Новости
07.12.2016


07.12.2016


07.12.2016


06.12.2016


06.12.2016


15.12.2015

История земледелия свидетельствует, что на протяжении тысячелетий, вплоть до XVIII в. (изобретение Ползуновым в 1758 г. паровой машины), основным энергетическим источником в сельском хозяйстве была энергия Солнца, ветра и рек. Революция в производстве продуктов питания, изменившая весь материальный и общественный способ существования человека, началась с изобретением техники земледелия (приручение тягловых животных, вспашка, посев злаков, мотыженье, жатва, молотьба, уборка, размол зерна, выпечка- хлеба). Уже с пятого тысячелетия до н.э. в центрах древней цивилизации Среднего и Ближнего Востока, Индии и Китая широко практиковалось строительство оросительных и осушительных каналов. При этом урожайность, например, пшеницы на поливных землях шумеров в междуречье Тигра и Евфрата в третьем тысячелетии до н.э. достигала 100-208 ц/га, а ячменя в Вавилоне (V в. до н.э.) - 400 ц/га. Сельское хозяйство Месопотамии (территория нынешнего Ирака) обеспечивало в прошлом продовольствием население численностью до 2,5 млн чел. В империи инков в Перу, где при отсутствии какой-либо современной техники местное население создало целую систему оросительных каналов в долине и соорудило террасы на всех горных склонах, обеспечивая себя при соответствующем распределении в течение многих столетий достаточным количеством продуктов питания. Более того, именно сельское хозяйство позволило правящему классу инков - «детям солнца» - достичь не только высокой материальной, но и духовной культуры, проявившейся, в частности, в возведении выдающихся архитектурных сооружений. Пример инков указывает, что древние земледельческие цивилизации не ограничивались использованием только благоприятных почвенно-климатических зон (в отличие от долинного земледелия Месопотамии, Египта, Индии, Китая и др.).
Характерно, что сельскохозяйственное производство на протяжении всей истории своего развития было весьма восприимчиво к техническим новшествам. Так, развитие транспорта, в т.ч. перевозка громоздких товаров, открыли путь к торговле, устранив при этом необходимость в самообеспечении продуктами сельского хозяйства и дав таким образом возможность возделывания наиболее приспособленных к местным условиям культур. В результате и появились зоны товарного производства той ли иной сельскохозяйственной продукции. Так, еще в XVIII в. целые районы Франции, расположенные вокруг Бордо, перешли к выращиванию винограда и производству вина. Одной из характерных особенностей средневекового хозяйства в Европе являлось и то, что город здесь не господствовал над деревней. Последнее оказалось реальным, прежде всего благодаря энергетической независимости сельскохозяйственного производства, где главным источником энергии оставалась энергия Солнца (пища, топливо, сырье для одежды и пр.), а также ветра и рек (мельницы, кузницы, лесопилки и пр.).
Известно, что революционные изменения в развитии производительных сил всегда связаны с изменением энергетической базы общественного производства. По словам Дж. Бернала, описывая эпохи прошлого, мы прибегаем к названиям использовавшихся тогда материалов - каменный век, бронзовый век, железный век, а также энергетической базы - век пара, электричества, атомный век. Так, с появлением парового двигателя произошли революционные изменения во всех сферах промышленности и сельского хозяйства, обеспечив резкое повышение производительности труда. Однако при этом значительно увеличились различия в производительности труда между разными отраслями. Так, если в конце XVIII в. в Англии производительность труда в сельском хозяйстве была в 2 раза выше, чем в промышленности, то в конце XIX в. наоборот - в 3,4 раза ниже; в США этот разрыв составил 4,4 раза. Значительно более низкая производительность труда в сельском хозяйстве предопределяла и значительную долю населения, занятого в этой отрасли (в Англии - около 50%, в России - 90%).
