Новости
09.12.2016


08.12.2016


08.12.2016


08.12.2016


07.12.2016


15.12.2015

Экспоненциальный рост затрат невосполнимой энергии в растениеводстве обусловил активный поиск возможностей ресурсоэнергосбережения: создание сортов, устойчивых к действию абиотических и биотических стрессоров, переход к минимальной и нулевой обработке почвы, локальному внесению удобрений и пестицидов и т.д. Важную роль в этом процессе играет сформировавшееся в начале 1970-х гг. новое научное направление - агроэнергетика, основной задачей которой является оценка эффективности затрат невосполнимой энергии на производство продуктов питания как на мировом и отраслевом, так и технологическом уровнях. В настоящее время сфера применения агроэнергетического анализа значительно расширилась и его все чаще используют при оценках энергетической «цены» адаптивных реакций растений и стрессовых факторов, энергетического бюджета разных типов агроэкосистем (одновидовых, смешанных и др.), энергетики почвообразования и пр. Главное преимущество агроэнергетического анализа состоит в том, что, используя в качестве эквивалента энергетические показатели, удается проводить дискретную и комплексную оценку сложных многокомпонентных систем, к числу которых и относится агропромышленный комплекс.
Вместе с тем, оперируя в основном энергетической «ценой» пищевой калории, многие исследователи абсолютизируют этот показатель, допуская ошибки как в оценке реального энергобаланса агроэкосистем, так и самой эффективности энергозатрат. Прямые сравнения энергии, затраченной на горючее, пестициды, удобрения, и энергии пищевой калории также весьма условны. И все же главным ограничением в применении традиционных методов энергоанализа является тот факт, что физиологические потребности человека далеко выходят за пределы только энергетической ценности продуктов питания, поскольку реальная их значимость определяется содержанием углеводов, жиров, белков (в т.ч. незаменимых аминокислот), витаминов, минеральных солей, балластных веществ, наконец, их ароматом, вкусом, внешним видом и т.д. Только перечень химических веществ сбалансированного питания человека насчитывает свыше 60 компонентов. Поэтому более правильно, на наш взгляд, вести расчеты затрат невосполнимой энергии на единицу получаемой продукции с одновременным определением энергетической «цены» наиболее важных для данной культуры биологически ценных компонентов урожая.
В рамках стратегии адаптивной интенсификации сельского хозяйства системный энергетический анализ особенно важен, т.к. позволяет определить важнейшие подходы и пути повышения биоэнергетической эффективности агроэкосистем, разработать альтернативные варианты оптимизации производства продуктов питания с учетом факторов здоровья и ресурсов, дать соответствующие прогнозы И Т.Д. В этой связи энергетический анализ важно использовать для оценки эффективности применения антропогенной энергии в процессе утилизации неисчерпаемых природных ресурсов (и в первую очередь, солнечной энергии), причем не только для формирования величины и качества урожая, но и средоулучшения (накопление органических веществ в почве, изменение ее биогенности и т.д.). Учет почвозащитной и почвоулучшающей роли культивируемых растений необходим как для устранения ошибок при оценке реального значения затрат антропогенной и солнечной энергии в продукционном и средообразующих процессах, так и подбора наиболее эффективных культур-мелиорантов, структур посевных площадей и др. Наряду с энергетическим важен и ресурсный анализ, связанный с использованием в сельском хозяйстве невосполнимых ресурсов, к числу которых относятся почва, пресная вода, запасы фосфора, калия, кальция и другие компоненты природной среды. Известно, что водная и ветровая эрозия почвы - это невосполнимая потеря зафиксированной в ее органическом веществе энергии, играющей важную роль в поддержании экологического равновесия биосферы.
Очевидно, что отдельный растительный вид, в силу весьма ограниченных возможностей растений регулировать свой внутренний температурный и водный режим, а следовательно, и осваивать широкий ареал, не может обеспечить эффективную утилизацию солнечной радиации и других природных ресурсов в масштабе континентов, а тем более всей Земли. Как уже отмечалось, повышение фотосинтетической продуктивности растительного царства в целом в процессе эволюции шло по пути «умножения» числа составляющих его видов и их экологической специализации. При этом большая конкурентоспособность того или иного вида достигалась за счет лучшего приспособления к местным условиям природной среды, которое проявлялось, в первую очередь, за счет лучшей утилизации световой энергии и низкой энергетической «цены защитных реакций». В конечном счете именно громадное разнообразие экологически специализированных видов цветковых растений и обеспечило им основополагающее место в пищевой пирамиде живой природы и общества.
