Пути повышения биоэнергетической эффективности интенсивных агроценозов и агроэкосистем

15.12.2015

При адаптивной интенсификации растениеводства особое внимание должно быть уделено более эффективной утилизации солнечной радиации в агроценозах, поскольку именно она является главным энергическим базисом растениеводства. Причем фотосинтез - единственный биологический процесс, который идет с увеличением свободной энергии системы, а все остальные (за исключением хемосинтеза) осуществляются за счет потенциальной энергии, запасаемой в продуктах фотосинтеза. Конверсия в пищевую энергию так-же происходит только в результате фотосинтетического превращения солнечной энергии, т.е. автотрофной ассимиляции. Процесс гетеротрофной ассимиляции (т.е. усвоения веществ - носителей энергии) у водорослей и высших растений наблюдается лишь в исключительных случаях. При этом из почвы в растения и поступают энергетически богатые органо-минеральные комплексы, которые являются продуктами не антропогенной, а почвеннобиологической деятельности. Таким образом, именно способность культивируемых растений «питаться» светом открывает человеку доступ к использованию неограниченных ресурсов солнечной энергии. Заметим, что, хотя в условиях фитотрона и удается вырастить на единице площади в 20 раз больше зерна, чем в «цехе» под открытым небом, каждая полученная таким путем пищевая калория обходится в 10000 калорий невосполнимой энергии, т.е. ее энергетическая «цена» в 30-50 тыс. раз выше.
Ежегодное фотосинтетическое накопление энергии в биомассе растений всей Земли составляет около 180-200 млрд т. Причем, например, на территории США в биомассе растений запасается около 5,6*10¹⁹ Дж, тогда как потребление энергии полезных ископаемых равно 7,6*10¹⁰ Дж в год. Солнечная энергия, падающая на 1 га в условиях Англии, эквивалентна теплоте сгорания 1000 т угля, а во Франции - 1200 т нефти. Несмотря на основополагающее место зеленых растений в пищевой пирамиде живого царства Земли, эффективность фотосинтеза (доля запасенной в растениях энергии от общей радиации) в естественных фитоценозах обычно составляет 0,2-0,5%, а в агроценозах 0,1-1,0%. Даже для высокопродуктивных посевов в короткие промежутки вегетации этот показатель не превышает 2,7-4,6%. Например, высокоурожайные гибриды кукурузы используют в среднем 1,0 и максимум 2,3% солнечной энергии. Красновский считает, что такие наиболее продуктивные растения, как, например, сахарный тростник, за год потребляют в процессе фотосинтеза в среднем около 2% энергии солнечного излучения, а зерновые культуры до 1%. Между тем величина теоретически возможного коэффициента использования фотосинтетически активной радиации (ФАР) может достигать 5 и даже 10%.
Благодаря селекции (и прежде всего изменению индекса урожая), а также техногенной оптимизации условий внешней среды (поддержанию оптимального уровня метаболических процессов), в интенсивных агроценозах по сравнению с естественными фитоценозами выход полезной для человека продукции удается увеличить в 1000 раз. Однако, если учесть, что первичная валовая и чистая продуктивность фотосинтеза культивируемых растений, являющихся «ключом» к решению большинства проблем современного сельского хозяйства, почти не изменились в процессе длительной селекции, а получение каждой единицы дополнительной продукции связано с экспоненциальным ростом затрат ископаемых ресурсов, то необходимость особого внимания к проблеме повышения биоэнергетической эффективности агроценозов становится очевидной.
Несмотря на то что по ряду культур индекс урожая достиг 50-80%, потенциальные возможности повышения урожайности за счет более эффективного использования фотосинтетического аппарата для большинства видов сельскохозяйственных растений все еще достаточно велики. Были продемонстрированы, например, перспективы дальнейшего роста урожайности путем рационального управления дыханием растений, в процессе которого расходуется до 30-50% синтезируемых растением органических веществ. К числу возможных подходов к повышению биоэнергетической продуктивности культивируемых растений, наряду с минимизацией затрат ассимилятов на фотодыхание, относят более экономный их расход при прорастании семян, уменьшение общей вегетативной массы (избыточной листвы) растений и увеличение продолжительности их активного фотосинтеза в течение вегетации.