Быстрый рост населения, существенно увеличившийся спрос на сельскохозяйственную продукцию предопределили наращивание ее производства как за счет интенсивного, так и экстенсивного развития. Первое проявлялось в повсеместном переходе стран Западной Европы от трехполья к плодосмену, сопровождавшемуся значительным увеличением числа культивируемых видов растений (особенно однолетних и многолетних, в т.ч. бобовых культур), что позволило в основном за счет биологизации интенсификационных процессов повысить среднюю урожайность зерновых колосовых культур с 7-8 до 14-16 ц/га, т.е. в 2 раза. Одновременно наращивание производства сельскохозяйственной продукции шло и за счет значительного расширения сельскохозяйственных угодий. И все же экстенсивное направление развития сельского хозяйства позволяло лишь выиграть время, оставляя многие его проблемы нерешенными, а зачастую и усугубляя их. Рост поголовья животных и расширение сельскохозяйственных угодий при ограниченных возможностях эффективного использования земель (вследствие низкой производительности труда, а также урожайности растений и продуктивности животных) постоянно создавали замкнутый порочный круг.
Положение в сельском хозяйстве изменилось кардинально лишь после промышленной революции в Англии, а также благодаря второй технологической революции, развернувшейся на рубеже 1880-х гг. и базирующейся на использовании электричества (с 1879 г.), а также двигателей внутреннего сгорания (с 1881 г.), которые по сравнению с паровым двигателем были не только менее громоздкими и пожаробезопасными, но и имели больший коэффициент полезного действия, а главное, обладали неизмеримо большей делимостью производимой энергии. Расширение сферы технологической революции и индустриального труда, включая проникновение в разные отрасли сельского хозяйства, и предопределили аграрную революцию (появились качественно новые средства труда как в сельском хозяйстве, так и в перерабатывающей промышленности). В результате, например производство хлопка только за период 1766-1787 гг. возросло в 5 раз. Революционные изменения в технике и энергетическом базисе земледелия (использовавшего до тех пор только солнечную энергию, а также органические удобрения) открыли возможности сельскохозяйственного освоения новых земель, а также повышения продуктивности уже использующихся. Именно к концу XIX в. относятся распашка прерий Западной части Северной Америки для возделывания пшеницы, развитие овцеводства и хлебопашества в Австралии, разведение тропических культур в Азии, Африке, Центральной и Южной Америке, освоение Сибири и Дальнего Востока в России.
Способность растений синтезировать в процессе фотосинтеза биологически ценные вещества (углеводы, жиры, белки, витамины и др.), используя для этого неисчерпаемые и экологически безопасные ресурсы биосферы (солнечную энергию, СО2 и др.), является основной отличительной особенностью фитоценозов, предопределяющей их основополагающее место не только в пищевой пирамиде живой природы, но и в обеспечении населения Земли продуктами питания. Процесс биологического преобразования солнечной энергии - фотосинтез - лежит и в основе биологической ценности растительной продукции, поскольку для синтеза белков требуется больше энергии, чем для синтеза углеводов, а энергетическая «цена» незаменимых аминокислот (особенно лизина, триптофана и др.) оказывается наиболее высокой. Только благодаря аккумулированной растениями энергии Солнца можно повысить плодородие почвы, улучшить ее физические свойства, обеспечить функционирование многочисленных биотических компонентов агробиогеоценозов, поддерживая, таким образом, экологическое равновесие. Поэтому техногенные факторы, используемые для оптимизации условий внешней среды в агроэкосистемах, вовсе не заменяют «даровых сил природы» и неисчерпаемых ресурсов, а лишь позволяют эффективно их утилизировать. Основополагающая роль зеленых растений в пищевой пирамиде природы и в структуре продуктов питания человека обеспечивается как за счет их автотрофности, так и энергоэкономичности, связанной с пойкилотермностью, прикрепленностью к субстрату и спецификой механизмов и структур экологической устойчивости. Последняя