Если преимущественно химико-техногенная система интенсификации растениеводства базируется на экспоненциальном росте затрат невосполнимой энергии на каждую дополнительную единицу сельскохозяйственной продукции, то в основе адаптивного растениеводства лежит повышение продукционных и средообразующих функций агроэкосистем за счет более эффективного использования неисчерпаемых и возобновляемых ресурсов природной среды. Поскольку на применение каждого килограмма минерального азота расходуется 46 МДж (Р2О5 - 11 МДж, К2О - 7 МДж), а затраты энергии для защиты 1 га посевов с помощью пестицидов достигают 263 МДж/га, актуальность проблемы энергоресурсосбережения, охраны окружающей среды, биологизации и экологизации интенсификационных процессов в растениеводстве становится очевидной. Причем адекватная замена химико-техногенных факторов биологическими на основе повышения фотосинтетической продуктивности и экологической устойчивости сортов и агроценозов, широкого использования их фитомелиорирующих, почвоулучшающих, почвозащитных, фитосанитарных и других средоулучшающих возможностей имеет, как правило, не только экологический, но и экономический приоритет.
Ставя задачу снижения затрат ископаемой энергии и других невозобновляемых ресурсов на каждую единицу растениеводческой продукции, следует учитывать, что на ее транспортировку, переработку и хранение в общих энергозатратах АПК приходится около 70%. И если на одну калорию ископаемой энергии в агрофитоценозе удается получать 2-4 и более пищевых калорий, то энергетическая цена каждой из них «в тарелке» жителей промышленно развитых стран составляет не менее 10-15 калорий. А это, в свою очередь, требует разработки как более ресурсоэнергоэкономных и адаптивных машинных технологий послеуборочной обработки, так и целенаправленного улучшения самой сельскохозяйственной продукции с целью повышения ее транспортабельности, лежкости, технологических и биохимических свойств на основе селекции и совершенствования технологии выращивания.
С учетом того, что свыше 70% сельскохозяйственных угодий используется для производства кормов и получения животноводческой продукции, исключительно важную роль играет рост биоэнергетической эффективности всего цикла «растительный корм - животное - конечный продукт». Решающее значение в обеспечении биоэнергетической эффективности этой сложнейшей системы имеет сочетание эффективной утилизации местных природных ресурсов кормовыми (лугопастбищными и полевыми) фитоценозами с последующим их рациональным использованием соответствующими видами и породами животных. Бесспорно, социальный заказ, конъюнктура рынка и другие сопутствующие условия должны учитываться при формировании местной структуры животноводства. Однако в иерархической системе производства конкурентоспособной животноводческой продукции основополагающее место принадлежит формированию адаптированной к местным условиям видовой (сортовой) структуры растений и породного состава животных. В этой связи, наряду с агроэнергетическим, должен проводиться и зооэнергетический анализ, т.е. учет затрат на «поддерживающий» и «продуктивный» корм, концентрации обменной энергии и сырого протеина, особенностей коэффициента биоконверсии для того или иного вида животного.
Разные виды и даже сорта растений обладают разными коэффициентами биоконверсии, т.е. способностью превращать первичный продукт фотосинтеза (глюкозу) в хозяйственно и биологически ценную продукцию. Так, на 1 г глюкозы образуется 0,75 г зерна риса и ячменя; 0,72 - пшеницы; 0,71 - кукурузы; 0,65 - гороха и 0,50 - сои. Площадь фотосинтезирующего аппарата листьев у разных видов достигает 4-6 и даже 7-8 м2/м2 занимаемой поверхности. Весьма разной оказывается и энергетическая «цена» биологически ценных компонентов урожая. На каждый грамм первичного продукта фотосинтеза в процессе метаболизма может быть образовано 0,83 г крахмала, 0,40 г белка, 0,33 г жира. Культивируемые виды растений существенно различаются по белковому коэффициенту ФАР, т.е. степени использования поглощенной в процессе фотосинтеза энергии ФАР на синтез белка. Так, растения овса в синтезируемом ими белке заключают 11,2% утилизированной энергии ФАР при весеннем и 22% при летнем посеве, растения гороха соответственно 19,7 и 25,3, кукурузы - 10,4 и 15,5, сои - 16,8 и 22,5%. При этом повторные посевы растений уступают основным культурам по показателям КПД ФАР, энергетическому коэффициенту и продуктивности ФАР, но превосходят их по белковому коэффициенту.
При окислении 1 г углеродов (сахаров, крахмала, целлюлозы) высвобождается 4,2 ккал энергии, 1 г белка - 5,7 ккал, 1 г жира - 9,5 ккал. В среднем у растений на 500 г транспирированной воды образуется 1 г сухого вещества. Однако для разных культур этот показатель разный. Существенно различаются растения и по способности накапливать сухое вещество в течение вегетации. Так, этот показатель составляет для сахарного тростника 1700 г/м2 в год (макс. 7000); зерновых (пшеница, кукуруза, овес, рис), сено, картофель - 250-500 г/м2; степи - 150-1500 г/м2 в год. Весьма специфичны и коэффициенты превращения, например, кормового растительного белка у разных видов животных (табл. 4.1). Энергетическая «цена» 1 т гумуса обычно равна в 5*10в6 ккал, что позволяет оценивать почвообразующую роль растений и энергии Солнца.