За счет увеличения площади однолетних и многолетних бобовых и зернобобовых культур, способных к биологической фиксации атмосферного азота, а также их целенаправленной селекции возможно получать дополнительно сотни миллионов тонн азота, что позволяет снизить затраты ископаемой энергии и значительно уменьшить загрязнение окружающей среды. Этим же целям служит и использование сортов и гибридов, устойчивых к болезням и вредителям, благодаря чему уже с 1970-х гг. в ряде стран отмечается уменьшение количества применяемых пестицидов. В селекционных программах важно также учитывать большие возможности повышения ресурсоэнергоэкономичности сельскохозяйственного производства за счет создания сортов и гибридов, требующих меньших дополнительных затрат техногенной энергии при хранении, переработке и транспортировке урожая. Показано, например, что расход жидкого топлива на сушку зерна кукурузы при повышении его влажности с 25 до 30% увеличивается на 29%. Поскольку во многих странах, в т.ч. и в большинстве регионов России, предварительная сушка зерна является необходимой, затраты энергии на этот процесс (особенно в условиях дождливой осени) весьма значительны и достигают 25% от общих затрат при его хранении. В этой связи особое внимание в селекционных программах должно уделяться созданию сортов и гибридов пшеницы, сорго, кукурузы и других культур, зерно которых к моменту уборки содержало бы минимальное количество влаги.
Большой резерв в повышении эффективности использования солнечной энергии связан и с возможностями конструирования высокопродуктивных и экологически устойчивых агроценозов и агроэкосистем (за счет усиления темпов формирования фотосинтетической поверхности, ее активного функционирования в течение вегетации, сохранения механизмов и структур биоценотической саморегуляции и т.д.). Ранее нами уже были рассмотрены агроэкологические преимущества смешанных, совместных, комбинированных, пожнивных, промежуточных, покровных, подпокровных посевов и т.д. Конструирование таких агроэкосистем имеет и биоэнергетическое преимущество, поскольку, по данным Юрина, коэффициент использования энергии (ФАР) всей биомассой в совместных посевах, например, кукурузы и сои был на 0,6% выше, чем в обычных посевах тех же культур.
Адаптивное агроэкологическое макро-, мезо- и микрорайонирование культивируемых видов растений, использование сортов и конструирование агроценозов, сочетающих высокую потенциальную урожайность с устойчивостью к действию абиотических и биотических стрессоров, оптимизация условий внешней среды за счет техногенных средств позволяют обеспечить высокую фото синтетическую производительность агрофитоценозов и снизить затраты первичных ассимилятов на защитно-компенсаторные реакции. Особенно важна техногенная оптимизация условий окружающей среды на первых этапах онтогенеза растений, поскольку именно в этот период, который мы называем базисным, формируются фотосинтетическая поверхность и ризосфера агрофитоценоза. В случаях действия экологических стрессоров у молодых растений из-за неразвитости гомеостатических функций включаются наиболее энергозатратные механизмы толерантности. Кроме того, в условиях ограниченного вегетационного периода на величину и качество урожая большое влияние оказывает скорость наступления адаптационного эффекта, т.е. восстановления стационарного уровня метаболических процессов. Заметим, что на «критические» периоды в росте и развитии растений, особенно «во время цветения и завязывания» еще в 1770-1779 гг. обратил внимание А.Т. Болотов. «Известное то дело, - писал он, - что никакое время для всех произрастаний так не опасно, как когда они находятся в самом своем еще младенчестве и нежном возрасте».
В стратегии адаптивной интенсификации растениеводства оптимизация абиотической и биотической среды в агроценозах рассматривается в качестве важнейшего условия эффективной утилизации культивируемыми растениями солнечной радиации, что, в свою очередь, обусловлено высокой степенью зависимости функционирования фотосинтетической системы растений от постоянно варьирующих условий внешней среды. Считается, например, что при оптимизации пищевого режима культивируемых растений только за счет правильного применения минеральных удобрений средняя урожайность повышается на 30%. При этом основную роль играют именно азотные удобрения, хотя ограничивающим величину и качество урожая может выступать и любой другой фактор. Так, растения кукурузы при внесении 170 кг/га азота (на что затрачивается 10,4*10⁸ Дж) повышали КПД фотосинтеза до 1%, т.е. в 2 раза по сравнению с вариантом без применения азота. В целом, внесение азотных удобрений оказывается наиболее энергоэкономным, хотя и зависит от видо- и сортоспецифичной отзывчивости культивируемых растений. Например, эффективность использования каждого килограмма азота и калия (отношение количества сухого вещества в растении к количеству минерального элемента, вынесенного из почвы) у кукурузы и сорго в 2 раза выше, чем у сои и люцерны.
