Switchgrass - Miscanthus

Switchgrass

PanicumvVirgatum L.

 

Etanol, Fibras, Electricidad y Calor

  Contenido

1. Resumen

2. Características

3. Switchgrass y Miscanthus

4. Ciclo de Desarrollo

5. Establecimiento y Cultivo

6. Suelos y Fertilización

7. Variedades

8. Siembra

9. Control de Malezas

10. Productividad

11. Cosecha

12. Referencias

 

 1. Resumen 

El Switchgrass es un pasto perenne C4 nativo de América del Norte que crece naturalmente desde la Latitud 55° N (Canadá y Estados Unidos) hasta el sur de México. 

Se utiliza para conservación de suelos, forraje, ornamentales y, recientemente como biomasa para obtener etanol, fibras, electricidad y calor. 

Puede ser recurso conveniente de biomasa ligno-celulósica para obtención de etanol, debido al bajo costo de establecimiento y alta productividad bajo condiciones de cultivo que no serían adecuadas para otros pastos. 

2. Características

1. El Switchgrass (Panicum Virgatum L.) es un pasto leñoso de ciclo primavera-verano que se establece mediante semilla.

2. Desarrolla rizomas y raíz con profundidad hasta 2.0 m.

3. Crece a una altura desde 0.50 hasta 2.50 m. 

4. Es un pasto C4 en lo referente a fotosíntesis.

5. Aprovecha el nitrógeno y el agua eficientemente.

6. Es un pasto potencialmente muy productivo en lo que a biomasa se refiere. 

7. Su productividad oscila entre 6.0 ton. de materia seca en regiones de baja fertilidad al norte de Europa y, 25.o ton. en regiones fértiles al sur de Europa.

8. El potencial de productividad con buen manejo del cultivo puede ser mayor a 15 años y presenta alto grado de sustentabilidad.

Existen dos tipos principales de Switchgrass:

1.     Los que se desarrollan en tierras bajas y húmedas, tienen tallos altos y gruesos.   

2.     Los que se desarrollan en tierras altas y secas, sus tallos son más delgados y tienen mayor cantidad de tallos. 

3. Switchgrass y Miscanthus 

En comparación con el pasto Miscanthus Giganteus, el Switchgrass es más pequeño y tiene menor cantidad de follaje. Sin embargo su establecimiento es más económico y con menos riesgo porque se realiza mediante semilla en lugar de rizomas con el caso con Miscanthus G. 

Además, el Switchgrass es más tolerante a la sequía y condiciones de baja fertilidad en los suelos.

4. Ciclo de Desarrollo

a.     Los retoños emergen durante primavera cuando la temperatura en los suelos es mayor a 10°C

b.     Su desarrollo puede ser rápido con formación de hasta 75% de la biomasa a mediados del verano cuando se presenta la floración. Su desarrollo anual termina a finales del verano.

c.      Después de la floración los tallos son leñosos y la planta comienza su estado latente (otoño-inverno) donde los minerales nutrientes se trasladan de las hojas y los tallos hacia las raíces y rizomas donde son almacenados para el desarrollo en el siguiente ciclo anual.

5. Establecimiento y Cultivo

1. El Switchgrass se adapta a una gran diversidad de suelos. En suelos profundos con buen drenaje y alta capacidad para almacenar agua se adapta fácilmente. Sin embargo, en suelos poco profundos, pedregosos, con fertilidad escasa, bajo PH, ocasionalmente indundables o relativamente secos puede también desarrollarse eventualmente y mostrar productividad aceptable o mayor comparada con la de otros pastos y cultivos leñosos.

2. Las malezas que emergen en primavera y verano pueden ser problema en el establecimiento y cultivo de Switchgrass. La eliminación y control de las malezas debe efectuarse con suficiente anticipación antes de sembrar la semilla de Switchgrass. La estrategia para eliminación y control de malezas puede comenzar un año antes de la siembra, porque posteriormente sería muy difícil eliminarlas.

3. Es conveniente seguir guías base para el cultivo que han probado ser exitosas en Estados Unidos y Europa bajo condiciones de clima y suelos similares a las de México. La labranza de conservación es posible: subsoleo para descompactar suelos, y rastra para dejar cama fina para la siembra. 