Агро- и биоэнергетический анализ преимущественно химико-техногенной и адаптивной систем интенсификации растениеводства

В целом биоэнергетический подход в растениеводстве создает базу сопоставительного количественного анализа всех факторов интенсификации (системный подход), а также каждого из них в отдельности (дискретный подход), в т.ч. при оценке технологий, достижений селекции, различных конструкций агроэкосистем и агроландшафтов, новых систем сельскохозяйственной техники, защиты растений, систем земледелия и ведения сельского хозяйства. При этом в качестве основного неисчерпаемого и экологически безопасного источника энергии рассматривается солнечная радиация, которая, в отличие от неравномерно распределенных на Земле ископаемых источников энергии, обладает свойством закономерной рассредоточености, и главная проблема состоит в ее эффективной утилизации с помощью агрофитоценозов. Мировые запасы органического топлива оцениваются в 6*10в12 т условного топлива (т у.т.), а ежегодный приход солнечной энергии на Землю эквивалентен 12*10в14 ту.т. Считается, что на растения наземных естественных экосистем приходится более 90% годичной продукции органического вещества.
Ориентация на ресурсоэнергоэкономичность в сельском хозяйстве требует широкого использования методов агро- и зооэнергетического анализа и, в частности, отказа от устаревшей зоотехнической оценки кормов по кормовым единицам, существенно искажающей их фактическую питательную ценность и приводящую к огромному перерасходу всех видов ресурсов в животноводстве. Поскольку в основе научно-обоснованной нормативной базы расхода кормов лежит разделение затрат на «поддерживающий» и «продуктивный» корм, а главным показателем их качества является концентрация обменной энергии и сырого протеина, производство и заготовку кормов необходимо проводить с учетом не только показателя урожайности (наибольшей в более поздние фазы вегетации растений), но и реальной питательности корма, а также специфики коэффициента биоконверсии (КБ) для того или иного вида и даже породы животного. Подсчитано, что из-за низкой концентрации энергии в кормах их затраты в Центральном районе Нечерноземья в 1981-1990 гг. на единицу прироста живого веса крупного рогатого скота и каждый дополнительный килограмм молока в 1,5-2,0 раза превышали норму.
В настоящее время во многих регионах России особенно актуальной стала задача перевода пашни, расположенной на эрозионно-опасных, солонцовых и засоленных территориях, под залужение многолетними бобовыми и злаковыми травами. При этом предполагается, что уменьшение общей площади пахотных земель на 7-10 млн га позволит эффективнее использовать имеющийся техногенный потенциал на более плодородных землях, значительно снизить катастрофические масштабы водной и ветровой эрозии почв, улучшить кормовую базу животноводства за счет травянистых кормов. Эти и другие примеры указывают на первоочередную необходимость пересмотра существующих систем ведения сельского хозяйства, а также его основных отраслей (растениеводства, кормопроизводства, животноводства, хранения и переработки) на основе тщательного ресурсо- и энергоанализа, а также обеспечения экологической безопасности.
В последние годы все шире используется и энергоэкономическая оценка сельскохозяйственной продукции. Делаются попытки на этой основе формировать методологические концепции и биоэнергетические модели эффективного функционирования отдельных отраслей сельскохозяйственного производства в целом. Использование при этом энергетических показателей (энергетических эквивалентов) позволяет представить и проанализировать как отдельные процессы, так и всю систему АПК. Заметим, что в США принят закон, в соответствии с которым федеральные программы, наряду со стоимостной оценкой затрат, должны сопровождаться и энергетическими расчетами. В этой же стране функционирует и специальный Институт энергетического анализа. Таким образом, биоэнергетический анализ, так же как биологизация и экологизация интенсификационных процессов, должен затрагивать не отдельно выхваченные технологии, культуры, а тем более агро- и зооприемы, а весь цикл от начала производства до получения конечных продуктов в той ли иной системе ведения сельского хозяйства.
