [In Ukrainian]