6. Suelos y Fertilización 

• El Switchgrass se adapta a suelos con baja fertilidad y condiciones ácidas. Su raíz larga es eficiente la absorber nutrientes. 
• Utiliza micorrizas para absorber el fósforo.  
• Bajo condiciones ideales se prefiere un PH neutro durante la siembra.
• Durante el primer año no se aplica nitrógeno, porque no se requiere para el desarrollo inicial y puede propiciar la aparición de malezas que competirían con las plántulas y podrían eliminarlas. 
• Fósforo y potasio se aplican cuando la disponibilidad en los suelos es escasa.  
• La fertilización y aplicación de nutrientes después del primer año se realiza a niveles que consideran anticipadamente la productividad esperada y la pérdida de minerales en la biomasa cosechada. 
• Normalmente los tallos se cosechan cuando están sin vida y el contenido de minerales en ellos es bajo. Por tanto, la aplicación de fertilizantes para suplir estos minerales se requiere sólo cada pocos años. 
• El requerimiento de nitrógeno es bajo generalmente. Sin embargo, en suelos con escasa fertilidad o donde se emplea irrigación se requiere mayor cantidad de nitrógeno.  
• i.      Los primeros estudios en Europa mostraron que 50 kg. de nitrógeno por hectárea es adecuado en regiones de noroeste de Europa, mientras que en regiones con mayor potencial de productividad se requieren entre 50 kg. y 100 kg. de nitrógeno por hectárea.  
• Las recomendaciones sobre aplicación de nutrientes debe basarse en análisis de los suelos. Sin embargo el fósforo y el potasio pueden mantenerse en niveles bajos. Altos niveles de nitrógeno aplicado pueden reducir la productividad e incrementar la cantidad de humedad en la biomasa. 

7. Variedades 

a.     En la elección de variedades de Switchgrass se considera la Latitud en la región donde se establecerá el cultivo.  

b.     Las variedades originarias en América Latina tendrán mejor desempeño en las regiones templadas de esos países y en el sur de Europa. 

c.      Las variedades originarias en América del Norte (E.U. y Canadá) tendrán mejor desempeño en regiones frías o extremosas.

d.     Las siguientes variedades han dado buenos resultados de adaptabilidad en Europa y, se encuentran disponibles comercialmente en Estados Unidos:

• Cave-in-Rock: Se adapta en regiones de noroeste de Europa (Reino Unido, Holanda, Dinamarca).

• Kanlow: Se adapta en regiones del sur de Europa (sur del Reino Unido y de Dinamarca, norte de Italia). Tiene problemas de supervivencia en latitudes nórdicas, particularmente durante el primer año.

• Alamo: Es la especie más apropiada para las regiones del Sur de Europa. Puede no sobrevivir inviernos en climas nórdicos, especialmente en el primer año de cultivo.

 

Consultar con proveedores de semillas sobre variedades adaptables a distintas regiones, climas y suelos. 

8. Siembra 

• La siembra de semillas puede efectuarse, ya sea al voleo; con sembradora de precisión; o siembra directa (labranza mínima). Después de la siembra, es recomendable pasar rodillo o rama sobre suelo seco para tapar la semilla, particularmente la sembrada al voleo, a fin de asegurar contacto entre  suelo y semilla.
• Profundidad de siembra alrededor de 10 mm. (0.5 - 1.5 cm.). A mayor profundidad podría no establecerse bien el cultivo. Lemillas en cama de siembra suelta tardarán más en germinar. 
• Sembrar cuando en el suelo la temperatura es mayor a 10°C. Es preferible la siembra con humedad en la cama de siembra. En este sentido las condiciones son similares a las de siembra las de maíz. En regiones del norte de Europa la siembra se efectúa entre abril y mayo.  
• La cantidad de semilla por superficie se basa en la cantidad de semillas puras viables y de los porcentajes de germinación que varían de acuerdo al tiempo de almacenamiento de las semillas. 
• Las semillas de reciente cosecha tienen altos niveles de dormancia. Generalmente la semilla se almacena durante un año antes de ser sembrada. La germinación puede mejorar mediante la estratificación de las semillas. Antes de la siembra se realizan pruebas para conocer los porcentajes de germinación y la cantidad de semilla pura. 
• En Europa, la cantidad de semilla para siembra por hectárea se estima entre 10 kg. y 20 kg. 
• Las semillas de Switchgrass son pequeñas y están cubierta por una capa dura y pulida. 
• Hay entre 500 y 1000 semillas por gramo, dependiendo de la variedad. 
• La distancia de siembra entre filas utilizando sembradora de precisión: 15 cm. aprox. 