Обеспечение высокой продуктивности агроэкосистем в неблагоприятных для роста и развития сельскохозяйственных растений почвенно-климатических и погодных условиях, в конечном счете, также сводится к проблемам биоэнергетики. Принципиальное значение имеет тот факт, что, как уже отмечалось, с ухудшением условий внешней среды энергетическая «цена» каждой тонны органического вещества в естественных фитоценозах возрастает. Очевидно, что энергетическая «цена» пищевой калории, как и других биологически ценных компонентов урожая, при выращивании сельскохозяйственных культур в условиях недостаточной естественной водо- и теплообеспеченности также будет сравнительно высокой. Об этом свидетельствуют, в частности, результаты анализа, проведенного Константиновым для европейской части России, в соответствии с которым применение комплексных удобрений NPК на озимой пшенице оказалось наиболее эффективным в центральных и северо-западных районах ареала выращивания этой культуры, а также в предгорьях Кавказа. Причем если прибавка урожая за счет применения удобрений в северо-западных районах составила 6-9 ц/га, то в южной части - 2,4 ц/га, т.е. в 2-3 раза ниже.
Важную роль в рациональном использовании естественных ресурсов (солнечной радиации, почвы, климата) играет структура посевных площадей, которая, в свою очередь, зависит от особенностей почвенно-климатических условий региона и адаптивных свойств культивируемых видов и сортов. Например, если в России кукуруза на зерно и соя занимают менее 1% посевных площадей, то в США - свыше 40%. В то же время за счет селекции можно значительно расширить ареал культивируемых видов растений, о чем свидетельствуют данные о продвижении в более северные зоны России таких видов, как клевер, люцерна, соя, подсолнечник, рапс, кукуруза, томат, плодовые и ягодные культуры и др. Поскольку каждому виду свойственен определенный потенциал приспособительных возможностей, размещение сельскохозяйственных культур и сортов в строгом соответствии с их возможностями онтогенетической адаптации (потенциальной продуктивностью и экологической устойчивостью) - решающее условие высокой эффективности использования не только неисчерпаемых, но и техногенных ресурсов.
В настоящее время открылись новые перспективы совершенствования технологии возделывания сельскохозяйственных культур (загущенные посевы и посадки, возделывание растений без обработки почвы, дробное и локальное внесение удобрений и пестицидов и др.). Все более важную роль в повышении энергетической эффективности агроэкосистем играет более дифференцированное (высокоточное) использование природных ресурсов, техногенных факторов и адаптивного потенциала культивируемых видов растений, разработка сортовой агротехники, новая стратегия борьбы с вредителями и болезнями, широкое использование биологических регуляторов роста и развития растений. Дифференцированное (в зависимости от почвенно-климатических макро-, мезо- и микроособенностей территории) размещение сельскохозяйственных культур и внесение удобрений, пестицидов, современные способы полива (подпочвенное, капельное, аэрозольное) позволяют в несколько раз сократить потери и снизить затраты невосполнимой энергии на единицу урожая. Так, локальное внесение пестицидов позволяет уменьшить их расход в 5-10 раз. При оценке энергоемкости различных способов орошения в условиях штата Калифорния (США) установлено, что переход к капельному способу орошения позволяет уменьшить затраты энергии по сравнению с дождеванием и поверхностным (бороздковым) поливом соответственно в 2,6 и 1,6 раза. Кроме того, при внесении удобрений одновременно с капельным орошением удается использовать их значительно экономнее и за счет этого уменьшить энергозатраты в 3 раза. В этой связи следует отказаться от сплошного разового внесения удобрений, при котором не только усиливаются процессы загрязнения природной среды, но и создаются благоприятные условия для поражения всходов растений фузариозом, возбудителями корневых гнилей и т.д.