у растений достигается за счет избежания действия стрессоров и/или толерантности. И хотя растениям удается лишь в ограниченных пределах регулировать свою внутреннюю среду (особенно температурный режим), на под держание собственного существования по сравнению с другими организмами они расходуют относительно меньше ассимилированной энергии. Так, если эффективность «чистой продукции» у злаков, кукурузы и люцерны достигает 62-85%, то у крупного рогатого скота - лишь 11%. При этом благодаря пойкилотермности и прикрепленности к субстрату на «чистую продукцию» у растений приходится от 30 (у лесных деревьев) до 85% (у многолетних трав и злаков). Эффективность «чистой продукции» у животных и птиц менее 1%, мелких млекопитающих - до 6%. В целом же растения расходуют относительно меньше ассимилированной энергии для поддержания гомеостаза своего роста и развития, а также реализации воспроизводительных функций, т.е. обладают наивысшей биоэнергетической эффективностью. Переход к каждому следующему уровню в пищевой пирамиде связан с затратами почти 90% исходной энергии, а теплокровные животные только на поддержание постоянной температуры своего тела затрачивают большую часть (около 90%) энергии корма. Причем превращение растительного белка в животный у жвачных составляет лишь около 5%. И все же животноводство остается важнейшим компонентом сбалансированной системы производства продуктов питания как в силу ценности белков животного происхождения, так и способности животных утилизировать недоступную для человека растительную пищу.
При эволюционно-аналоговом подходе к задачам биологизации и экологизации интенсификационных процессов в растениеводстве необходимо учитывать особенности эволюции энергетических систем наиболее важных биотических компонентов агробиогеоценозов и агроландшафтов. Так, Виттенбергер считает, что основное направление эволюции и общего биологического прогресса связано с увеличением способности живых организмов производить энергию; причем в течение своей жизни «производить» не с меньшими затратами, а «производить больше». Однако это утверждение не согласуется с известными фактами о биоэнергетике растений. Обладая способностью улавливать в среднем около 1% ФАР, зеленые растения находятся в основании пищевой пирамиды биосферы исключительно благодаря меньшим затратам первичных ассимилятов на обеспечение гомеостаза своего индивидуального развития, а также адаптивных реакций в филогенезе. Возможно, что суть агроэнергетического анализа состоит даже не в том, больше или меньше тратится продуктов фотосинтеза, а на какие цели? И в какой мере эти затраты оказываются производительными, т.е. каково соотношение выполненной «полезной» работы к количеству «затраченной» энергии.
В целом, главной задачей агроэнергетического анализа является оценка эффективности затрат невосполнимой энергии на производство, транспортировку, хранение и переработку сельскохозяйственной продукции. Естественно, что масштабы такого анализа могут варьировать от мировой продовольственной системы до уровня отдельных отраслей (растениеводство, животноводство, переработка, транспортировка, хранение и др.) и даже отдельной культуры или технологии. Вполне закономерно, что большинство исследователей, достаточно быстро исчерпав возможности преимущественно статистических методов энергетического анализа в оценке эффективности агропромышленного комплекса или его отраслей, пытаются вскрыть более глубокие причины возникающих в этой сфере противоречий. Кроме того, агроэнергетический анализ начинает постепенно проникать и в такие смежные области знаний, как экология, охрана природы, почвоведение, фитоценология, селекция, а также все в большей мере смыкаться с традиционным направлением биоэнергетики. В настоящее время агроэнергетический анализ включает разработку энергетических основ формирования продуктивности и экологической устойчивости агроценозов и агроэкосистем, изучение энергетического бюджета растений на разных фазах роста и развития, энергетическую оценку влияния стрессовых факторов, определение энергетической «цены» адаптивных реакций в оптимальных и экстремальных условиях внешней среды, энергетику почвообразования и др.
