Arundo donax es una caña perenne alta . Es una de las varias especies llamadas de caña . Tiene varios nombres comunes, incluidos caña gigante , pasto elefante , carrizo , arundo , caña española , caña del río Colorado , caña silvestre y caña gigante . Arundo y donax son respectivamente los antiguos nombres en latín y griego para la caña. [3]
Arundo donax crece en suelos húmedos, ya sean frescos o moderadamente salinos, y es originaria del Gran Oriente Medio . [4] [5] Ha sido ampliamente plantada y naturalizada en las regiones templadas suaves, subtropicales y tropicales de ambos hemisferios, especialmente en el Mediterráneo , California , el Pacífico occidental y el Caribe y se considera invasiva en América del Norte y Oceanía. [6] [4] [5] [7] [8] Forma rodales densos en sitios perturbados, dunas de arena, en humedales y hábitats ribereños .
Arundo donax generalmente crece hasta 6 metros (20 pies) de altura, o en condiciones ideales puede superar los 10 metros (33 pies). Los tallos huecos tienen de 2 a 3 centímetros (0,79 a 1,18 pulgadas) de diámetro. Las hojas de color verde grisáceo en forma de espada son alternas, de 30 a 60 centímetros (12 a 24 pulgadas) de largo y de 2 a 6 centímetros (0,79 a 2,36 pulgadas) de ancho con una punta afilada, y tienen un mechón peludo en la base. En general, la planta se parece a una caña común de gran tamaño ( Phragmites australis ) o un bambú (subfamilia Bambusoideae).
A. donax florece a finales del verano, con penachos erectos y plumosos de 40 a 60 centímetros (16 a 24 pulgadas) de largo, que generalmente no tienen semillas o tienen semillas que rara vez son fértiles. [9] En cambio, se reproduce principalmente de forma vegetativa mediante rizomas subterráneos duros y fibrosos que forman esteras nudosas y extendidas que penetran profundamente en el suelo, hasta 1 metro (3,3 pies) de profundidad. [10] [11] Los trozos de tallo y rizoma de menos de 5 centímetros (2,0 pulgadas) de largo y que contienen un solo nodo podrían brotar fácilmente en una variedad de condiciones. [12] Esta propagación vegetativa parece estar bien adaptada a las inundaciones, que pueden romper grupos individuales de A. donax , esparciendo los trozos, que pueden brotar y colonizar río abajo. [10]
Arundo donax es una hierba alta y perenne de la subfamilia Arundinoideae , caracterizada por la fotosíntesis C3 . Los tallos producidos durante la primera temporada de crecimiento no están ramificados y son fotosintéticos. En el Mediterráneo , donde un clima templado se caracteriza por veranos cálidos y secos e inviernos suaves, los nuevos brotes de carrizo gigante emergen alrededor de marzo, creciendo rápidamente en junio y julio y produciendo tallos y hojas. A partir de finales de julio, las hojas inferiores comienzan a secarse, dependiendo de los patrones de temperatura estacionales. El secado se acelera durante el otoño cuando se produce la antesis desde principios de octubre hasta finales de noviembre. En esta etapa fenológica, el contenido de humedad disminuye significativamente. En las bajas temperaturas del invierno, el carrizo gigante detiene su crecimiento; el rebrote se produce en primavera. El carrizo gigante se comporta como una anual en Europa Central , donde las temperaturas del suelo son bajas, debido a la poca tolerancia a las heladas de los rizomas .
La temperatura base de crecimiento reportada para el junco gigante es de 7 °C, [13] con una temperatura máxima de 30 °C. Tiene una alta capacidad fotosintética , asociada con la ausencia de saturación de luz. Las tasas de intercambio de dióxido de carbono son altas en comparación con otras especies C 3 y C 4 ; la absorción máxima de CO 2 varió de 19,8 a 36,7 μmol/s·m 2 en condiciones naturales, dependiendo de la irradiancia y la edad de la hoja. El intercambio de dióxido de carbono está regulado por la conductancia de la hoja. [14]
Los estudios han demostrado que esta planta es rica en compuestos activos de triptamina , pero hay más indicios de que las plantas de la India tienen estos compuestos que en los Estados Unidos . [15] También se han encontrado toxinas como la bufotenidina [16] y la gramina [15] .
