Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование энергетического подхода к проблемам продуктивности агроэкосистем 14
1.1. Определение агроэкосистемы 14
1.2. Роль природных и антропогенных источников энергии в агросфере 20
Глава 2. Программа, объекты и методы исследований 29
Глава 3. Виды потоков технической энергии в агроэкосистемах 57
3.1. Прямые затраты антропогенной энергии 59
3.2. Косвенные вложения антропогенной энергии 61
3.2.1. Сельскохозяйственная техника и автотранспорт 62
3.2.2. Энергозатраты на бытовые нужды сельхозпроизводителя 70
3.2.3. Удобрения и пестициды 72
Глава 4. Энергетическая эффективность агроэкосистем 74
4.1. Структура энергетических затрат в агроэкосистемах 81
4.2. Энергетическая эффективность применения минеральных удобрений 88
4.2.1. Эффективность минеральных удобрений на выщелоченных чернозёмах .. 90
4.2.2. Эффективность минеральных удобрений на серых лесных почвах 94
Глава 5. Энергетические проблемы воспроизводства плодородия почв 103
5.1. Затраты антропогенной энергии на простое воспроизводство параметров свойств и режимов почв 106
5.2. Последействие удобрений и потоки антропогенной энергии в агроэкосистемах 116
5.3. Энергетическая эффективность агроэкосистем и земледелия: взаимосвязи и противоречия 124
5.4. Окультуривание почв и затраты антропогенной энергии 133
5.4.1. Увеличение содержания гумуса в почве и затраты энергии 137
5.4.2 .Содержание фосфора в почве и ресурсы энергии 156
5.4.3. Оптимизация кислотности почв 159
5.5. Энергетическая эффективность улучшения свойств ирежимов почв 167
5.6. Энергетические проблемы сохранения плодородия почв Российской Федерации 173
Глава 6. Закономерности формирования потоков питательных веществ и энергии в аграрном ландшафте центральной части Русской равнины 186
6.1. Закономерности формирования твёрдого стока с земледельческих территорий 189
6.1.1. Химический состав взвешенных наносов 206
6.2. Состав речных води ионный сток 216
6.3. Содержание микроэлементов и железа в речных водах 229
Глава 7. Ресурсы свободного кислорода атмосферы и современные агро-экосистемы 248
7.1. Источники и потоки свободного кислорода в биосфере 249
7.2. Методика расчёта затрат кислорода атмосферы в агроэкосистемах 255
7.3. Затраты кислорода атмосферы в агроэкосистемах на примере полевого севооборота 279
Основные выводы 287
Предложения производству 290
Список цитируемой литературы 291
Приложение 323
- Роль природных и антропогенных источников энергии в агросфере
- Косвенные вложения антропогенной энергии
- Эффективность минеральных удобрений на выщелоченных чернозёмах
- Последействие удобрений и потоки антропогенной энергии в агроэкосистемах
Введение к работе
Использование технической энергии во всех сферах производства и жизнеобеспечения С 1900 по 2000 г. увеличилось в 15 раз (Месяц, Прохоров, 2004), что резко изменило жизнь человеческого общества.
В условиях бурного развития производительных сил и научно-технического прогресса на Земле за последнее столетие проблема рационального использования природных ресурсов, охраны и улучшения окружающей среды стала важнейшей проблемой человечества, затрагивающей не только интересы ныне живущих людей, но и существование будущих поколений.
Мировая цивилизация находится в состоянии глобального кризиса, сущность которого заключается в нарастании дисбаланса между ограниченными природными ресурсами, недостаточно эффективными мерами по повышению производительности агросферы и стремительным увеличением народонаселения планеты.
Существенным моментом глобального кризиса является продовольственный кризис. Важная характеристика продовольственного кризиса состоит в делении всех стран на две группы - экспортеров и импортеров зерна. Излишки зерна, производимые для мирового экспорта - около 200 миллионов тонн в год, в котором 50 % составляет экспорт США, 12-15 % - Канада, 5-6 %-Австралия, остальное-Аргентина, Франция, Англия, Италия.
В максимальной зависимости от импорта зерна (70 % потребностей) оказались в последние годы Япония, Южная Корея, Тайвань, Куба (Коровкин и др., 2001) то есть страны в основном с очень низком площадью пашни на душу населения.
Проблема производства продовольствия тесно связана не только с площадью пашни на душу населения в стране, но и с поступлением в аграрную сферу энергетических и других ресурсов, а также поддержкой государством сельхозпроизводителей.
Жители Западной Европы гораздо больше обеспокоены качеством потребляемого продовольствия и не опасаются голодом. Однако экономика крупных хозяйств западных стран чаще всего основана на активном использовании всевозможных искусственных удобрений. Маленькое крестьянское хозяйство, произво-
дящее здоровую органическую пищу и получающее за это субсидии, способно, по мнению многих аналитиков, решить только проблему высококачественной пищи.
В то же время существует третья группа стран, которые импортируют зерно в значительных объемах, хотя имеют большие площади пашни. В этих странах проблема продовольствия тесно связана с низкой урожайностью зерновых культур из-за малых вложений энергоресурсов в аграрную сферу.
В России импорт зерна в настоящее время покрывает около 30 % потребности населения и животноводства. В 2001 г. в стране произведено 83 млн. т. зерна, или по 550 кг на человека (Гордеев, 2002).
