Agronomic and environmental evaluation of perennial herbaceous plants fertilized with slurry to obtain biomass for bioenergy

Animal wastewater management is becoming one of the central topics in agronomic and environmental systems, especially in the European countries that are subject to the severe restrictions of the Nitrates Directive. This Directive aims to protect water quality by preventing the loss of nitrates from agricultural sources, but livestock farms produce vast quantities of wastewater that are not easy to handle. At the same time the European Commission, with the Renewables Directive, set an important goal for European bioenergy: The EU 27 has to meet 20% of its gross final energy consumption and 10% of the energy used in the transport sector from renewable sources by 2020. Bioenergy research has recently stressed the importance of sustainability and in this case ligno-cellulosic biomasse can play a role because it doesn’t compete with food and fibre production. Many studies underline the potential of second-generation biofuels as sustainable bioenergy. Unlike first-generation biofuels, the second-generation ones might be obtained in marginal areas, avoiding the land competition for food and fibre. In addition some plants could be cultivated with reduced inputs and irrigated with poor quality water. The aim of this work was therefore to find new perennial herbaceous plants able to give high biomass productivity suitable for bioenergy and to grow under irrigation with livestock wastewater. The following species were studied: Artium lappa L., Arundo donax L., Canna indica L., Carex acutiformis L., Carex pseudocyperus L., Carex riparia Curtis, Glyceria maxima (Hartman) Holmb., Helianthus tuberosus L., Iris pseudocorus L., Lythrum salicaria L., Mischantus x giganteus Greef et Deu., Phalaris arundinacea L. var. picta, Scirpus sylvaticus L. and Symphytum x uplandicum Nyman. They were cultivated in growth boxes and irrigated with simulated slurry. The research focussed on their water consumption, biomass production, nitrogen and phosphorus content, different constituents of fibres (hemicellulose, cellulose, lignin), ethanol and methane yield and energy output and the quality of percolation water. Overall A. donax gave the highest biomass yields, increasing yearly (26.2, 62.8, 95.1 and 140.1 t/ha, from 2010 to 2013 respectively) and was significantly different from all the other species, apart from in 2011, when it was not significantly different from M. x giganteus (55.2 t/ha). A. donax also supplied the best energy output (624 GJ/ha). Regarding the environmental aspect, A. donax again showed the highest nitrogen uptake, exceeding the input of 400 kg/ha. Finally, comparing the initial and final percolation water during the experiment, lower total nitrogen and nitrate nitrogen median contents were found and variability among species decreased over the years

La gestione delle acque reflue da allevamenti zootecnici è uno dei temi principali del sistema agricolo ed ambientale, in particolare nei paesi europei, soggetti alle forti restrizioni date dalla Direttiva Nitrati. Quest’ultima si propone di proteggere la qualità delle acque impedendone la contaminazione di nitrati da risorse agricole. Purtroppo, però, il contesto zootecnico produce una vasta quantità di acque reflue, che non sempre è facile gestire. Allo stesso tempo la Commissione Europea, attraverso la Direttiva sulle Energie Rinnovabili, ha fissato alcuni importanti obbiettivi nel quadro bioenergetico europeo. I 27 stati membri, infatti, devo raggiungere il 20% del loro consume finale di energia ed il 10% dell’energia usata nel settore dei trasporti da fonti rinnovabili entro il 2020. Recentemente il settore di ricerca sulle bioenergie ha messo in risalto l’importanza della sostenibilità ed in questo caso le biomasse lignocellulosiche possono giocare il loro ruolo, in quanto non competono con la produzione di cibo e fibre. Molti studi sottolineano le potenzialità di questi carburanti di seconda generazione nell’essere considerati bioenergie sostenibili. A differenza dei biocarburanti di prima generazione, quelli di seconda potrebbero essere ottenuti in aree marginali, evitando la competizione di terreno. Inoltre alcune piante potrebbero essere cultivate con ridotti input ed irrigate con acque di scarsa qualità. Per questa ragione lo scopo di questo lavoro è stato quello di interrogarsi su nuove potenziali specie erbacee perenni in grado di dare elevati produzioni di biomassa adatta alla bioenergia, al contempo idonee a crescere irrigate con liquami zootecnici. Le seguenti specie sono state studiate: Artium lappa L., Arundo donax L., Canna indica L., Carex acutiformis L., Carex pseudocyperus L., Carex riparia Curtis, Glyceria maxima (Hartman) Holmb., Helianthus tuberosus L., Iris pseudocorus L., Lythrum salicaria L., Mischantus x giganteus Greef et Deu., Phalaris arundinacea L. var. picta, Scirpus sylvaticus L. e Symphytum x uplandicum Nyman. Sono state coltivate in cassoni ed irrigate con liquame simulato. La ricerca si è focalizzata su consumo idrico, resa e costituzione della biomassa, asportazioni di azoto e fosforo, resa e potenziale energetico in etanolo e metano ed, infine, qualità delle acque di percolazione. Complessivamente A. donax ha dato le rese in biomassa più elevate, incrementandole annualmente (26.2, 62.8, 95.1 e 140.1 t/ha, dal 2010 al 2013 rispettivamente) ed è risultata statisticamente diversa da tutte le altre specie, a parte nel 2011, quando non erano presenti differenze significative tra essa e M. x giganteus (55.2 t/ha). A. donax ha riportato anche il miglior input energetico. Per quanto concerne l’aspetto ambientale, è sempre questa specie che ha dato le più alte asportazioni, superando la quantità di azoto immessa con la fertilizzazione. Infine, confrontando le acque di percolazione ad inizio e fine prova, i contenuti mediani di azoto totale e nitrico risultano più bassi a fine sperimentazione per tutte le specie vegetali