Se ha descubierto que el rizoma seco sin tallo contiene 0,0057 % de DMT , 0,026 % de bufotenina y 0,0023 % de 5-MeO-MMT. [15] También se sabe que las flores tienen DMT y el análogo N-desmetilado 5-metoxilado, también 5-MeO-NMT . Se ha encontrado la sal metilada cuaternaria bastante tóxica de DMT, bufotenidina, [15] en las flores, y la deshidrobufotenidina cíclica en las raíces. [ cita requerida ] También se sabe que A. donax libera compuestos orgánicos volátiles (VOC), principalmente isopreno . [17]
En la mayoría de las áreas donde crece la caña gigante ( área mediterránea y EE. UU .), no se producen semillas viables. [18] Se informa que la esterilidad de la caña gigante resulta de la falla de la célula madre de la megaspora para dividirse. [19] Esta esterilidad , que limita drásticamente la variabilidad genética, es un obstáculo para los programas de mejoramiento que apuntan a aumentar la productividad y la calidad de la biomasa para la conversión de energía. [20] Se recolectó un total de 185 clones de A. donax desde California hasta Carolina del Sur y se les realizó una huella genética con los marcadores basados en SRAP y TE . [21] La caña gigante no exhibió variación genética molecular a pesar de la amplia cobertura genómica de los marcadores utilizados en este estudio. Los datos moleculares apuntan firmemente a un solo clon genético de A. donax en los Estados Unidos , aunque se han documentado múltiples introducciones de esta planta en los Estados Unidos . Otro estudio realizado en el área mediterránea tomó muestras de caña gigante de 80 sitios diferentes y demostró una baja diversidad genética en esta región también. Los resultados indican la ocurrencia de alteraciones post- meióticas en la vía de desarrollo del óvulo y el polen. Los datos de AFLP apoyan un origen monofilético de la caña gigante y sugieren que se originó en Asia , extendiéndose desde allí hacia la cuenca mediterránea .
El junco gigante se adapta a una amplia variedad de condiciones ecológicas, pero generalmente se asocia con sistemas ribereños y de humedales. Se distribuye por el sur de los Estados Unidos, desde Maryland hasta California . Las plantas pueden crecer en una variedad de suelos, desde arcillas pesadas hasta arenas sueltas y suelos con grava, pero prefieren suelos húmedos y drenados, donde producen densas masas monotípicas .
Arundo es una planta altamente invasiva en los ríos del suroeste de América del Norte, y su promoción como biocombustible en otras regiones es de gran preocupación para los científicos ambientales y los administradores de tierras. [22] Arundo donax fue introducido desde el Mediterráneo a California en la década de 1820 como material para techos y control de la erosión en canales de drenaje en el área de Los Ángeles. [23] [10] A través de la propagación y las plantaciones posteriores como planta ornamental , y para su uso como cañas en instrumentos de viento de madera, se ha naturalizado en las cálidas aguas dulces costeras de América del Norte , y su área de distribución continúa extendiéndose.
También se ha plantado ampliamente en América del Sur y Australasia [23] [12] y en Nueva Zelanda está catalogada en el National Pest Plant Accord como un "organismo no deseado". [24] A pesar de sus características invasivas en regiones de todo el mundo donde no es nativa, la industria energética está promoviendo a Arundo como un cultivo para biocombustibles. Algunas de las regiones, como el sureste de los Estados Unidos, tienen perturbaciones naturales, como huracanes e inundaciones, que podrían dispersar ampliamente esta planta.