9. Control de Malezas 

a.     El crecimiento del Switchgrass es lento durante el primer año. Por esta razón las plántulas tienen que competir con las malezas. Es necesario que plántulas suficientes sobrevivan el primer invierno y continúen su desarrollo en primavera. Cuando se logra en el primer año, en años posteriores generalmente no se requiere mayor control de malezas, porque le Switchgrass adulto puede competir con las malezas cuando la temperatura aumenta en primavera-verano. 

b.     Optimizar las condiciones en la cama de siembra antes de la plantación mejora las posibilidades de establecimiento en la plantación

En caso de requerir herbicidas, los más comunes son:  

• Glyfosfato (aplicado antes de la preparación de la cama para siembra).

• Atrazine (pre-emergencia y post-emergencia). 

• Ioxynil, Bromoxynil, Mecoprop, Bentazone (malezas de hoja ancha).

 

10. Productividad 

a.     Dependiendo en el tipo de suelos, la productividad óptima se alcanza entre 2 y 3 años en suelos ligeros y, 4 a 5 años en suelos pesados. 

a.     La producción de biomasa en el primer año es baja y, en ocasiones no es costeable cosechar en el primer año.

b.     A partir del segundo año la cantidad de materia seca por hectárea se estima entre 8 y 10 ton., la cual puede incrementar todavía en el tercer año.

c.      Heladas tempranas y sequías severas pueden afectar el potencial de desarrollo futuro. 

11. Cosecha 

a.     En cultivos para obtención de biomasa (energía, fibras, etc.) se recomienda cosechar en invierno o inicio de primavera. 

b.     Cosecha en otoño (antes de la latencia) trae como consecuencia bajos niveles de supervivencia en invierno; escasa reproducción de brotes (retoños) en primavera y posible pérdida del cultivo. 

c.      Se utiliza equipo normal para corte y elaboración de pacas a partir de forrajes. 

d.     Durante el almacenamiento, la humedad en la biomasa de Switchgrass no debe exceder de 15% ó 20%.

12. Referencias

A management guide for planting and production of switchgrass as a biomass crop in Europe: H. W. Elbersen, D.G. Christian, N. El Bassam, G. Sauerbeck, E. Alexopoulou, N. Sharma, I. Piscioneri. Wageningen UR, A&F B.V. Rothamsted, HarpendenUnited Kingdom; FAL (Federal Anstalt Fuer Landwirtschaft), Braunschweig, Germany; CRES (Center for Renewable Energy Sources), Pikermi, Attiki, Greece; ENEA (Ente per le Nuove Tecnologie, Energie e l'Ambiente, Italy.

 

Miscanthus 

Miscanthus x Giganteus

Etanol Celulósico, Fibras, Electricidad, Calor

Contenido

1. Resumen

2. Ciclo Anual

3. Suelos

4. Temperatura

5. Agua

6. Sitio

7. Preparación del Sitio

8. Material para Siembra

9. Densidad de la Plantación

10. Equipo para Siembra

11. Manejo del Cultivo 

12. Cosecha

13. Productividad

14. Valor Energético

1. Resumen 

Las especies Miscanthus son pastos leñosos perennes similares al bambú, originarios de Asia. Se reproducen mediante rizomas. Una vez bien establecidos (2-3 años), algunos de los genotipos como el triploide híbrido Miscanthus x Giganteus  tienen potencial de alto crecimiento en sus tallos (altura 3.0 m. o más) durante el período de desarrollo anual. Algunas especies son ornamentales, distintas a las que utilizan en la producción de biomasa como Miscanthus x Giganteus.

