| Popis: |
In recent decades, renewable energy production has become the focus of energy policy. For meeting the target of increasing the share of renewable energy, biomass use is claimed to be essential. Since there has been a decrease in the use of agricultural areas after the restoration of independence in Estonia, abandoned agricultural land resource may have a potential in increasing bio-energy production. However, bio-energy sustainability should be analysed. Furthermore, there is a need for site-specific assessments, i.e. the inclusion of pedo-climatic conditions in bio-energy analyses. The aims of the study were: to develop a methodology for quantifying and locating abandoned agricultural areas, to assess bio-energy potential on abandoned fields and to develop the methodology for site-specific yield analysis in Tartu County as an example; to analyse fertilisation and energy efficiency dependence on soil properties and to model reed canary grass yield dependence on soil nitrogen content and nitrogen fertilisation; to compile multi-criteria analysis, i.e. energy efficiency (net energy yield, energy use efficiency) and profitability of reed canary grass production; and to analyse fibre hemp and energy sunflower biomass production grown on different nitrogen treatments. The conclusions of the study were: 1. In 2007, abandoned agricultural land in Tartu County formed 24% of the total agricultural area. Land resource soil analysis indicated a clear tendency of soil effect on land-use decisions. The proportion of abandoned areas in Tartu County is higher on soils with low soil fertility. 2. Total abandoned areas are not equally suitable for energy crop production. Soil-crop suitability analysis indicated that reed canary grass and grey alder have the highest re-use potential for abandoned parcels of compared dedicated energy crops (i.e. reed canary grass, Caucasian goat’s rue, willow, grey alder, hybrid aspen) with each re-using more than 80% of the available abandoned land in Tartu County. In the case of a combined land-use strategy, potential bio-energy production could provide a quarter (667 GWh) of county’s annual energy demand. 3. The yield of reed canary grass varies from 0.9 to 6.9 Mg ha-1 depending on the soil total nitrogen content and the climatic conditions. Nitrogen fertilisation decreases yield variability of reed canary grass on soils with a low soil nitrogen content. By contrast, on soils with a high soil nitrogen content, reed canary grass yield variability, i.e. production risks, increases with increasing fertiliser application. Nitrogen fertilisation efficiency decreases with increasing soil nitrogen content and mineral nitrogen application. 4. Irrespective of fertiliser application rates, also nitrogen treatment influences energy crop yield. From mineral and organic fertilisers in current study, the more favourable treatment for fibre hemp biomass formation was mineral nitrogen and sewage sludge and for energy sunflower, highest yield formed on sewage sludge treatment. 5. The integration of the yield model to the Estonian large-scale soil map approves spatial variability of reed canary grass biomass production. Approximately 81% of Tartu County`s agricultural area is capable of producing an average reed canary grass yield without fertilisation below 4 Mg ha-1, and the yields of 4 to 6 Mg ha-1 are achievable in a limited number of fields. 6. The current study provides the first evidence of an energy use efficiency curve dependent on soil nitrogen content in reed canary grass production. Energy use efficiency decreases on Histosols. On humus-poor soils, a quadratic curve relationship between energy input and energy use efficiency occures, i.e. to reach the optimum energy use efficiency level, nitrogen fertiliser inputs should be 198 kg ha-1. Detailed analyses on Haplic Albeluvisol indicated that an optimum energy use efficiency could be achieved by reducing the nitrogen application norm twofold to reach a production minimum net cost. Therefore, knowledge-based