ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ ИНТЕНСИВНОГО РАСТЕНИЕВОДСТВА Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ

ENERGY AND ECOLOGY

Статья поступила в редакцию 16.01.13. Ред. рег. № 1501 The article has entered in publishing office 16.01.13. Ed. reg. No. 1501

УДК 631.544.4

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ ИНТЕНСИВНОГО

РАСТЕНИЕВОДСТВА

И.А. Антуфьев

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru

Заключение совета рецензентов 23.01.13 Заключение совета экспертов 30.01.13 Принято к публикации 06.02.13

Проведён анализ современной ситуации с интенсивным растениеводством и показаны отрицательные тенденции современного земледелия. Повсеместное истощение почв заставляет производителей вносить в почву высокие дозы удобрений для повышения урожайности. Эти количества часто во много раз выше биологической потребности растений и приводят к вырождению самих растений. Качество продукции постоянно ухудшается.

Для решения возникших проблем предложены методы и устройства для экологически безопасного гидропонного выращивания растений без использования почв с механизмами биотехнологического мониторинга реальных потребностей растений.

Ключевые слова: интенсивное растениеводство, экология, здоровье населения, растениеводство без земли.

ENVIRONMENTAL POTENTIALS OF INTENSIVE CROP PRODUCTION

I.A. Antufyev

All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru

Referred 23.01.13 Expertise 30.01.13 Accepted 06.02.13

The analysis of the current situation with intensive crop production is made and it shows negative trends of modern agriculture. Widespread depletion of soil force manufacturers to bring high doses of fertilizers into the ground to increase crop yield. Very often these quantities are higher than biological needs and lead to degeneration of plants. Quality of the products is constantly deteriorating.

Methods and devices for green hydroponic plants cultivation without soil using the mechanisms of biotechnological monitoring of the real needs of the plants are proposed to solve the problem.

Keywords: intensive crop production, ecology, public health, crop production without land.

Сведения об авторе: ГНУ ВИЭСХ, заместитель заведующего отделом научно-технической информации, кандидат медицинских наук

Область научных интересов: экология, гигиена, токсикология, альтернативная энергетика

Публикации: 70 публикаций, включая 23 патента на изобретение

Игорь Александрович Антуфьев

История и опыт

Историки утверждают, что расцвет и гибель многих цивилизаций напрямую связаны с состоянием в них земледелия. После того факта,

когда первобытные люди сумели понять, что после посаженного (или упавшего) в землю зёрнышка вырастает целый колос, содержащий сотню зёрен, человечество обрело надёжный источник питания -зерно злака. Стремление выращивать продукт

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

питания и обеспечивать этим продуктом свой род, свою семью, спасая их от вымирания, поставило перед человеком жёсткую необходимость соблюдать определённые правила и технологии, которые всегда и везде зависели от состояния погоды, высоты солнца над горизонтом, периода дождей и бурь и непременного исторического опыта поколений. Земледелие всё больше становилось священным деянием, ради которого строились обсерватории и другие величественные сооружения, помогавшие определять даты и сроки крайне важного мероприятия в жизни народов. И никакие трудности не принимались в расчёт: человек добывал свой хлеб в поте труда своего.

Первобытные люди начинали своё движение по пути прогресса в земледелии с острой палки (сажального кола), которым проделывали лунку в почве, бросали туда семечко и закрывали лунку землёй. До приручения тяглового скота и изобретения плуга было ещё много времени, но в трудах своих человек кормил себя и спасал от вымирания свой род долгие тысячи лет. Появления прообраза сохи, мотыги, лопаты воспринималось как божественное открытие, подарок небес, и человек переходил на новые способы обработки почвы с той же целью прокормить себя и запасти продукты впрок. Стимул был всегда, и стимул этот был жизненно важен.

Появление железного плуга в 17 веке и его усовершенствование в более поздние годы в плуг отвальный европейцы считают грандиозной революцией, благодаря которой Европа была спасена от голода в 18 веке. Плуг стал символом прогресса и выраженной формой культуры земледелия. Он позволял увеличить размеры обрабатываемых территорий, больше засеять семян и получить больший объём продукта. Противников плуга не было, да и страшно было придумать противников того, что спасает нацию.

Но в густонаселённых странах Европы почвы быстро истощились, и народы стали в массовом порядке переселяться в Новый Свет, на новые территории со своими плугами и с привычным хищническим использованием почв. Не сразу было осознано, что интенсивное растениеводство чаще всего приводит к беде, к масштабной эрозии почв и их истощению. Однако передовые учёные уже серьёзно беспокоились о методах развития сельскохозяйственного производства вообще. Немецкий учёный-аграрий Гюнтер Кант отмечает, что «интенсивные методы сельского хозяйства - это бритва в лапах обезьяны» [1].