Главное преимущество энергетического анализа в сельском хозяйстве заключается в том, что энергия рассматривается в нем в качестве связующего звена между многочисленными компонентами сложной системы АПК (природная среда - агроценозы - продукты питания) на основе учета всего комплекса вещественных и информационных процессов, в т.ч. и тех из них, которые прямо не входят в эту систему, но без которых нормальное ее функционирование невозможно. Используя в качестве эквивалента энергетические показатели, можно выявить соответствующие затраты на всех этапах производства продуктов питания, рассчитать и сравнить энергетическую эффективность различных систем земледелия, а также приоритетных энергозатрат невосполнимой энергии в АПК с учетом особенностей природной среды, имеющихся энергоресурсов, рационализации структуры питания и пр.
Возвращаясь к истории технической революции в сельском хозяйстве, отметим, что сам этот процесс был изначально весьма противоречивым в том смысле, что, с одной стороны, он расширял власть человека над окружающей средой, а с другой - усиливал зависимость агроэкосистем от применения техногенных факторов (машин, минеральных удобрений, мелиорантов, пестицидов, орошения). В результате, казалось бы, вполне закономерный переход от использования воспроизводимых ресурсов природной среды (обеспечение продуктами питания за счет охоты и собирательства, натуральное земледелие - трехполка, плодосмен) к широкому использованию исчерпаемых ресурсов (запасов нефти, газа, фосфорных и калийных удобрений, извести, гипса и др.) и предопределил, в конечном счете, нынешний кризис в мировом сельском хозяйстве.
Несмотря на то что в условиях техногенно-интенсивного растениеводства по сравнению с экстенсивным количество запасаемой в урожае энергии на единицу затраченной невосполнимой энергии снизилось в 10 и более раз, коэффициент энергетической эффективности (Кэт - отношение энергии урожая к затраченной на его выращивание и уборку) большинства зерновых и фуражных культур варьирует в среднем от 1,6 до 4,7. Причем в зависимости от культуры в условиях орошения Кээ изменяется в следующем порядке нарастания: злаковые травы > сахарная свекла > кукуруза на силос > клеверозлаковая смесь > клевер красный. В то же время хотя на каждую вложенную единицу невосполнимой энергии в растениеводстве в условиях Венгрии было получено 4,3 единицы энергии первичной биомассы, соотношение между выходом пищевой энергии и энергии биомассы составило лишь 0,15 (или 15%). Ранее нами уже были показаны существенные различия между культурами и по коэффициенту водопотребления (Квэ), т.е. способности растений на каждую единицу поглощенной воды синтезировать разное количество первичных ассимилятов и сухих веществ, включая биологически ценные (аминокислоты, сахара, жиры, витамины и пр.) Специально проведенные опыты по изучению энергетических показателей техногенно-интенсивного земледелия в ФРГ позволили установить, что при повышении урожайности зерновых (ячменя, пшеницы) с 44-50 до 80 ц/га и сахарной свеклы с 484 до 800 ц/га соотношение между затраченной и аккумулированной в урожае энергией возросло лишь с 1:6,46 до 1:6,58. Энергетические запасы в дополнительном урожае зерна превышали затраты энергии на внесение удобрений примерно в 9 раз при дозе N96 и только в 6 раз - при дозе N224. Внесение азотных удобрений под озимую пшеницу в количестве 80 кг/га повышало выход пищевой энергии по сравнению с вариантом без удобрений на каждую единицу невосполнимой энергии с 2,1 до 2,4. Согласно Илькуну, при оптимальной обеспеченности растений водой и элементами минерального питания поглощение листьями физиологически активной радиации увеличивается соответственно на 3-7 и 6-20% по сравнению с обычным или недостаточным обеспечением указанными факторами.