Решение глобального кризиса во многом связано с увеличением продуктивности сельского хозяйства и рациональным использованием ресурсов и, в первую очередь, почвы, природной и технической энергии.
Научной основой современного земледелия должно явиться глубокое знание экологических закономерностей природных и аграрных ландшафтов, взаимосвязи промышленных производств, агроэкосистем и естественных экосистем в общем природно-технологическом цикле биосферы.
С позиций энергетики сельское хозяйство - особая форма деятельности общества по преобразованию солнечной радиации в энергию макроэргических связей органического вещества пищевых и других продуктов посредством растений и животных. Автотрофные растительные организмы, преобразуя энергию Солнца, накапливают ее в химических связях различных соединений своих тканей.
Современное сельское хозяйство - сложная многофункциональная система с большим числом выходов. Однако ее продовольственная функция, которая была причиной ее зарождения, сохранилась до настоящего времени как главная.
Растения - основа продуктивности сельского хозяйства, так как только в растениях в приемлемых для потребности человека масштабах происходит преобразование солнечной радиации в химическую энергию, пригодную для использования другими подсистемами и человеком, а также первичное накопление энергии.
За предел продуктивности растительных организмов может быть принята величина фотосинтетически активной радиации Солнца на данной территории. Влияние других экологических факторов (количество атмосферных осадков, тем-
пература и влажность воздуха и почвы, наличие доступных питательных веществ, физические и химические свойства почвы и т. д.) можно рассматривать как ограничения, налагаемые этими факторами на использование энергии солнечного излучения для формирования биологической продукции растительных сообществ.
Излучение Солнца для земледелия является главным энергетическим входом, которое, например, в широтах Центрального экономического района России составляет около 87,7 ккал/см2 - или 3675*104 МДж/га в год, что в пересчете эквивалентно теплу, выделяющемуся при сжигании 835 т бензина. Если считать, что фотосинтетически активная радиация (ФАР) составляет только половину общей, то и тогда сумма активной радиации равна 43,8 ккал/см2 или 1838* 104 МДж/га в год.
Наряду с использованием солнечной радиации, в агроэкосистемах для их создания, поддержания структуры и функционирования, снижения ограничивающего воздействия неблагоприятных экологических факторов используется большое количество дополнительной технической (антропогенной) энергии. Антропогенная энергия применяется в различном виде: в форме минеральных удобрений, химических средств защиты растений, орошения, сельскохозяйственной техники, топлива для тракторов, комбайнов, автотранспорта, электроэнергии и других энергоносителей на всех этапах производства продукции земледелия.
С одной стороны, вложения антропогенной энергии в агросфере - важный фактор повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, с другой - дополнительная нагрузка на компоненты агроландшафтов, часто приводящая к снижению плодородия почв, непроизводительным потерям вещества и энергии с аграрных территорий, загрязнению природных ландшафтов.
Следует отметить, что любое потребление технической энергии связано с расходом свободного кислорода атмосферы, а сохранение его пула - один из факторов устойчивости биосферы.
Поэтому важнейшим направлением научных исследований в земледелии, на котором должны быть сосредоточены основные усилия, является изучение биологической продуктивности, круговорота веществ и потоков энергии в агроэкосистемах и агроландшафтах для обоснования систем ведения земледелия, наиболее со-
ответствующих типам природной среды, наличию материальных и энергетических ресурсов и пределам допустимых агротехногенных нагрузок на почвы.
Как считает А.А. Жученко (2002), в отличие от 20-го столетия, когда основу интенсификации растениеводства составляла главным образом химизация, в наступившем веке первостепенную роль приобретают биологизация и экологизация ин-тенсификационных процессов.
В настоящее время страны мира в аграрном отношении располагаются на двух противоположных полюсах. Развитые индустриальные страны, вкладывающие в агроэкосистемы большие энергетические ресурсы и получающие высокие урожаи и слаборазвитые страны, отличительной особенностью которых является малое использование технической энергии в сельском хозяйстве.
В большинстве стран, уже достигших порога химико-техногенного насыщения агроэкосистем, наступает смена парадигм в интенсификации растениеводства. В связи с этим научно не состоятельны попытки противопоставить биологические и техногенные факторы интенсификации растениеводства.
Величина потока антропогенной энергии зависит от цели, которую ставит производитель сельскохозяйственной продукции.
Основной целью в условиях рыночной экономики в настоящее время является получение дохода. Однако доход необходимо рассматривать в многолетнем аспекте, а для этого необходимо сохранять компоненты агроэкосистем и ландшафтов от истощения, загрязнения и разрушения как главного условия длительного устойчивого функционирования агроэкосистем и существования человечества в перспективе.
Один из путей роста дохода - снижение ресурсо- и энергоёмкости единицы производимой продукции. Достичь этого можно либо уменьшением затрат технической энергии на единицу продукции при фиксированном уровне продуктивности, либо посредством опережающего прироста продукции к приросту энергозатрат.