bio-energy production requires the inclusion of multiple characteristics and site-specific information in analysis. Viimastel aastakümnetel on avalikes aruteludes tähtsal kohal olnud taastuvenergiaallikate osakaalu suurendamine, milles pannakse suuri ootusi biomassi kasutamisele energia tootmiseks. Alates taasiseseisvumisest on põllumajanduslik maakasutus Eestis oluliselt vähenenud. Kasutusest väljajäänud põllumajandusmaade taaskasutuselevõtu üks võimalus on nendel aladel bioenergiakultuuride kasvatamine. Teadmistepõhine energiakultuuride planeerimine eeldab võimalikult detailse asukohapõhise informatsiooni kasutamist (sh mullastik-klimaatiliste iseärasuste arvestamist) ning tootmise jätkusuutlikuse hindamist. Doktoritöö eesmärgid olid järgmised: Tartu maakonna näitel välja töötada metoodika, mille abil saaks hinnata kasutusest väljajäänud põllumajandusmaa ressurssi, selle bioenergeetilist potentsiaali ja analüüsida päideroo saagipotentsiaali lähtuvalt mullastik-klimaatilistest tingimustest; analüüsida päideroo väetamise ja energiakasutuse efektiivsuse sõltuvust mulla omadustest ja modelleerida päideroo saagikuse sõltuvust mulla lämmastikusisaldusest ja lämmastikuga väetamisest; koostada päideroo kasvatamise energiaparameetrite (energiasaagis, energiakasutuse efektiivsus) ja majandusliku tasuvuse võrdlev analüüs; ning analüüsida erinevate lämmastikväetiste mõju kiukanepi ja energiapäevalille saagi kujunemisele. Töös jõuti järgmisele tulemustele: 1. Tartu maakonnas oli 2007. aastal kasutamata põllumajandusmaade osatähtsus 24%. Põllumajanduslikus kasutuses olevate ja kasutamata maade mullastikus on olulised erinevused. Kasutamata põllumajandusmaad on kasutuses oleva maaga võrreldes üldiselt väiksema viljakusega ning piiratuma kasutussobivusega. 2. Kogu kasutamata põllumajandusmaa ei sobi võrdväärselt analüüsitud energiakultuuride kasvatamiseks. Uuritud energiakultuuridest (päideroog, ida-kitsehernes, paju, hall lepp, hübriidhaab) sobivad päideroog ja hall lepp enam kui 80%-le kasutamata maadest. Paju, halli lepa, hübriidhaava, päideroo ja ida-kitseherne kombineeritud maakasutuse bioenergeetiline potentsiaal on 667 GWh, mis moodustab veerandi maakonna aastasest energiatarbest. 3. Päideroo kuivaine maapealne biomass väetamata mullal varieerub suures ulatuses (0,9–6,9 Mg ha-1) sõltuvalt mulla lämmastikusisaldusest ja aastast. Väikese lämmastikusisaldusega muldadel päideroo saagi varieeruvus lämmastikväetiste andmisel väheneb, seevastu lämmastikurikastel turvasmuldadel saagi varieeruvus lämmastikuga väetamisel suureneb. Lämmastikväetise efektiivsus väheneb mulla lämmastikusisalduse ja väetisnormi suurenedes. 4. Peale lämmastikväetise koguse mõjutab saagikust ka väetise liik. Katses kasutatud mineraal- ja orgaanilistest väetistest saadi suurim kiukanepi biomassi saak mineraalse lämmastikväetise ja reoveesette kasutamisel ning suurim energiapäevalille saak reoveesette kasutamisel. 5. Päideroo saagimudeli rakendamine Eesti suuremõõtkavalisel mullastikukaardil tõestab saagi suurt ruumilist varieeruvust Tartu maakonnas. Mulla üldlämmastikusisaldusest sõltuvalt on ligikaudu 81%-l Tartu maakonna põllumajandusmaade väetamata mulla päideroo saagipotentsiaal alla 4 Mg ha-1 ja keskmine potentsiaalne saagikus 4–6 Mg ha-1 on saavutatav vaid üksikutel põldudel. 6. Käesolev töö esitab esmakordselt kvantitatiivse seose energiakasutuse efektiivsuse ja mulla lämmastikusisalduse vahel. Turvasmullal vähendab lämmastikuga väetamine päideroo energiakasutuse efektiivsust, kuid näivleetunud mullal suureneb see kuni annuseni 198 kg N ha-1 ning väheneb suuremate väetisannuste korral. Detailne analüüs näivleetunud mullal tõendab mitme hindamiskriteeriumi arvestamise tähtsust energiakultuuride planeerimisel: optimaalne energiakasutuse efektiivsus saadakse ligikaudu kaks korda väiksema lämmastikunormiga kui see on vajalik toodangu väikese omahinna saamiseks. Seetõttu tuleb bioenergia tootmise planeerimisel arvestada paljusid kriteeriume ja lähtuda võimalikult asukohapõhisest informatsioonist. |