Es una de las plantas terrestres de más rápido crecimiento del mundo (casi 10 centímetros (3,9 pulgadas) por día). [8] Hasta el momento, el arundo no proporciona ninguna fuente de alimento ni hábitat de anidación para la vida silvestre. El reemplazo de las comunidades de plantas nativas por arundo da como resultado un hábitat de baja calidad y un funcionamiento alterado del ecosistema. [23] [10] Por ejemplo, daña los ecosistemas ribereños de California al competir con especies nativas, como los sauces, por el agua. Los tallos y las hojas de A. donax contienen una variedad de sustancias químicas nocivas, como sílice y varios alcaloides , que lo protegen de la mayoría de los insectos herbívoros y disuaden a la vida silvestre de alimentarse de él. [23] [25] [10] Los animales de pastoreo como el ganado , las ovejas y las cabras pueden tener algún efecto sobre él, pero es poco probable que sean útiles para mantenerlo bajo control. [8]
Arundo donax parece estar muy adaptada a los incendios. Es muy inflamable durante todo el año y, durante los meses más secos (julio a octubre), puede aumentar la probabilidad, la intensidad y la propagación de los incendios forestales en el entorno ribereño, lo que hace que las comunidades pasen de estar definidas por inundaciones a estar definidas por incendios. [26] Después de los incendios, los rizomas de A. donax pueden rebrotar rápidamente y crecer más que las plantas nativas, lo que puede dar lugar a grandes poblaciones de A. donax a lo largo de los corredores ribereños. [27] [23] Por tanto, los incendios empujan el sistema hacia poblaciones monoespecíficas de A. donax .
Una comunidad de plantas ribereñas dominada por A. donax también puede tener una reducción del sombreado del dosel del hábitat dentro del arroyo, lo que puede resultar en un aumento de las temperaturas del agua. Esto puede conducir a una disminución de las concentraciones de oxígeno y una menor diversidad de animales acuáticos. [23]
A medida que el impacto de Arundo donax aumentó en el medio ambiente y las especies nativas se han realizado varios esfuerzos para reducir su población. Tiene pocos enemigos naturales en su área de introducción. Varios insectos mediterráneos han sido importados a los Estados Unidos como agentes de control biológico . [23] [25] [10] Se sabe que la avispa Arundo, Tetramesa romana , la cochinilla Arundo, Rhizaspidiotus donacis , y la mosca Arundo, Cryptonevra, tienen algún efecto en dañar la planta. Tetramesa romana y más recientemente Rhizaspidiotus donacisis fueron registrados en los EE. UU. como agentes de control biológico.
También se han empleado otros remedios, como el uso de fuerza mecánica, ya que fuera de su área de distribución natural , Arundo donax no se reproduce por semillas, por lo que eliminar su estructura radicular puede ser eficaz para controlarlo. Evitar que reciba luz solar agotará los recursos de la planta y acabará por matarla. [10] Los herbicidas sistémicos y el glifosato también se utilizan como remedios químicos.
El Departamento de Seguridad Nacional de Estados Unidos considera que esta planta es invasiva y en 2007 comenzó a investigar controles biológicos. [28] En 2015, el senador de Texas Carlos Uresti aprobó una legislación para crear un programa para erradicar Arundo donax utilizando herbicidas y la avispa Arundo. [29]
En la región más septentrional de Nueva Zelanda , Arundo donax desplaza a las plantas nativas, [30] reduce el hábitat de la vida silvestre, contribuye a una mayor frecuencia e intensidad de los incendios y modifica la hidrología de los ríos. [31]
Los cultivos energéticos son plantas que se producen con el propósito expreso de utilizar su biomasa energéticamente [32] y al mismo tiempo reducir la emisión de dióxido de carbono . Los biocombustibles derivados de material vegetal lignocelulósico representan una importante alternativa de energía renovable a los combustibles fósiles para el transporte. [33] Las gramíneas rizomatosas perennes muestran varios atributos positivos como cultivos energéticos debido a su alta productividad, baja (nunca) demanda de insumos de nutrientes consecuente con el reciclaje de nutrientes por sus rizomas , excepcional secuestro de carbono en el suelo - pasto varilla 4X , múltiples productos, adaptación a suelos salinos y agua salina , y resistencia a estreses bióticos y abióticos .