Интенсивные исследования в этой области привели к появлению беспахотной обработки земли, которая сейчас обозначается как «No-till» технология [2].

В 1987 году в Бразилии, Аргентине, Парагвае и Уругвае эта технология применялась лишь на 670 000 га, а к 2004 году она уже использовалась на 39,6

млн. га (увеличение в 59 раз). За этот же период в США масштаб применения No-till возрос с 4 до 23,7 млн. га (увеличение лишь в 5,8 раза). В США технологию внедрили на 21% пашни, в то время как в Бразилии её начали использовать на 50% общей площади обрабатываемых земель, в Аргентине - на 55%, а в Парагвае - приблизительно на 60%.

Фермеры, конечно же, не внедряли бы технологию так быстро (и, в целом, не смогли бы её внедрить), если бы основная причина была только экологическая и не затрагивала бы экономические интересы фермеров. По данным Сорренсона и Монтойя (Sorrenson and Montoya, 1984), технология No-till является самым рентабельным средством для контроля эрозии в Бразилии. И, как утверждает Кинг (King, 1983), экономический анализ различных методов сбережения природных ресурсов в США также свидетельствует, что No-till - наиболее эффективная по затратам технология [2].

Тебрюгге и Бернсен (Tebrtigge and Bohrnsen, 1997), исходя из результатов долгосрочных полевых исследований, проведённых в Германии, считают, что No-till - чрезвычайно выгодная технология по сравнению с традиционной, основанной на отвальной обработке почвы, благодаря более низким затратам на сельхозтехнику и её эксплуатацию. При технологии No-till снижаются затраты на приобретение техники, уменьшается потребление топлива, требуется меньше трудовых ресурсов и, следовательно, меньше переменные и фиксированные расходы. При этом используются трактора меньшей мощности, а отсутствие механической обработки почвы в технологии No-till способствует увеличению срока службы сельхозтехники. Авторы пришли к выводу, что в условиях Германии фермер, работающий по No-till, может добиться таких же урожаев, какие он получает при вспашке. В результате прибыль растёт [1, 2].

Современные проблемы

По прогнозу человеческая популяция в 2025 г. составит 8 млрд. человек и основной проблемой общества станет обеспечение населения Земли продовольствием (Сакмак, 2003) [3]. В соответствии с расчётами количество производимых продуктов питания в следующие два десятилетия должно удвоиться. В связи с тем, что площадь пахотно-пригодных земель ограничена, приоритетными направлениями исследований остаются вопросы повышения продуктивности культур. Особую актуальность исследованиям придаёт существующая в настоящее время тенденция к снижению урожайности сельскохозяйственных культур в мире. Наиболее мощным рычагом увеличения урожаев является улучшение питания растений.

Повышение продуктивности

сельскохозяйственных культур за последние сорок лет было достигнуто за счёт увеличения

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

использования азотных удобрений в 6,9 раза, фосфорных - в 3,5 и только в 1,1 раза за счёт роста посевных площадей. Как показывают расчёты, использование удобрений к 2030 г. должно увеличиться до 200 млн. т, тогда как в 1993 г. оно составляло 183 млн. т. Чрезмерное применение удобрений, в свою очередь, приведёт к возрастанию нагрузки на окружающую среду. Для предотвращения экологической катастрофы необходимо решение ряда экономических и биологических проблем, таких как повышение эффективности использования удобрений, увеличение фиксации азота бобовыми культурами, применение органических удобрений, а также стимулирование фотосинтеза [4, 5, 7, 8, 9].

Усиливается роль микроэлементов, которые, увеличивая устойчивость растений к стрессовым ситуациям, повышают их продуктивность и качество продукции. Возрастает роль молекулярной биологии в отборе генотипов растений с более эффективным использованием элементов питания, более устойчивых к неблагоприятным почвенным условиям (кислотность, засоление). Уже в настоящее время получены клоны растений, которые способны произрастать в условиях дефицита отдельных элементов, преодолевать токсичность алюминия и тяжёлых металлов. Важным в перспективе является получение генотипов зерновых культур, имеющих возможности к фиксации азота из воздуха [6, 7, 8, 9].

На фоне таких фактов и факторов особое значение приобретает создание условий для свободной реализации возможности генома растений в полной мере, что может быть достигнуто на установках и по способам культивации И. А. Антуфьева [10].

Анализируя тенденции постоянного снижения урожайности большинства продовольственных культур из-за истощения почв и перенасыщения их удобрениями и биостимуляторами разного рода, а также постоянного ухудшения качества продуктов, учёные большинства стран потребовали обсуждения этой проблемы в самом широком формате.