Средством достижения цели в первом случае является рациональная организация труда и производства, замещение энергоёмких операций менее энергоёмкими и использование энергоотзывчивых сортов культурных растений. При этом основой для энергетической оценки технологии в целом является пооперационный
расчет затрат антропогенной энергии, который позволяет оценить каждую технологическую операцию и выявление наименее энергоёмких технологий. Энергоёмкость внутреннего валового продукта - затраты энергии на создание 1000 долларов ВВП - в России в четыре раза больше, чем в Японии и в 2-3 раза больше, чем в США и Канаде (Футов, 2005).
Для превышения прироста продукции над приростом энергетических затрат на единицу продукции необходимо увеличение производительности агроэкосисте-мы.
Под производительностью агроэкосистемы мы понимаем отношение чистой первичной продукции к единице площади в единицу времени периода активной вегетации растений. Она зависит от исходного плодородия почв, существующей системы удобрений и потенциальной продуктивности сортов, агроклиматического потенциала территории.
Почва агроэкосистем представляет собой открытую термодинамическую систему. Рост ее плодородия тесно связан с количеством антропогенной энергии, которое почва может получить, преобразовать и накопить.
Реализация агрономических задач требует, наряду с установлением потребности агросферы в необходимых энергоресурсах, определения количества поступающей в почву антропогенной энергии и выявления возможности почвы по её усвоению. Следующими шагами должно быть определение пределов трансформации энергии в почве и расчёт оптимального размера потока антропогенной энергии.
Важным фактором в повышении устойчивости продуктивности земледелия регионов и в целом страны является оценка необходимых энергозатрат на простое и расширенное воспроизводство почвенного плодородия.
Каждая технология возделывания культур, сорта, система применения удобрений, приемы повышения плодородия почв, севообороты должны быть оценены с точки зрения эффективности затрат технической энергии, найдены решения, приближающиеся к оптимальным, что приведет к рациональному использованию и экономии энергетических ресурсов.
Цель и задачи исследований
Цель работы - теоретическое обоснование и разработка эколого-энергетического подхода к оптимизации потоков энергии в агроэкосистемах. Для её реализации были поставлены и решены следующие задачи:
Обосновать методологию и методики анализа энергетической эффективности аг-роэкосистем.
Сформулировать концепцию совокупных энергетических затрат в земледелии.
Рассчитать энергетические эквиваленты и нормы амортизации на сельскохозяйственные машины и орудия, трактора, автотранспорт, минеральные и органические удобрения.
Установить энергетическую эффективность применения удобрений на выщелоченных чернозёмах, дерново-подзолистых и серых лесных почвах.
Разработать методики анализа вложений энергии на простое воспроизводство почвенного плодородия и оценить возможности их использования на примере серых лесных почв экспериментального севооборота.
Теоретически обосновать энергетическую концепцию окультуривания почв и рассчитать энергозатраты на реализацию модели высокоплодородной серой лесной почвы.
Разработать методики и выявить размеры ресурсов технической энергии, необходимых на воспроизводство плодородия почв Российской Федерации.
Установить закономерности формирования входящих и выходящих потоков питательных веществ и энергии в модельном агроландшафте.
Разработать методику расчёта потоков свободного кислорода атмосферы в земледелии и оценить использование 02 атмосферы в агроэкосистемах на серых лесных почвах.
Научная новизна работы:
В результате проведённых исследований разработано новое научное направление - энергетика агроэкосистем, позволяющее с энергетических позиций оценить почвенно-агрохимические, экологические и технологические условия устойчивого функционирования агроэкосистем.
Обоснована методология и разработаны методы анализа потоков энергии в агроэкосистемах и агроландшафтах, позволяющие учитывать энергозатраты на выращивание урожая культуры, на простое воспроизводство почвенного плодородия и на увеличение потенциального плодородия почв с целью объективной оценки энергетической эффективности агроэкосистем. На основе разработанных методик определена энергетическая эффективность применения минеральных удобрений на выщелоченных чернозёмах и серых лесных почвах.
Разработан новый - энергетический подход к оценке изменения параметров свойств и режимов почв, определяющих почвенное плодородие. Разработано и введено понятие амортизации энергозатрат на реализацию моделей расширенного воспроизводства плодородия почв; оценено использование энергии на окультуривание серой лесной почвы и энергетически обоснованы оптимальные параметры основных агрохимических свойств.
Разработаны методики и впервые определены вложения антропогенной энергии на изменение параметров содержания гумуса, доступных форм фосфора, калия и величины кислотности пахотных почв Российской Федерации, а также выявлено необходимое количество энергоресурсов на воспроизводство плодородия этих почв.
Совместное рассмотрение потоков вещества и энергии в аграрном ландшафте в Южном Нечерноземье впервые позволило установить количественные закономерности поступления и потерь энергии. Показаны размеры отчуждения с земледельческой территории энергии и питательных веществ с урожаями сельскохозяйственных культур и потерь энергии с твёрдым и жидким стоком, технологической эрозией и за счёт внутрипочвенных процессов окисления гумуса.
Разработана оригинальная методика оценки потоков свободного кислорода в земледелии, впервые позволившая выявить типы агроэкосистем, являющихся донорами 02 в атмосферу Земли и агроэкосистемы, функционирование которых приводит к его отрицательному балансу.
Основные защищаемые положения:
Расчёт энергетической эффективности агроэкосистем необходимо проводить с учётом энергозатрат на воспроизводство почвенного плодородия до уровня, предшествующего посеву и принимая во внимание положительное последействие возделывания культуры на почву.