El junco gigante es uno de los cultivos más prometedores para la producción de energía en el clima mediterráneo de Europa y África, donde ha mostrado ventajas como cultivo autóctono (ya adaptado al medio ambiente ), rendimientos duraderos y resistente a largos períodos de sequía . Varios estudios de campo han destacado el efecto beneficioso del cultivo de junco gigante sobre el medio ambiente debido a su mínima labranza del suelo , necesidades de fertilizantes y pesticidas . Además, ofrece protección contra la erosión del suelo , [34] uno de los procesos de degradación de la tierra más importantes en los entornos mediterráneos y estadounidenses . La materia prima bioenergética de A. donax tiene un potencial impresionante para varios procesos de conversión. La biomasa seca tiene un alto poder calorífico de combustión directa de 19.000 kJ/kg (8.000 BTU/lb). En Italia , Arundo donax se utilizó en una ocasión entre 1937 y 1962 a gran escala a nivel industrial para papel y pulpa de disolución . Este interés fue estimulado principalmente por el deseo de la dictadura, justo antes de la Segunda Guerra Mundial , de ser independiente de fuentes extranjeras de fibras textiles y el deseo de un producto de exportación. [6] Según los registros históricos realizados por Snia Viscosa , la caña gigante se estableció en 6 300 ha en Torviscosa ( Udine ), alcanzando la producción anual promedio de 35 t / ha . [35] Hoy en día, varias universidades de los EE. UU. Así como de la UE han llevado a cabo varios estudios de detección de cultivos energéticos para evaluar e identificar las mejores prácticas de gestión para maximizar los rendimientos de biomasa y evaluar los impactos ambientales.
El establecimiento es un punto crítico del cultivo. El tallo y el rizoma tienen una gran capacidad de brotar después de la eliminación de la planta madre y ambos pueden usarse para la propagación clonal . El uso de rizomas resultó ser el mejor método de propagación para esta especie, logrando una mejor tasa de supervivencia. [36] En este estudio de campo, se observó cómo la densidad más baja (12.500 rizomas / ha ) resultó en plantas más altas y gruesas en comparación con la plantación más densa (25.000 rizomas / ha ). La preparación del lecho de siembra se realiza en primavera , inmediatamente antes de la siembra, mediante una pasada con grada de doble disco y una pasada con cultivador de campo . La caña gigante tiene la posibilidad de adoptar una baja densidad de plantas. Los rizomas se plantaron a 10-20 centímetros (3,9-7,9 pulgadas) de profundidad del suelo, con una densidad mínima de plantas de 10.000 plantas por ha ), mientras que los tallos maduros , con dos o más nudos, se pueden plantar a 10-15 centímetros (3,9-5,9 pulgadas) de profundidad. Para asegurar una buena posición de las raíces y un contacto adecuado con el suelo , se necesita suficiente humedad inmediatamente después de la plantación. El fertilizante previo a la siembra se distribuye de acuerdo con la fertilidad inicial del suelo , pero normalmente se aplica una aplicación de P a una tasa de 80-100 kilogramos (180-220 lb)/ ha .
A. donax mantiene una alta aptitud productiva sin riego en condiciones de clima semiárido . En el sur de Italia , se llevó a cabo un ensayo para probar el rendimiento de los rendimientos de 39 genotipos , y se alcanzó un rendimiento promedio de 22,1 t/ ha de materia seca en el segundo año, [37] un resultado comparable con otros resultados obtenidos en España (22,5 t/ ha ) así como en el sur de Grecia (19,0 t/ ha ). Varios informes subrayaron que es más económico cultivar carrizo gigante con riego moderado .