Всемирный саммит по продовольственной безопасности проходил в Риме, Италия, 16-18 ноября 2009 года. Решение о созыве встречи на высшем уровне было принято Советом Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединённых Наций (ФАО) в июне 2009 года по предложению Генерального директора ФАО д-ра Жака Диуфа. Шестьдесят глав государств и правительств и 192 министра из 182 стран и Европейского Союза приняли участие в саммите, который проходил в штаб-квартире ФАО.

Назвав миллиард голодающих на планете «нашим трагическим достижением в современном мире», генеральный директор ФАО Жак Диуф подчеркнул необходимость производить продовольствие в странах, где много бедных и голодающих, и увеличить инвестиции в этом регионе [11].

Страны также согласились двигаться в направлении увеличения внутреннего и международного финансирования сельского хозяйства и способствовать новым инвестициям в этот сектор, улучшить управление всемирными продовольственными вопросами в партнёрстве с государственным и частным сектором и активно противостоять негативному воздействию изменения климата на продовольственную безопасность [11].

Но большинство участников форума не получили рекомендаций как в каждом конкретном регионе развивать в безопасном режиме, например, производство овощей или другой продукции повседневного спроса. Даже в благополучных регионах планеты с относительно устойчивым сельским хозяйством всегда бывают периоды и условия, когда нет никакой возможности вообще что-то выращивать. Есть страны с периодическими чередованиями засухи и проливных дождей, есть страны с продолжительной и изнуряющей засухой на протяжении большей части года, немало стран с длительными периодами холодной погоды, при которой никакое земледелие немыслимо. То есть нет единого решения для всех стран, нет единой методики... Не было до настоящего времени.

Примеры решения некоторых проблем

По нашему мнению, проблемы глобального дисбаланса производства продуктов питания недостаточно хорошо проанализированы. Не учтены более современные способы хозяйствования и, в том числе, производства многих продуктов питания. Например, большинство процессов по выращиванию всех овощей, а также большинства технических и лекарственных культур, можно перевести на более перспективные методы хозяйствования без использования земли в качестве основы для выращивания [10].

Предложенные нами в конце 70-х и начале 80-х годов и запатентованные, начиная с 2000 года, технологии и устройства предполагают полный отказ от земли как основы для выращивания. Исходя из теоретических предпосылок, что растениям нужны только неорганические элементы, соли и вещества, мы предложили гидропонное выращивание растений в вертикально расположенных колоннах или рукавах, питание в которых осуществляется путём подачи специально подготовленных растворов минеральных солей по типу растворов Кнопа, Геррике, Эллиса, Хогланда и др. авторов [12].

Ранее были известны способы гидропонного выращивания растений, но они касались горизонтального расположения посевного поля и всегда требовали специального субстрата для крепления корней растений (минеральная вата, керамзит, вермикулит, торф, песок и масса других субстратов).

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Использование вертикальных культивационных колонн показало заметные выгоды подобного способа интенсивного растениеводства. Например, появилась возможность более рационально использовать пространство теплиц, высаживая на колонне гораздо больше растений, чем на горизонтальном участке такой же площади. Это уже само по себе огромное экологическое преимущество даже при сохранении прежних параметров урожайности сорта. Но возможность строгого контроля над составом и другими особенностями подаваемого питательного раствора позволяет в заметных пределах регулировать рост и развитие растений и даже управлять этими параметрами.

То есть мы приближаемся к решению проблемы полной реализации функций и возможностей, которые заложены в геноме растения. На практике, в силу мало или вообще не контролируемых условий выращивания растений в открытом и даже защищённом грунте, все возможности генома никогда не реализуются. Если говорить образно, то растение при современных самых хороших тепличных условиях реализует свои возможности максимум на 65 процентов. Для более полной реализации возможностей генома растениям требуется биотехнологическая регуляция роста и развития. При автоматизированных процессах интенсивного растениеводства на культивационных колоннах возможна точная регуляция параметров роста и развития биообъектов различной природы. Такой регуляции поддаются помидоры, перец, чёрная и красная смородины, малина, все технические растения (например, марена красильная), все лекарственные растения (например, шалфей, календула, пустырник) и даже злаковые. Пробные опыты в Новосибирском Академгородке в конце 70-х показали, что в колосьях риса формировалось на 20-23 процента больше зёрен, чем обычно это наблюдается при хороших условиях выращивания во Вьетнаме.

Помимо этого, культивационные колонны позволяют использовать другие принципы освещения растений, например, располагать осветительные гирлянды прямо на самой колонне, опуская их по всей длине культивационного пространства. Этими светильниками могут быть светодиоды с подобранными спектрами излучения, например, синего и красного цвета. Экономия электроэнергии становится весьма значительной и может достигать 30-45 процентов по сравнению со стандартным верховым освещением специальными мощными светильниками.

Кроме того, при таком новом типе расположения светильников или осветительных лент со светодиодами появляется реальная возможность оптимизировать освещение и избежать распространённого, но не оценённого ещё в полной мере светового насыщения фотосинтеза, которое было описано ещё в 1987 году Н.Н. Протасовой [13].