Закономерности формирования входящих и выходящих потоков питательных веществ и энергии в модельном аграрном ландшафте Южного Нечерноземья.
Энергетическая эффективность минеральных удобрений на выщелоченных чернозёмах и серых лесных почвах.
Улучшение показателей агрохимических свойств почв следует осуществлять с учётом срока амортизации энергозатрат. Показатель энергетической эффективности возделывания ведущих сельскохозяйственных культур севооборота на окультуренных почвах должен быть не ниже существующего в зоне возделывания.
Воспроизводство плодородия пахотных почв Российской Федерации требует в целом существенных вложений технической энергии. На доведение содержания подвижного фосфора в почве пашни от очень низкого и низкого до среднего необходимо затратить 1590 МДж/га или всего 184,4 »106 ГДж, что составляет около 1 % энергобаланса страны.
Агроэкосистемы разделяются на две группы: потребители Ог атмосферы и его доноры. На серых лесных почвах при производстве зерновых культур и кукурузы на силос происходит в целом изъятие 02 атмосферы. Многолетние бобовые травы являются донорами свободного кислорода в атмосферу Земли.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Институтскими планами научно-исследовательских работ: "Разработка теории и методов рационального воздействия на почвенно-биологические процессы и питание растений с целью получения программированных урожаев (№72056977)", "Агрохимические свойства серых лесных почв (в динамике) в условиях интенсивного применения удобрений и ирригации (№ 77013686)", "Закономерности формирования устойчивой продуктивности агроценозов и разработка приемов управления биопро-
дуктивностью (№01.83.0-049341)", Программа ОНТП 0.51.01, задание 0.51.01 КНЧа РАН №10103-398 (Разработать методические основы создания моделей плодородия почв различного уровня), Программа ГНТП 0.12 "Высокоэффективные процессы производства продовольствия" подпроект "Конструирование устойчивых агроэкосистем", "Эколого-энергетические основы продуктивности агроценозов (№01.86.0-129006", "Изменчивость структуры и функций экосистем под влиянием естественных и антропогенных факторов (№01.00-110029)". Работа является результатом многолетних (с 1972 г.) исследований автора, проведенных им лично или под его руководством группой сотрудников лаборатории "Экспериментальная полевая станция" Института агрохимии и почвоведения АН СССР и лаборатории ландшафтной экологии Института фундаментальных проблем биологии РАН, сотрудникам которых автор искренне признателен.
Большое влияние на выполнение и завершение представленной работы оказали добрые пожелания член-корреспондента РАН, доктора геолого-минералогических наук, профессора В.А. Ковды, доктора биологических наук, профессора А.А. Титляновой и доктора биологических наук, профессора В.В. Снакина, за что автор приносит им глубокую благодарность.
Практическое значение и реализация результатов исследований
Полученные результаты исследований положены в основу методических рекомендаций "Энергетическая эффективность применения удобрений в агроцено-зах"(1983). Рекомендации используются в 10 ведущих агрохимических и почвенных научно-исследовательских учреждениях страны.
Энергетические эквиваленты и нормы амортизации на сельскохозяйственные машины, орудия, трактора, минеральные и органические удобрения являются важным инструментом при пооперационном расчёте энергетических затрат на возделывание сельскохозяйственных культур, при оценке энергоёмкости операций и выборе энергосберегающих природозащитных технологий.
Методика расчёта совокупных энергетических затрат в агроэкосистемах необходима при оценке энергетической эффективности культур, изучении и обосновании потребности в энергетических ресурсах для земледелия областей, округов и
Российской Федерации при условии простого воспроизводства почвенного плодородия.
Методики анализа энерговложений на улучшение режимов и свойств почв могут быть использованы для оценки размеров энергоресурсов, необходимых для окультуривания почв, реализации моделей плодородия различного уровня, а также для выявления возможности и срока окультуривания почв отдельных регионов страны с учётом поступления технической энергии в аграрную сферу.
Результаты сопряжённых исследований потоков вещества и энергии в агро-ландшафтах, а также выводы на их основе имеют важное практическое значение для рационального сельскохозяйственного использования находящихся в сходных в физико-географическом и геохимическом отношениях территорий, в Государственной системе наблюдений (Росгидромет). Разработанная методика может с успехом использоваться в различных ландшафтно-геохимических условиях.
Анализ потоков свободного кислорода атмосферы в агроэкосистемах даёт новые представления о роли земледелия в балансе 02 в атмосфере Земли и может быть использован в биосферных исследованиях.
Роль природных и антропогенных источников энергии в агросфере
Изучение биологической продуктивности, круговорота веществ и потоков энергии в земледелии имеет огромное значение для решения многих теоретических и практических задач. Знание закономерностей формирования продуктивности и использования энергии фитокомпонентами позволит подойти к установлению рациональных приёмов управления биологической продуктивностью агроэкосистем и агроландшафтов с целью более полного использования солнечной радиации для создания хозяйственной продукции и рационального использования природных ресурсов территории на более широкой научной основе.