Los Miscanthus se siembran en primavera mediante rizomas y, una vez establecidos, permanecen en sitio alrededor de 15 años. Sus hojas (follaje) caen en invierno y, de este modo, contribuyen a la formación de humus en los suelos y al reciclaje de nutrientes. Producen tallos en forma de bambú a finales de primavera o verano, Estos tallos son cosechados al final del invierno o comienzo de la primavera. Este patrón de crecimiento se repite cada año durante la vida del cultivo. 

Se reproducen naturalmente mediante órganos presentes bajo el suelo llamados rizomas. Estos rizomas pueden ser cortados en segmentos que se re-siembran para producir nuevas plantas. Las operaciones de propagación, mantenimiento y cosecha pueden efectuarse mediante equipo agrícola convencional.

En el Reino Unido, la productividad anual promedio de largo plazo en cultivos que han alcanzado madurez (3 años), ha sido mayor a 16 ton de materia seca por hectárea bajo condiciones controladas de investigación. Esta productividad indica que el cultivo de Miscanthus x Giganteus tiene potencial para contribuir en la obtención de biomasa destinada a la generación de bioenergía.

2. Ciclo Anual

El patrón de crecimiento del cultivo es simple. Produce nuevo retoños que emergen del suelo anualmente en primavera (abril); se transforman en tallos robustos, erectos y con diámetro alrededor de 1.0 cm. y altura entre 1 y 2 m. a finales de agosto en el año de la siembra bajo condiciones adecuadas de clima y suelos. Los tallos usualmente sin ramas contienen una substancia blanca esponjosa. 

A partir de finales de Julio, el follaje en la parte baja de la planta comienza a envejecer mientras que la cobertura de follaje en la parte alta de la planta evita la penetración de luz hacia las partes bajas. En otoño, el envejecimiento del follaje se acelerarse, y los nutrientes regresan a los rizomas. Finalmente el follaje (hojas) cae formando una gruesa capa en lo suelos, y los tallos se secan en invierno (30% a 50% de humedad). En febrero, los tallos permanecen casi sin hojas, listos para ser cosechados mecánicamente. El ciclo se repite cuando la temperatura se incrementa anualmente en primavera. A partir del segundo año se espera una altura máxima en el cultivo entre 2.5 y 3.5 m. bajo condiciones adecuadas de clima y suelos. 

3. Suelos 

Investigación y reportes indican que el Miscanthus crece y produce biomasa en un amplio rango de suelos, desde arenosos hasta altos en materia orgánica. Tolera amplios rangos de PH, siendo el óptimo PH entre 5.5 y 7.5. Evitar suelos demasiado arcillos que guardan alta humedad por largo tiempo, lo cual impide el acceso de la maquinaria para cosecha.

4. Temperatura 

El Miscanthus no se desarrolla cuando la temperatura se encuentra por debajo de los 6°C. Esta temperatura es considerablemente menor a la que se requiere para el cultivo de maíz y, por tanto, el potencial de duración de la etapa para el desarrollo se prolonga. Sin embargo, la etapa más larga para el desarrollo desde el inicio de la primavera, ocasiona que las heladas primaverales destruyan el follaje y acorten la etapa de desarrollo en el Miscanthus x Giganteus. 

 5. Agua

La precipitación pluvial y la retención de agua en los suelos ejercen influencia en la productividad. El Miscanthus utiliza eficientemente el agua al considerar la cantidad de agua requerida para la producción de una unidad de biomasa. Su raíz puede penetrar alrededor de 2.0 m. en busca de agua. Sin embargo, para obtener altos rendimientos, el cultivo puede requerir más agua que los cultivos que reemplaza. Su follaje denso intercepta entre 20% y 30% del agua de lluvia. La mayor parte del agua interceptada se evapora en el follaje, no se infiltra en los suelos.

La disponibilidad limitada de agua en los suelos durante el crecimiento, limitaría el potencial de desarrollo en el cultivo. Se ha calculado una pérdida de 90 kg. de biomasa por cada milímetro de agua que falte en los suelos. Generalmente, la inversión en irrigación no se justifica frente al incremento de biomasa obtenido. Durante sequía severa, el follaje del Miscanthus se enrolla primeramente y, posteriormente se desprende de los tallos. El desprendimiento del follaje reduce la productividad anual en el cultivo durante al año de sequía, pero habitualmente el cultivo se repone al año siguiente cundo la precipitación pluvial es suficiente.