Каждый агротехнический прием необходимо разрабатывать с учетом его влияния как на абиотические, так и биотические компоненты агроэкосистем. Например, тщательное регулирование поливов - один из наиболее эффективных путей поддержания фитосанитарного состояния посевов и, в частности, подавления почвенных патогенов. Севообороты, способы обработки почвы, агротехнические приемы могут широко использоваться для нарушения репродуктивной способности вредных организмов. Показано, что за счет правильного определения норм полива, совершенствования его способов, наладки оборудования экономия энергии может составить 40-50% (без снижения урожайности). Даже хорошо заточенные лемеха плуга позволяют сэкономить свыше 10% горючего при пахоте. При сбалансированном (в соответствии с особенностями культивируемого вида и сорта, периода вегетации, наличием доступных питательных веществ в почве, водообеспеченности и т.д.) внесении минеральных удобрений их потери, а следовательно, и опасность загрязнения окружающей среды обычно сводятся к минимуму. И все же необходим активный дальнейший поиск новых энергосберегающих и природоохранных технологий, а также разработка соответствующей техники и оборудования.
В процессе адаптивной интенсификации растениеводства важно обеспечить экономное расходование ископаемой энергии и других ресурсов. Как известно, возможности расширения площади орошаемых земель в мире лимитируются ресурсами пресной воды, которые весьма ограничены. В 2000-2007 гг. площадь орошаемых земель в мире составляла около 277 млн га, т.е. свыше 18% пахотных земель. При этом основные массивы орошаемых земель расположены в Азии (160 млн га), Северной Америке (29 млн га), где за счет 18,5% орошаемой пашни получают 33-50% растениеводческой продукции. Однако неизбежным спутником орошения оказывается вторичное засоление земель. Кроме того, при наиболее распространенных способах полива растениями в лучшем случае используется менее 50% воды, а остальная часть теряется на испарение и фильтрацию. Считается, например, что только в бывшем России потери воды при орошении достигали в начале 1980-х гг. 40 км3.
С учетом отмеченных ранее особенностей формирования плодородия почвы необходимо рассматривать его в качестве важнейшего фактора повышения ресурсоэнергоэкономичности растениеводства. Помимо прямого и косвенного влияния на величину и качество урожая (снижение урожайности на 50-90%, уменьшение эффективности применения удобрений, мелиорантов, орошения и пр.) потери плодородия почвы приводят и к снижению ее энергосодержания. Поскольку гектар чернозема содержит 500-600, а на Кубани даже 1000 т гумуса, а каждая его тонна эквивалентна примерно 5*10⁶ ккал запасенной энергии, соответствующий энергетический потенциал почвенного плодородия можно оценить в 2,5*10⁹-5,0*10⁹ ккал/га. Уровень энергосодержания почвы нужно учитывать как в общей стратегии ее использования, так и при разработке технологий возделывания сельскохозяйственных культур. Так, если степные черноземы, энергетическое содержание гумуса которых составляет 2109 ккал/га, способны сохранять плодородие в течение длительного времени, плодородие красноземов влажнотропических лесов (энергия их гумуса оценивается в 0,9*10⁹ ккал/га) быстро иссякает.
В этой связи особый практический интерес представляет более рациональное использование средоулучшающих возможностей агроценозов и, в частности, побочных продуктов урожая. Их наличие определяет эффективность процессов почво- и гумусообразования, зависит от видовой структуры посевных площадей, а также технологии возделывания культур. Если сравнивать количество пожнивных остатков таких важнейших культур, как яровые пшеница, ячмень и кукуруза (на зерно), то оказывается, что в нашей стране (с учетом уборки соломы) растительные остатки первых двух составляют около 14 ц/га, тогда как на полях кукурузы (убирается лишь 25% надземной массы) остается 70-80 ц/га. Характерно, что количество невосполнимой энергии, расходуемой при возделывании кукурузы для оптимизации условий внешней среды (около 2,5*10в6 ккал), более чем в 10 раз меньше энергии, содержащейся в растительных остатках этой культуры (при урожайности 70-90 ц/га она равна 28*10в6 ккал). Причем использование растительных остатков обеспечивает не только рост энергетического потенциала почвы, но и улучшение других показателей, обусловливающих ее плодородие (водоудерживающую способность, порозность, устойчивость к эрозии и т.д.).