Приходящая энергия Солнца относится к практически нерегулируемым факторам фотосинтеза в полевых условиях, и задача повышения продуктивности культурных растений заключается в нахождении приёмов и способов создания и поддержания функционирования фотосинтезных систем, наилучшим образом её использующих. Коэффициенты использования ФАР культурными растениями являются одним из важнейших объективных показателей процесса земледелия и эффективности приёмов повышения продуктивности посевов (Ничипорович, 1982). Величины приходящей ФАР существенно различаются по территории Евразии, что и определяет потенциальную продуктивность культурных растений. Так, в Прибалтийских республиках за время вегетации озимой пшеницы поступает около 25 ккал/см , а в Средней Азии - 52 ккал/см .
В благоприятных экологических условиях посевы способны накапливать в конечном урожае до 4 % этого количества энергии. Однако ввиду частого несоответствия условий произрастания внутренним потребностям растительного организма и больших затрат энергии на адаптивные реакции (Жученко, 1980, 1982), КПД ФАР в посевах в настоящее время составляет обычно не более 1 %. Таким образом, огромное количество солнечной энергии не аккумулируется культурной растительностью. Сообщества культурных растения являются искусственными биологическими системами, существование которых в значительной степени зависит от управляющего воздействия человека. Наряду с использованием солнечной радиации в агроэкосистемах для поддержания функционирования и снижения ограничивающего воздействия неблагоприятных экологических факторов потребляют большое количество дополнительной технической энергии. Для повышения КПД ФАР в интенсивных системах земледелия в больших масштабах вкладывается техническая энергия в различных видах. В таких странах, как Франция и Венгрия, на производство продовольствия расходуется соответственно 20 и 25 % национальных энергоресурсов (Blaizot, 1980; Ramakumar, Hughes, 1981). Общее потребление энергии в США в 1978 г. равнялось приблизительно 19,57 1015 ккал, из которых около 3 % тратилось на производство пищи. Из 0,59 10 ккал, ежегодно затрачиваемой на производство пищи, 1/3 используется в сельском хозяйстве и 2/3 - в промышленности, работающей на аг-росферу (рис. 1). Около 80 % энергии, потребляемой непосредственно в земледелии, приходится на жидкое топливо и газ (Phillips et al., 1980). Таким образом, сельскохозяйственное производство стало энергоёмкой отраслью, где всевозрастающее применение искусственных источников энергии для повышения урожайности не только снижает их энергетическую эффективность, но и создает возможность загрязнения биосферы.
Современная аграрная сфера неразрывно связано с промышленностью по производству сельскохозяйственных машин и орудий, агрохимикатов, системой переработки, транспортировки, распределения и реализации продовольствия и товаров, выработанных из сельскохозяйственного сырья.
В настоящее время можно говорить о хорошо структурированной продовольственной системе в развитых странах. Так, ученые Службы экономических исследований Минсельхоза США во главе с А.А. Манчестером разработали структуру современной американской системы по производству продовольствия и волокна (Оверчук, 2001). Они выделили в системе пять отдельных сфер.
В первую сферу системы включили все промышленные отрасли, производящие технику, промежуточные производственные ресурсы, строительные материалы и услуги, поставляемые сельскому хозяйству, перерабатывающей промышленности и торговле.
Ко второй сфере они отнесли непосредственно сельское хозяйство. Эта сфера потребляет производственные ресурсы, поставляемые первой сферой, и преобразует их в процессе производства в сельскохозяйственную продукцию, часть которой используется населением в свежем виде, а основная ее масса направляется промышленным предприятиям на переработку.
В третью сферу системы вошли промышленные предприятия по переработке сельскохозяйственной продукции. Эта сфера перерабатывает сельскохозяйственное сырье и поставляет своим покупателям готовые продукты питания, различные полуфабрикаты, волокно и кожу. В четвертую сферу включены все виды транспортных компаний (автомобильные, железнодорожные, морские, речные) специализирующиеся на перевозках сельскохозяйственного сырья и готовых продуктов питания. Эта сфера обеспечивает также сохранение качества продовольственных товаров во время их транспортировки, используя для этих целей рефрежераторное оборудование.
В пятую сферу продовольственной системы были отнесены оптовая и розничная торговля. В эту сферу входят рыночные терминалы, распределительные центры, оптовые базы, продовольственные магазины и предприятия общественного питания.
В целом, первая сфера продовольственной системы США поставила сельскому хозяйству США покупных производственных материалов и услуг на сумму, составляющую 89 % всех производственных затрат в сельском хозяйстве США или 80 % стоимости валовой сельскохозяйственной продукции США.
На вторую сферу продовольственной системы США - непосредственно сельское хозяйство - приходится 12,6 % валового национального продукта (ВНП).
От фермеров всецело зависит эффективность использования научных, материальных и энергетических ресурсов, что обеспечивает поставку на рынок относительно дешёвых свежих продуктов питания и дешёвого сельскохозяйственного сырья для перерабатывающих предприятий.
Проблема технической энергии и экономии энергетических ресурсов на Земле тесно связана с вопросами защиты окружающей среды (почв, водных ресурсов, воздушного океана) от загрязнения, так как известно, что энергетические установки являются основными антропогенными источниками загрязняющих веществ на планете. Интегральные выбросы диоксидов серы за счёт сжигания органического топлива на тепловых электростанциях достигли в Российской Федерации к 2004 г. 1164 тыс. т. Выбросы золы, сажи и пыли энергетическими установками составили в 2003 г. 994,1 тыс. т., в 2004 г. - 996,5 тыс. т.