Con el fin de evaluar diferentes prácticas de manejo, se evaluó la demanda de fertilizantes nitrogenados y de insumos en un estudio de campo de 6 años realizado en la Universidad de Pisa . Los fertilizantes mejoraron la capacidad productiva en los años iniciales, pero a medida que pasan los años y el aparato radical se profundiza progresivamente, las diferencias debidas a los fertilizantes disminuyen hasta desaparecer. Se encontró que el momento de la cosecha y la densidad de plantas no afectan los rendimientos de biomasa .
Debido a su alta tasa de crecimiento y a su capacidad superior de captación de recursos (luz, agua y nutrientes), A. donax no se ve afectado por la competencia de las malezas a partir del segundo año. Generalmente se recomienda la aplicación de un tratamiento post-emergente. El carrizo gigante tiene pocas enfermedades o plagas de insectos conocidas , pero en cultivos intensivos no se utilizan pesticidas.
Para eliminar la caña gigante al final del ciclo de cultivo, existen principalmente dos métodos: mecánicos o químicos. [38] Una excavadora puede ser útil para extraer los rizomas o, alternativamente, una única aplicación de glifosato al 3% al final de la temporada sobre la masa foliar es eficiente y efectiva con el menor riesgo para la biota. [39] El glifosato fue seleccionado como el producto más apropiado por consideraciones específicas sobre eficacia, seguridad ambiental, actividad residual en el suelo, seguridad del operador, momento de aplicación y rentabilidad. Sin embargo, el glifosato solo es efectivo en otoño cuando las plantas transportan activamente nutrientes a la zona de la raíz y, por lo general, se necesitan múltiples retratamientos. Otros herbicidas registrados para uso acuático pueden ser muy efectivos para controlar Arundo en otras épocas del año.
Arundo donax es un candidato fuerte para su uso como fuente de biocombustible renovable debido a su rápida tasa de crecimiento y su capacidad para crecer en diferentes tipos de suelo y condiciones climáticas. A. donax producirá un promedio de tres kilogramos de biomasa por metro cuadrado (12 toneladas por acre/año) una vez establecido. [40] El aporte total de energía necesaria para el cultivo de una ha aumenta de cultivos no fertilizados (4 GJ ha−1) a cultivos fertilizados (18 GJ ha−1), mientras que el rendimiento energético máximo fue de 496 GJ ha−1, obtenido con 20.000 plantas por ha y fertilización; la fertilización produjo un aumento del 15% en la biomasa. El valor calorífico medio de la biomasa (técnicamente, el valor calorífico obtenido de la combustión de la muestra de biomasa en un sistema adiabático) de la caña gigante es de aproximadamente 17 MJ kg−1 de materia seca independientemente del uso de fertilizantes. [40]
Estudios realizados en la Unión Europea han identificado a A. donax como el cultivo de biomasa energética más productivo y de menor impacto (véase FAIR REPORT EU 2004).
También es significativa su capacidad de crecer durante 20 a 25 años sin necesidad de replantar.
En el Reino Unido se considera adecuado para plantar en zonas acuáticas y sus alrededores. [41]
Se demostró que el Arundo donax cultivado en Australia es una materia prima potencial para producir biocombustibles avanzados a través de la licuefacción hidrotermal . [42]
Fuera de su área de distribución nativa, su interés como cultivo para biocombustibles debe equilibrarse frente a su gran potencial invasor.