С учетом значения растительных остатков для поддержания плодородия почв, а следовательно, и обеспечения устойчивого роста урожайности сельскохозяйственных культур целесообразно в большей мере принимать во внимание специфику почвообразующих и почвоохранных особенностей разных культивируемых видов растений. При разработке региональных систем растениеводства видовая структура посевных площадей, схема ротации севооборотов, технология возделывания и уборки являются важнейшими факторами, правильное использование которых позволяет не только повысить величину и качество урожая, но и обеспечить меньшую зависимость продуктивности агроценозов от «капризов» погоды, их большую ресурсоэнергоэкономичность, природоохранность и рентабельность. Как уже отмечалось, в растениеводстве вообще, а в условиях России в особенности для поддержания положительного баланса органических веществ почвы все еще слабо используют однолетние и многолетние бобовые травы, а также зернобобовые культуры. Вероятно, более критического отношения требует и односторонняя ориентация селекционных программ на повышение индекса урожая культивируемых растений. В настоящее время этот показатель для важнейших зерновых колосовых достигает почти 50%, а у некоторых сортов озимой пшеницы и 70%. При этом общий выход сухой растительной массы с 1 га практически не изменился. Очевидно, что при решении задач селекции по снижению затрат невосполнимой энергии на каждую дополнительную единицу полезного урожая необходимо стремиться к увеличению и общей сухой массы на единицу площади, т.е. большему вкладу растительных остатков культивируемых видов в повышение плодородия почвы.
Одним из подходов снижения энергозатрат в растениеводстве является минимизация обработки почвы, включая и полный отказ от вспашки (нулевая обработка). Как известно, в эволюции земледелия «вспаханное поле» оказало решающее влияние на повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Однако при наличии гербицидов появилась возможность отказаться от этого незыблемого в течение 6 тыс. лет элемента технологии возделывания растений. Так, в США более чем на 32 млн га, занятых в основном зерновыми культурами, растения возделывают при нулевой (3 млн га) и минимальной (29 млн га) обработке почвы. Новая технология получает быстрое и широкое распространение и имеет, по мнению Young, целый ряд преимуществ: предотвращение ирригационной и ветровой эрозии, уменьшение загрязнения окружающей среды, улучшение структуры почвы, лучшее использование осадков, благоприятное влияние на фауну и флору, сокращение энергозатрат на возделывание культур. К числу положительных особенностей новой технологии относятся также увеличение урожая зерна, снижение затрат на технику, более интенсивное использование земли и ряд других. Минимальная и нулевая обработка, например на посевах кукурузы, уменьшает эрозию почвы на 50%. По данным Благовещенской, Юркина, использование указанных способов в засушливых штатах США позволяет снизить смыв почвы на 90%, сохранить на 50% запасы почвенной влаги, в 3-4 раза уменьшить затраты труда и невосполнимых ресурсов. Так, расходы дизельного топлива на 1 га кукурузы при обычной обработке почвы составляют 20 л, при минимальной обработке - 8,5, при нулевой -3,8 л. Естественно, переход к нулевой или минимальной обработкам неоднозначен по своим результатам. Однако предполагается, что почвозащитная система обработки в ближайшие годы будет применена в США более чем на 90% площади пашни. Одновременно в этой же стране широкое распространение получили контурные посевы (на 50% снижающие эрозию), площадь которых за период с 1935 по 1976 г. возросла до 20 млн га. Большие возможности сокращения энергозатрат в растениеводстве связаны также с применением комбинированных агрегатов, совмещающих несколько операций, более широким использованием дизельного топлива и т.д.
Проблема повышения энергетической эффективности растениеводства вплотную связана и с задачей оптимизации структуры питания. Известно, что при использовании растительного корма животными энергетический выход в конечных продуктах (мясо, молоко, яйца и др.) составляет обычно 10-15%. Кроме того, эффективность превращения растительного белка в белок мяса варьирует от 5-10% (для травоядных на выпасе) до 30-40% (при производстве яиц, бройлерных цыплят и молока). Согласно Понде, эффективность превращения корма в мясо разных домашних животных распределяется в следующей (уменьшающейся) последовательности:
а) прирост животной массы (г) по количеству пищевого белка на 100 г белка, съеденного животными: птица - 20, свинина - 12, говядина - 6, баранина - 3; на 100 ккал энергии, полученной животным с кормом: птица - 11, свинина - 6, говядина - 3, баранина - 1,5;
б) по энергетической ценности (в ккал) на 100 ккал энергии, полученной животным с кормом: свинина - 23, птица - 13, говядина - 8, баранина - 3.