Косвенные вложения антропогенной энергии
При проведении энергетического анализа агротехнологий необходимы знания затрат первичной технической энергии на производство средств производства, орудий труда и разработка энергетических эквивалентов (норм амортизации) техники.
К косвенным затратам относится большой перечень различных средств производства, материалов, вырабатываемых вне сельского хозяйства и используемых при выращивании, транспортировке и доработке растениеводческой продукции. Важной составной частью энергозатрат в аграрной сфере в настоящее время является различная сельскохозяйственная техника (трактора, сельскохозяйственные машины и орудия, сортировки и зерносушилки, комбайны и автотранспорт).
Этот вид вложений в земледелии учтён путем суммирования используемых энергоресурсов на каждом этапе производства, капитального и текущего ремонтов сельскохозяйственной техники и расчёта норм амортизации на 7 часов работы в сельскохозяйственном производстве. В существующих методических рекомендациях обычно приводятся энергетические эквиваленты на производство сельскохозяйственной техники в расчёте на 1 т массы, что не даёт возможность исследователю их практического использования. Исчисление амортизации техники на 7 часов работы по экономическим районам или федеральным округам позволяет корректно провести энергетический анализ технологий возделывания сельскохозяйственных культур, транспортировки и доработки урожая.
В тракторах, комбайнах и автомашинах нами учитывалось количественное соотношение чёрных, цветных металлов и других материалов и соответствующие энергетические затраты. При расчётах производства техники принимались во внимание затраты энергии на получение кокса и кислорода, использованных на выплавку передельного чугуна и стали. Удельный расход энергоресурсов на черные металлы взят на основании данных базового завода - Новотульского металлургического комбината объединения "Тулачермет". На электролиз глинозема для производства 1 т алюминия требуется 227500 МДж энергии (БСЭ, т.1, 1970). Эталоном в расчётах прямых заводских затрат на производство тракторов, комбайна и автомашин взят трактор Т-150.
Вложения энергии на капитальный ремонт учитывались по отчётным данным специализированных отделений «Сельхозтехника» Московской области. При этом принимались во внимание как прямые затраты энергоносителей, так и энергия, затраченная на производство заменяемых узлов и деталей.
Амортизация овеществленных затрат энергии проводилась с учётом средней годовой загрузки сельскохозяйственных машин (в часах) и срока службы (Нормативно-справочный материал..., 1984) по предложенной нами формуле: Бп+ГКр где Ас - сменная (7ч) норма амортизации (МДж), Бп - первоначальные затраты энергорсурсов на производство техники (МДж), »КР - сумма затрат энергии на капитальный ремонт за весь срок службы техники (МДж), Т - амортизационный срок службы (лет), С - примерная годовая загрузка техники (смена по 7 ч).
Амортизацию автотранспорта рассчитывали на 1 км пробега, исходя из норм пробега (Положение о техническом обслуживании ..., 1978). Затраты на производство сельскохозяйственных машин брались по фактическому использованию энергоресурсов на заводах-изготовителях. Следует заметить, что удельные затраты энергии (МДж/т массы) на прицепные и навесные машины существенно различаются по видам машин.
Нормы амортизации изготовления сельскохозяйственных машин и затраты на техническое обслуживание по IV зоне - Центральная и Восточно-Нечернозёмная приведены в табл. 11. Амортизационные отчисления по некоторым машинам других зон даны в табл. 12.
Из приведенных данных следует, что нормы амортизации по одной и той же машине существенно различаются в зависимости от района использования, что определяется климатическими условиями. Этот важный момент, который до наших работ не принимался во внимание при расчёте затрат энергии в агроэкосистемах. В табл. 13 приведены нормы амортизации суммарных затрат энергии на изготовление, текущий ремонт и техническое обслуживание тракторов, комбайнов и автомашин.
Эффективность минеральных удобрений на выщелоченных чернозёмах
Эксперименты на выщелоченных чернозёмах Тамбовской области выявили высокую агрономическую эффективность минеральных удобрений (табл. 21). Однако при внесении туков значительно возросли энергозатраты на 1 га и на 1 центнер зерна. Так, например, увеличение урожая в 1,4 раза за счёт внесения N90P60K40 привело к росту энергозатрат в 2,1 раза, или на 14316 МДж/га (табл. 21). В эксперименте с фосфорным удобрением при внесении N40P60K40 урожай зерна возрос в; 1,4 раза, а энергозатраты увеличились в 1,8 раза или на 10872 МДж/га.
Применение N40P60K90 способствовало увеличению урожая в 1,4 раза, при этом энергозатраты возросли в 1,7 раза или на 9691 МДж/га (по отношению к контролю). Однако вышеприведённый результат расчёта энергетической эффективности удобрений в опытах проведен по упрощенной методике, и полностью не отражает реальное распределение потоков антропогенной энергии в агроэкосистемах, в так как не учтены затраты на простое воспроизводство почвенного плодородия и последействие минеральных удобрений. Разработанная нами новая методология и подробная методика анализа энергетической эффективности будет показана далее на примере результатов экспериментов на серых лесных почвах.