Una preocupación ambiental creciente es la salud del sistema del suelo como uno de los principales factores que afectan la calidad y productividad de los agroecosistemas. Alrededor del mundo, varias regiones están sujetas a una disminución de la fertilidad debido a una creciente degradación de los suelos, pérdida de materia orgánica y creciente desertificación. [43] Recientemente se realizó una investigación para evaluar, en las mismas condiciones pedológicas y climáticas, el impacto de tres sistemas agrícolas a largo plazo (14 años), carrizo gigante continuo, pastizales naturales y secuencia de cultivo, sobre las características de la materia orgánica y el tamaño de la biomasa microbiana en el suelo. [44] El estudio señaló que un sistema de cultivo de carrizo gigante a largo plazo, caracterizado por una baja intensidad de labranza, afecta positivamente la cantidad y calidad de la materia orgánica del suelo . Arundo donax mostró mayores valores que el sistema de manejo labrado para el carbono orgánico total del suelo, el carbono de la fracción ligera, el carbono orgánico disuelto y el carbono de la biomasa microbiana. Con respecto a los parámetros de humificación, no se observaron diferencias estadísticas entre el carrizo gigante y una secuencia de cultivo (cereales-legumbres cultivadas de manera convencional).
El Arundo donax se ha cultivado en toda Asia, el sur de Europa, el norte de África y Oriente Medio durante miles de años. Los antiguos egipcios envolvían a sus muertos en sus hojas. Las cañas contienen sílice , tal vez la razón de su durabilidad, y se han utilizado para hacer cañas de pescar y bastones para caminar . [ cita requerida ] Sus tallos rígidos también se utilizan como soporte para plantas trepadoras o para enredaderas . [ cita requerida ]
Esta planta puede haber sido utilizada en combinación con harmal ( Peganum harmala ) para crear una infusión similar a la ayahuasca sudamericana , y puede rastrear sus raíces hasta el Soma de la tradición . [45]
Las cañas maduras se utilizan en la construcción como materia prima, dadas sus excelentes propiedades y su forma tubular. Su parecido con el bambú permite su combinación en edificaciones, aunque el arundo es más flexible.
En las regiones rurales de España, desde hace siglos existe una técnica denominada cañizo , consistente en rectángulos de aproximadamente 2 por 1 metros de cañas tejidas a las que se les podía añadir arcilla o yeso. Un cañizo correctamente aislado en un tejado podía mantener sus propiedades mecánicas durante más de 60 años. Su alto contenido en silicio permite que la caña mantenga sus cualidades a través del tiempo. Su bajo peso, flexibilidad, buena adherencia de la tela del cañizo y bajo precio de la materia prima han sido las principales razones por las que se ha utilizado esta técnica. Sin embargo, en las últimas décadas, la migración rural del campo a los centros urbanos y la explotación extensiva de la tierra ha reducido su uso.
Recientemente se están tomando iniciativas para recuperar el uso de este material, combinando técnicas antiguas de los mudhif (casas de caña) del sur de Irak con nuevos materiales.
Diversas asociaciones y colectivos, como CanyaViva, son pioneros en la investigación en combinación con las universidades españolas.
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Los antiguos griegos utilizaban caña para hacer flautas , conocidas como kalamaulos , de kalamos ("caña") + aulos ("flauta"). En esa época, la mejor caña para flautas provenía de las orillas del río Cefiso , en Ática, Grecia . Varios kalamauloi afinados de forma diferente y unidos entre sí formaban una siringe . La caña gigante se ha utilizado para hacer flautas durante más de 5000 años. Las flautas de pan consisten en diez o más tubos hechos de caña. La antigua flauta de punta soplada ney está hecha de las mismas cañas. [46]
A. donax sigue siendo la principal fuente de material para los fabricantes de cañas para clarinetes , saxofones , oboes , fagotes , gaitas y otros instrumentos de viento de madera . [47] La región de Var , en el sur de Francia, contiene el suministro más conocido de cañas para instrumentos.
Cuando es joven, los rumiantes pastan fácilmente en A. donax , pero se vuelve desagradable al madurar. [48] A. donax también se ha utilizado en humedales construidos para el tratamiento de aguas residuales. [49]
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