Характерно, что более 60% животного белка в мире производится на пастбищах, растения которых обычно непригодны для прямого использования человеком, а большая часть (60-66%) растениеводческой продукции в промышленно развитых странах расходуется на корм скоту и птице. Например, в США 60% сельскохозяйственных угодий используют для животноводства, 30% - для производства растениеводческой продукции на экспорт и 10% - для внутренних нужд.
При определении модели производства растительных продуктов питания, наряду с факторами здоровья и ресурсов, важно учитывать не только специфику культивируемых видов растений по выходу с единицы площади биологически ценных веществ (пищевых калорий, сахаров, белков, аминокислот, жиров, витаминов), но и неодинаковую энергетическую «цену» этих компонентов в различных почвенно-климатических условиях. Кроме того, рациональное использование невосполнимых энергоресурсов в растениеводстве предполагает научно обоснованное долгосрочное прогнозирование производства продуктов питания. Именно на основе такого прогноза должны планироваться структура агропромышленного комплекса и его отраслей, в т.ч. предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности, осуществляться территориальная специализация сельскохозяйственного производства и даже определяться приоритет научных исследований в области производства продуктов питания. С другой стороны, специалисты, формирующие модели «оптимального питания», в условиях демографического роста не могут не считаться с реальной необходимостью рационализации питания населения и производства пищи. Фрагментарность и нередко противоречивость рекомендаций по проблеме «оптимизация производства продуктов питания» указывают на необходимость проведения широких и комплексных исследований по разработке долговременного прогноза в этой области. О целесообразности такого подхода свидетельствуют многочисленные данные. В настоящее время из общей биомассы, формирующейся в течение года за счет фотосинтеза на суше, человеком используется лишь около 6-7% всех типов растительной биомассы, включая сенокосы и пастбища. Поэтому проблема более полной утилизации зеленой биомассы растений остается открытой. Главные пути решения этой задачи связаны с оптимизацией видовой структуры посевных площадей, селекцией на повышение величины и качества урожая, более дифференцированным использованием почвенно-климатических ресурсов Земли, либерализацией мирового рынка продовольствия и т.д.
Весьма различны для сельскохозяйственных культур и коэффициенты их энергетической эффективности. Так, Кээ для большинства зерновых и фуражных культур варьирует от 1,6 до 4,7, а для производства 1 г белка (что соответствует 4 пищевым калориям) при выращивании сои обычно затрачивается 8,2 калории невосполнимой энергии, кукурузы - 14,5, риса - 40. При этом Кээ составляют: для батата - 1,42; сои - 1,16; картофеля - 1,12; ячменя - 0,97; для тепличных огурцов и баклажанов соответственно 0,02 и 0,05.
Одним из важных путей повышения энергетической эффективности интенсивных агроэкосистем является организация сельскохозяйственной территории на основе объединения в одном севообороте АОТ. И хотя в каждом конкретном случае оптимальные размеры таких севооборотов окажутся разными, очевидна зависимость их размера от степени разнотипности территории (неравномерного распределения лимитирующих величину и качество урожая факторов природной среды, особенно в условиях пересеченного рельефа), особенностей адаптивного потенциала возделываемых видов (сортов) и обеспеченности невосполнимыми энергоресурсами, необходимыми для поддержания плодородия почвы и экологического равновесия в агроландшафтном комплексе.
В целом, применение современных достижений науки позволяет значительно повысить биоэнергетическую производительность агроэкосистем. При этом решающее значение будет иметь переход к стратегии адаптивной интенсификации растениеводства на основе более рационального использования адаптивного потенциала культивируемых видов и сортов, агроэкологического макро-, мезо- и микрорайонирования сельскохозяйственных угодий, конструирования высокопродуктивных и экологически устойчивых агроэкосистем, более широкого и целенаправленного вовлечения в интенсификационные процессы главных биологических компонентов агробиогеоценозов, дифференцированного (высокоточного) применения техногенных факторов и неравномерно распределенных во времени и пространстве лимитирующих величину и качество урожая природных ресурсов.