Расчёты свидетельствуют, что на выщелоченных чернозёмах энергозатраты по азотному удобрению под озимую пшеницу из трёх испытанных туков наибольшие (табл. 22). Так, ресурсы энергии на производство и применение N90 в 1,8 раза выше, чем по Р90 и в 6,2 раза выше, чем по К90. Таблица 22. Агрономическая и энергетическая эффективность внесения минеральных удобрений под озимую пшеницу на выщелоченных чернозёмах
При одинаковых прибавках урожая озимой пшеницы от N90 и Р60 (5,2 ц/га), энергозатраты на 1 ц зерна по азоту оказались в 2,6 раза выше, чем по фосфору. В целом внесение фосфорного удобрения под пшеницу по затратам на 1 ц дополнительного урожая было энергетически значительно эффективнее азотного.
Калийное удобрение по влиянию на урожай зерна было менее действенным, чем N и Р, но его применение в дозах К90 энергетически очень выгодно: затраты энергии на 1 ц прибавки урожая зерна при этом оказались меньше, чем по азотному и фосфорным удобрениям.
Одним из важных показателей производительности земледелия является сбор белка в составе урожая с единицы посевных площадей. В проведенных исследованиях внесение N90 положительно влияло на содержание белка в зерне озимой пшеницы, увеличив его в среднем на 1,2 % по сравнению с фоном (Р60К40); при этом сбор белка возрос на 98 кг/га и энергозатраты в расчете на 1 кг белка составили 102 МДж. Содержание белка в зерне от Р90 слабо увеличивалось (в среднем на 0,1 %). Однако выход белка с 1 га за счет больших прибавок урожая был на 67 кг выше по сравнению с фоном (N40P40). Общие энергозатраты на 1 кг белка, связанные с использованием Р90, оказались на 18 % меньше по сравнению с N90.
От эффективно действующих на содержание белка доз калия (К40-60) белковость зерна повысилась в среднем» на 0,6-1,2 %, сбор белка - на 30-37 кг, а энергозатраты на 1 кг белка были наименьшие из трех испытанных видов туков. Следовательно, в проведенных опытах с озимой пшеницей на выщелоченных чернозёмах азотное удобрение оказалось менее энергетически эффективным, чем фосфорное и калийное, как по затратам энергии на 1 ц прибавки урожая зерна, так и на 1 кг белка. В наших опытах в варианте N90P60K40 энергия, накопленная в зерне, равнялась 47520 МДж/га, а учтённые затраты технической энергия на его производство достигли 52,1 % от заключенной в зерне.
При внесении минеральных удобрений с преобладанием фосфора -N40P90K40 - затраты энергии составили 45,1 % накопленной в урожае. Энергия, содержащаяся в урожае зерна при дозе N40P60K90 равнялась 55565 МДж/га, вклад антропогенной энергии - 41,2 % от накопленной. Следовательно, наибольшая отдача на единицу вложенной энергии получена от полного минерального удобрения с преобладанием калия. Таким образом на выщелоченных чернозёмах Тамбовской области наиболее энергетически эффективной дозой минеральных удобрений под озимую пшеницу следует считать N40P60K60, при которой получены высокие прибавки урожая зерна (в среднем 7,0 ц/га), а энергозатраты на 1 ц зерна и 1 кг белка оказались наименьшими.
Данный расчёт эффективности удобрений проведен по упрощенной методике, не отражает объективное распределение потоков энергии в агроэкосистемах. В следующем разделе главы приводится оценка эффективности возделывания агроэкосистем в многолетних полевых опытах на серых лесных почвах, при которой используется новая методика анализа потоков природной и антропогенной энергии, с учетом энерговложений на простое и расширенное воспроизводство почвенного плодородия.
На серых лесных почвах в Южном Подмосковье на территории Экспериментальной полевой станции Института агрохимии и почвоведения АН СССР для изучения влияния интенсивности применения удобрений на продуктивность агроэкосистем, круговорот химических элементов и эффективность вложений антропогенной энергии был заложен комплексный многолетний стационарный полевой опыт.
Для каждой культуры севооборота было предусмотрено три варианта: без удобрений, N, Р и К в дозах, рекомендованных для данной зоны, и N, Р, К в дозах, рассчитанных на получение максимально возможного урожая по средней влагообеспеченности (табл. 2).
В зоне южного Нечерноземья часто лимитирующим фактором в формировании биологической продукции агроэкосистем является влага. Вегетационные периоды лет исследований резко отличались по своим метеорологическим условиям (см. табл. 4), что существенно сказалось на биологической продуктивности культурных растений, качестве урожая, агрономической и энергетической эффективности внесения минеральных удобрений.
Последействие удобрений и потоки антропогенной энергии в агроэкосистемах
При анализе энергетической эффективности применения удобрений под сельскохозяйственные культуры следует учитывать их последействие. Многолетнее и интенсивное внесение минеральных туков и органических удобрений в севообороте приводит к накоплению фосфора и увеличению содержания гумуса в почве, изменению других свойств почв и росту урожая последующих культур.
Из литературы известно, что коэффициент усвоения питательных веществ из фосфорных удобрений первой культурой не высок. По данным В.И. Никитишена и др. (2001) на серых лесных почвах Экспериментальной полевой станции в прямом действии одинарной и двойной доз фосфорного удобрения посевы за 17-ти летний период опыта усвоили следующее количество фосфора: на фоне К60 -13 и 12 % (поле 1, с исходным содержанием подвижного фосфора в 3-4мг/100 г почвы), 11 и 9 % (поле 2, с исходным содержанием подвижного фосфора в 7 -8мг/100 г почвы). На фонах N60K60, N120K60 и N180K60 растениями усвоено 36-39 % и 23 -27 %, 21-29 % и 16 -17 % в расчёте от внесенного удобрения.