Было бы ошибочным не учитывать принципиальных различий между энергией ископаемого топлива и пищи, в т.ч. энергетической, протеиновой, витаминной и другой ценной сельскохозяйственной продукции. Путем прямых энергетических расчетов невозможно определить и истинную ценность средств механизации, позволяющих не только повысить продукционные функции агрофитоценозов и свести к минимуму потери урожая, но и в десятки раз повысить производительность труда, обеспечив, в конечном счете, одну из главных задач любого интенсификационного процесса - «сбережение времени и затрат человеческого труда». Считается, что в случае отсутствия средств механизации даже в развитых странах в сельском хозяйстве было бы занято не менее 50% населения (фактически 2-7%), а свыше 25% посевных площадей пришлось бы использовать для корма лошадей и мулов. Заметим, что переход к ресурсоэкономным технологиям ничего общего не имеет с лозунгом «Назад, к природе!». Если в 1860 г., когда численность населения составляла 1170 млн человек, лишь 5% потребляемой в мире энергии приходилось на ископаемое топливо, то к концу XX столетия - мускульная энергия 6 млрд человек не превышает 5%. Вряд ли прямому энергетическому анализу могут быть подвергнуты и такие важные для человека понятия, как «здоровая и вкусная» пища, «здоровая среда обитания» и «качество жизни».
При агроэнергетическом анализе следует учитывать разный уровень предельной (пороговой, допустимой) антропогенной нагрузки в различных типах агроэкосистем и агроландшафтов, а также при разных почвенно-климатических, погодных и демографических условиях. В качестве возможных соответствующих показателей при этом могут быть использованы характеристики разной плотности поглощения солнечной энергии и энергоемкости агробиогеоценозов и агроландшафтов, скорости и плотности трансформации вещества и энергии, количества трофических уровней и связей, степени замкнутости биогеохимических циклов, а также баланса накопление - вынос питательных веществ, уровня биогенности почвы («насыщенности жизнью») и др. Очевидно, что все эти биоэнергетические параметры должны быть соотнесены с определенными временными и пространственными показателями. Поскольку обеспечение пищевыми продуктами включает транспортировку, хранение, переработку, оптовую и розничную торговлю и на эти сферы приходится около 70% затрат всей энергии в АПК, соответствующий энергоанализ должен быть особенно тщательным.
В последний период получает развитие «экологическая энергетика», основным предметом исследований которой является оценка энергетической «цены» различных экологических ситуаций. С учетом ориентации адаптивной стратегии на конструирование агроэкосистем и агроландшафтов с высоким уровнем биоценотической саморегуляции, развитие экологической агроэнергетики, на наш взгляд, весьма перспективно. Известно, что приспособление организма к любому абиотическому или биотическому компоненту среды требует затрат определенного количества первичных ассимилятов, которые становятся уже недоступными для других процессов адаптации. Так, у некоторых видов акации первичные ассимиляты (вещества и энергия) затрачиваются на синтез нектара и пыльцы, привлекающих муравьев, которые, в свою очередь, защищают листья от растительноядных насекомых. При этом затраты энергии на «содержание» насекомых-опылителей, питающихся пыльцой, обходятся растению значительно дороже, нежели содержание потребителей одного нектара.
В любой экосистеме на новый трофический уровень поступает от 5 до 30% (в среднем 10-20%) энергии предыдущего уровня, что и предопределяет верхний предел возможному числу трофических уровней, которое обычно равно 5-6. А это предполагает оптимизацию пирамиды энергии конструируемой агроэкосистемы и агроландшафтного комплекса за счет формирования соответствующей видовой структуры, направления и скорости потока энергии между разными трофическими уровнями с целью обеспечения наибольшего выхода валовой и чистой продукции (на единицу поверхности в течение вегетации). Заметим, что разница между валовой и чистой продукцией включает расход ассимилятов на дыхание растений (достигающей, например в листопадных лесах умеренной зоны 50-75% валовой продукции). Остальная часть потребляется деструкторами и животными. При этом в некоторых сообществах, особенно в наземных экосистемах, деструкторы могут перерабатывать до 90% чистой годовой продукции.