В настоящее время в мире на сельскохозяйственное производство расходуется в среднем 25% энергии, в т.ч. в развитых странах 15-20%, а в развивающихся - более 60%. С 1850 по 1950 г. потребление энергии увеличивалось на 2,5% в год. Считается, что в течение XX столетия затраты техногенной энергии на единицу сельскохозяйственной продукции возросли в среднем в 8-10 раз (а по ряду культур в 50-60 раз). При этом Кээ современного сельскохозяйственного производства, т.е. соотношение между затратами ископаемой энергии и полезным сельскохозяйственным продуктом, в 30 раз ниже, чем при примитивном земледелии. Например, в США на долю АПК приходится около 17% всей расходуемой энергии, 80% потребляемой в стране воды, 95% пестицидов и почти 100% азотных удобрений. И хотя за 1950-1986 гг. объем сельскохозяйственного производства в этой стране увеличился на 82%, затраты минеральных удобрений возросли с 26,5 кг д.в/га пашни до 136,0 кг, т.е. в 5 раз, а пестицидов - до 1,3 млн т, т.е. в десятки раз. Таким образом, повышение урожайности отдельных культур в 2-3 раза сопровождалось ростом затрат ископаемой энергии в 10-50 раз. Так, в США на каждую единицу техногенной энергии получают по 2-6 пищевых калорий овса, пшеницы, сорго, кукурузы. На 1 л молока в этой стране затрачивают 0,5 л дизельного топлива, что в расчете на каждую пищевую калорию составляет 10 калорий ископаемой энергии. Особенно велики затраты на производство азотных удобрений и пестицидов, каждая тонна которых обходится соответственно в 2-3 и 4-6 т у. т. Заметим, что в США водной и ветровой эрозией затронуто 22% посевных площадей, материальные потери от которой оценивают в 40 млрд долл. в год.
В большинстве индустриально развитых стран в последние 20-30 лет преобладает тенденция к снижению темпов роста затрат ископаемой энергии (характерных для 1950-1970-х гг.) на производство дополнительной сельскохозяйственной продукции. Однако даже в странах, где были специально разработаны энергетические модели продовольственного комплекса, увеличение объема сельскохозяйственного производства в 2 раза потребовало увеличения затрат ископаемой энергии в 4 раза.
И все же, как уже отмечалось, в энергетическом балансе даже техногенно-интенсивных агроценозов основным источником энергии, обеспечивающим формирование урожая, является солнечная энергия. При этом на каждый грамм сухих веществ растений в процессе фотосинтеза затрачивается 15,71 кДж солнечной энергии, а суммарная радиация, падающая на 1 га в средних широтах за вегетационный период, оценивается в 5*10в9 ккал. Большая ее часть уходит на транспирацию (35%) и на нагрев растений (14%), тогда как в процессе фотосинтеза аккумулируется лишь около 1%. Проведенные нами расчеты показали, что с учетом эффективности работы сельскохозяйственных машин (15-25%), а также потерь удобрений (порядка 50%) фактически в формировании биомассы растений участвует лишь 1/4 затрачиваемой техногенной энергии, а отношение всей солнечной энергии, «работающей» на урожай, к техногенной энергии составляет лишь 0,05%.
Важно подчеркнуть, что с ухудшением почвенно-климатических и погодных условий энергетическая «цена» фотосинтетических ассимилятов, в т.ч. биологически ценных компонентов в урожае агроэкосистем, возрастает, а отдача на каждую дополнительную единицу техногенных затрат снижается. Например, в засушливых зонах России прибавка урожая озимой пшеницы за счет применения минеральных удобрений в 2-3 раза ниже, чем при достаточной водообеспеченности. Помимо низкого уровня агрокультуры, сравнительно высокая ресурсоэнергоемкость отечественного АПК связана с неблагоприятными почвенно-климатическими и погодными условиями во многих земледельческих зонах страны, вынужденным использованием скороспелых (и обычно менее урожайных) культур и сортов, а также необходимостью транспортировки сельскохозяйственной продукции в промышленные центры Сибири и Севера. Однако эти и другие дополнительные затраты в АПК являются хотя и важной, но лишь одной из причин того, что в 1991 г. на 1 га пашни и многолетних насаждений в России было израсходовано 274 кг у.т., т.е. в 2,4 и 3,3 раза больше, чем соответственно в США и Канаде. Главная причина высокозатратности отечественного АПК в его «всепроникающей» неадаптивности.