B.C. Егоровым (2006) показано, что на дерново-подзолистых почвах происходит миграция фосфора удобрений по профилю и существенное повышение содержания общего и подвижного фосфора как в пахотном, так и в подпахотных слоях в следующем ряду систем удобрения: минеральная органо-минеральная органическая.
Содержание подвижного фосфора в почве как в слое 0-20, так и в слое 20-40 см под влиянием длительного применения повышенных доз фосфорных удобрений под культуры севооборота существенно увеличилось. Содержание фосфора в слое 0-20 см повысилось на 3,9 мг/100 г почвы, в слое 20-40 см - на 3,8 мг/100 г почвы. Таким образом, часть неиспользованных полевыми растениями фосфатов удобрений накопилась в почве, улучшая ее потенциальное плодородие.
В свете этого явления необходимо уточнить и методику расчёта энергетической эффективности применения удобрений в агроэкосистемах. Питательные вещества удобрений, не усвоенные первой удобряемой культурой, расходуются главным образом на повышение урожая последующих культур и на увеличение потенциального плодородия почв.
Поэтому при расчёте энергетической эффективности удобрений на первую удобряемую культуру следует относить только часть затрат энергии, связанных с применением удобрений, а именно ту часть, которая соответствует питательным веществам, поглощенным данной культурой. Для выявления этой части затрат удобрений можно предложить два пути.
Наиболее простой и достаточно точный способ - использовать средние коэффициенты поглощения питательных веществ из минеральных и органических удобрений первой культурой, имеющиеся в литературе по почвенно-климатическим зонам (Научные основы...,1978). Второй путь - по величине урожая и результатам анализа его химического состава рассчитывать непосредственный вынос питательных веществ культурой из внесённых под неё удобрений.
Учёт последействия удобрений дает более объективную оценку энергетической эффективности и позволяет вычленить затраты антропогенной энергии на производство растениеводческой продукции и на повышение потенциального плодородия почв.
Из результатов наших расчётов затрат энергии в агроэкосистемах на серых лесных почвах, проведенных по упрощённой методике (табл. 25), следует, что при повышенных дозах минеральных удобрений их энергетическая эффективность существенно снижается по всем культурам.
Однако из данных табл. 28 видно, что за 10 лет полевого эксперимента интенсивное применение минеральных удобрений на вариантах NPK2 положительно сказалось на содержании фосфора в почве. Затраты антропогенной энергии на увеличение содержания фосфора в почве, по нашему мнению, не следует относить на непосредственно удобряемые культуры севооборота, а необходимо рассматривать как капитальные вложения на повышение потенциального плодородия почв.
Наши исследования показали, что на варианте NPK2 на увеличение содержания подвижного фосфора в 20-ти см слое серой лесной почвы с 6,1 до 11мг/100г почвы (при нормативе затрат 100 кг Р205 удобрений для повышения на 1 мг. Р205 /100 г почвы) вложено 18465 МДж/га антропогенной энергии, а на рост концентрации этого элемента в слое 20-40 см с 8,7 до 12,5 мг Р2О5/100 г. затрачено ещё 14204 МДж/га энергоресурсов.
Следовательно, на увеличение потенциального плодородия серой лесной почвы опытного севооборота по содержанию подвижного фосфора в слое 0-40 см израсходовано в сумме 32669 МДж/га антропогенной энергии.
В эксперименте В.И. Никитишена с соавт. (2001) ко времени изучения последействия фосфатный уровень почвы вырос в поле 1до9-10и13- 14мг/100 г, в поле 2 -до 13 -14 и 17 -18 мг/100 г почвы. На основании этих данных и разработанной нами методики мы провели расчёты затрат антропогенной энергии на повышение содержания подвижного фосфора в почве. Анализ показал, что на увеличение содержания доступного фосфора в поле 1 с 3 -4 мг до 9 -10 мг/100 г почвы затрачено около 22565 МДж/га антропогенной энергии, на повышение содержания этого элемента до 13 -14мг/100 г почвы -37556 МДж/га. Таким образом вложения антропогенной энергии на накопление фосфора в почве в данном опыте оказались очень высокими. Эти величины энергозатрат следует исключить при расчёте энергетической эффективности удобряемых культур и считать их капитальными вложениями на повышение потенциального плодородия почв.
Наши исследования показали также, что за 10-ти летний период в серых лесных почвах опытного севооборота содержание обменного калия уменьшилось: в слое 0 - 20 см на 3 мг, в слое 20 - 40 см - на 3,4 мг/100 г почвы. На компенсацию потерь калия из почв будет необходимо затратить 3083 МДж/га антропогенной энергии. В табл. 29 приведены данные по вложениям энергии на увеличение потенциального плодородия серых лесных почв экспериментального севооборота. С учётом последействия возделывания культур на потенциальное плодородие почв и необходимых затрат искусственной энергии на простое воспроизводство параметров свойств почв структура потоков антропогенной энергии в агроэкосистемах существенно изменяется (табл. 30).