6. Sitio

El Miscanthus puede permanecer en el sitio de cultivo durante 15 años o más, alcanzando alturas hasta de 3.5 m. De tal manera, su impacto en el ambiente local debe ser considerado antes de establecer el cultivo. Habrá que evitar la compactación y mantener buena estructura en los suelos, así como distancia adecuada para no afectar otros cultivos.

7. Preparación del Sitio 

La preparación del sitio resulta esencial para lograr un buen establecimiento de la plantación; facilitar el manejo del cultivo; y evitar problemas futuros, considerando que el cultivo podría permanecer 15 años o más en sitio.

El primer paso, antes de la siembra de rizomas, consiste en eliminar y controlar las malezas. Puede aplicarse un herbicida de amplio espectro como el glifosato (glyphosate) para controlar malezas perennes y posteriormente la labranza (enero). De este modo se previene también la aparición de plagas (larvas de dos meses y sus huevecillos) e insectos comunes que afectarían el cultivo en su etapa inicial de desarrollo. Es decir, las plagas no tendrían malezas para alimentarse y sobrevivir durante el invierno.

Al inicio de primavera (marzo-abril) el suelo debe ser roturado inmediatamente antes de la siembra de rizomas para mejorar las posibilidades de establecimiento del cultivo (desarrollo de raíces, buen contacto del suelo con las raíces, aireación en los suelos, mejorar la eficiencia de herbicidas residuales aplicados después de la siembra). 

8. Material para Siembra 

Utilizar material adecuado para siembra (rizomas) resulta fundamental. Es necesario tomar en cuenta los reglamento fitosanitarios en relación con la procedencia de los rizomas e inspección sanitaria de los mismos. 

La División de rizomas, es el método de propagación más favorecido debido a su bajo costo y producción de plantas vigorosas. El material para propagación del cultivo se obtiene a partir de plantas con 2 ó 3 años de edad que en estado de dormancia son partidas mediante discos de arado o rastra. Los rizomas de estas plantas son cortados en segmentos que se utilizan para re-siembra. Antes de la siembra, los rizomas deben tener al menos 2 ó 3 retoños (brotes puntiagudos) inicialmente. Para esto se requiere mantener humedad en los rizomas antes de siembra. La humedad en los rizomas se conserva mejor durante almacenamiento a temperatura menor a 4°C. Los rizomas pueden ser almacenados también en el campo por períodos cortos bajo tierra húmeda. 

9. Densidad de la Plantación 

Se recomienda sembrar entre 20,000 y 30,000 rizomas por hectárea para obtener entre 10,000 y 15,000 plantas por hectárea. De este modo, se consideran pérdidas durante el establecimiento del cultivo y se proveen suficientes rizomas para una productividad óptima a partir del tercer año, así como para controlar malezas mediante competencia en el desarrollo. 

Los rizomas se siembran a una profundidad entre 5 y 10 cm. durante marzo y abril. Sin embargo la siembre en ocasiones puede continuar en mayo e inicios de junio. En algunas regiones, la siembra temprana (marzo-abril) tiene ventajas cuando es posible aprovechar la humedad previa en los suelos y permite una etapa prolongada para un mayo desarrollo en los rizomas que se tornan más robustos en años siguientes y permiten al cultivo soportar mejor las condiciones de sequía y las heladas.

10. Equipo para Siembra 

Generalmente se utiliza sembradora de papa para plantar rizomas de Miscanthus. Anteriormente se utilizaba esparcidor de estiércol para esparcir los rizomas y posteriormente incorporarlos a los suelos mediante rastra o cultivadora seguida de rodillo para propiciar el contacto entre suelo y rizomas. Ese método con el esparcidor de estiércol es rápido en la siembra, pero no es recomendable, debido a que no es posible predecir el espacio entre plantas y está asociado con bajos niveles de establecimiento en el cultivo. Por tanto, la sembradora de papa es recomendable.

Habrá que seleccionar los rizomas para que puedan pasar a través de la sembradora hacia el suelo. La distancia entre plantas se establece mediante la velocidad de la rueda que gira en el suelo. Este método es menos rápido (0.3 ha/hr.) pero asegura la distancia entre plantas y profundidad de siembra que son importantes en el establecimiento del cultivo

En Dinamarca se ha diseñado una máquina especialmente para siembra de rizomas de Miscanthus. Esta máquina opera sembrando dos filas de rizomas en un surco abirto previamente. Una vez plantados los rizomas son cubiertos por tierra. La máquina puede ser ajustada para obtener diversas densidades en la plantación. En el Reino Unido se han desarrollado también máquinas para siembra de rizomas en dos o cuatro filas. El diseño de estas máquinas basado en las sembradoras de papa.  

11. Manejo del Cultivo 

Control de Malezas: 

Las malezas compiten por la luz solar, agua y nutrientes en el cultivo. Esto puede reducir la productividad. De tal manera, el control de malezas resulta esencial durante el establecimiento de Miscanthus. Los suelos deben estar libres de malezas antes de la siembra de rizomas. La aplicación de herbicidas no debe efectuarse cuando el Miscanthus tiene una altura de un metro o más. Aplicar sólo herbicidas aprobados por el departamento de sanidad bajo supervisión y asesoramiento técnico. Un año después del establecimiento del cultivo puede se necesario aplicar anualmente en primavera un herbicida de amplio espectro para eliminar malezas en su etapa inicial de desarrollo. Herbicidas como el Glyphosate y Paraquat han sido utilizados entre las etapas de dormancia (latencia) entre la cosecha y la emergencia en primavera, pero han causado daños en los retoños. 

En la etapa de madurez en el cultivo (2-3 años), las malezas son controladas por la capa de follaje que cae al suelo evitando el paso de luz solar y, la densidad en el follaje que evita también la penetración de luz hacia los suelos. Algunas malezas que sbreviven, no ofrecen competencia importante al cultivo. 

Algunos herbicidas a consideración para uso en Miscanthus, pueden ser los siguientes: 

Plagas y Enfermedades: 

Las especies de Miscanthus son susceptibles a plagas y enfermedades que se presentan en Asia, su lugar de origen, pero no se han reportado estas plagas y enfermedades en regiones del Reino Unido o Irlanda. Enfermedades que infectan la base del tallo pueden incidir en el pasto Miscanthus (otoño-invierno) reduciendo la fortaleza en los tallos. No existen plagas significativas que afecten al Miscanthus en regiones del Reino Unido o Irlanda. Sin embargo. Algunos tipos de polillas de alimentan del Miscanthus y es conveniente combatirlas bajo supervisión y asesoramiento técnico, así como otras plagas que pudieran presentarse. 

12. Cosecha 

La cosecha anual de tallos puede efectuarse entre enero y marzo utilizando maquinaria y acondicionadoras para el aprovechamiento de forrajes para lograr un contenido de humedad entre 15% y 20% en el cultivo.

13. Productividad 

La productividad dependerá en la madurez del cultivo, factores medioambientales y manejo en plantación en una región específica. La madurez se alcanza entre 2 y 3 años (hasta 5 años en condiciones marginales). 

Generalmente no es costeable obtener la cosecha del primer año (1-2 ton/ha.) y los tallos se dejan en el campo para cosecha en el segundo año. Pero cuando es necesario aplicar herbicidas en primavera del primer año, entonces habría que cosechar dichos tallos para evitar el riesgo que afectaría negativamente al cultivo. 

En el segundo año la productividad puede oscilar entre 4 y 10 ton de materia por hectárea (ocasionalmente 13 ton/ha.). En el tercer año 13 ton/ha. o más. Entre 3 y 5 años hasta 20 ton/ha. anuales. Esto depende de las condiciones de cultivo, humedad, tipo de suelos y densidad en la plantación.

14. Valor Energético 

El miscanthus tiene un valor calorífico en base a materia de: 17 MJ/kg. Un contenido de ceniza igual a 2.7%. El valor energético de 20 toneladas de Miscanthus seco sería equivalente a 8 toneladas de carbón. En el Reino Unido, el análisis sobre energía en Miscanthus determinó un radio de 30. Es decir, por cada unidad de energía utilizada en la producción del cultivo de Miscanthus se obtienen alrededor de 30 unidades de energía.