Излишнее освещение значительно тормозит развитие растений.

Немаловажным фактором является и то обстоятельство, что питательных веществ требуется на единицу продукции примерно в 10-12 (а иногда и в 20) раз меньше, чем при выращивании тех же растений на открытом грунте и регулярном использовании минеральных подкормок, согласно стандартным немецким и российским технологиям. Не секрет, что именно оптимальное количество питательных веществ при выращивании растений создаёт высокое качество его плодов.

В области гигиены труда и промышленной санитарии предложенные методы интенсивного растениеводства также выигрывают в сравнении с традиционными технологиями. Основное положение обслуживающего персонала при работе - это естественное вертикальное положение, а не согнутое и напряжённое. Один работник в состоянии обслуживать вдвое и даже втрое больше растений, чем при традиционных методах. Обслуживание процессов культивации сводится главным образом к мониторингу за работающей автоматикой и относительно небольшим объёмом ручного труда. Отсутствие почв и субстратов позволяет добиваться в культивационном зале высокой степени чистоты, вплоть до стерильности, если это потребуется для экспериментальных исследований [14, 15].

Управление процессами интенсивного растениеводства на культивационных колоннах достаточно легко автоматизируется при использовании отечественных комплектующих для сборки автоматов и полуавтоматов, которые могут потребоваться в технологических процессах.

Много вопросов вызывает использование или утилизация отходов производства. В случаях с гидропонным выращиванием растений отходом является использованный раствор, который далее непригоден для интенсивного растениеводства. Но этот вопрос решается просто и эффективно при применении такого раствора для растений в открытом грунте [14]. Предварительные опыты с саженцами сосны, рябины и кедра, высаженными в открытый грунт вдоль аллеи возле экспериментального хозяйства института цитологии и генетики СОАН СССР в Новосибирском Академгородке, показали заметно более высокий рост саженцев, в лунки которых мы выливали в тёплое время года использованный гидропонный раствор. Этот вопрос легко можно доработать до промышленного использования отработанного раствора, например, в лесопосадках, при больших объёмах производства [14].

Нечто подобное высказывал Гюнтер Кант в своих книгах по оптимизации земледелия [16, 17].

На рисунке 1 показан [14] общий принцип конструирования вертикальных культивационных колонн 1 разного поперечного сечения с ложементами 2 для растений 15 и форсунками 10 для

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

разбрызгивания питательного раствора,

поступающего по центральной магистрали 3. Показаны и растения 6, относящиеся к посадкам в открытом грунте. Отработанный раствор, собираемый воронкой 4, поступает к растениям в открытом грунте по коллектору 5.

23 с обручами 24, где освещение выполнено с помощью светодиодных лент 25.

15

10

1

12

11 14

13

Рис. 1. Принцип конструирования вертикальных

культивационных колонн Fig. 1. Design principle of vertical cultivation columns

На рисунке 2 показана установка для фермеров [15] из четырёх культивационных колонн 1. Установка смонтирована на ёмкости 5 для питательного раствора, снабжена насосом с мотором 13, работающим от электроэнергии, запасённой от солнечных панелей 21.

Одна такая установка, занимающая площадь максимум 4 квадратных метра, способна дать за летний период вегетации на открытом грунте до 300 кг помидор или до 150 кг перца. Количество обычных сельскохозяйственных удобрений, использованных для получения одного килограмма товарной продукции (расчёт по помидорам), примерно в 10-12 раз меньше, чем при стандартной технологии в открытом грунте.

На рисунке 3 представлены колонны для теплиц с интенсивным выращиванием растений,

установленные на тумбы 2 с централизованной подачей питательного раствора через узел 9 и питательную трубку 10, стабилизированные тросами

Рис. 2. Один из вариантов установки для фермеров Fig. 2. One of the installation options for farmers

>8

N.................У

Рис. 3. Пример светодиодного освещения при интенсивном растениеводстве Fig. 3. Example of lEd lighting at intensive crop production

Выводы

1. Интенсивное растениеводство на открытом грунте по традиционным технологиям приводит к чрезмерному истощению почв и перенасыщению их сельскохозяйственными удобрениями, что ставит само сельскохозяйственное производство на грань опасного в экологическом отношении и кризисного в смысле продовольственной безопасности страны.

2. Перенасыщение удобрениями и неадекватность внешней среды не позволяет растениям, в частности

19

3

1

2

3

13

23

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

их геному, реализовать все заложенные в них от природы свойства и признаки, и ведёт, в конечном итоге, к вырождению культурных растений и катастрофическому снижению плодородия почв.

3. Недоучёт оптимальной потребности растений в интенсивности и качественных характеристиках освещения ведёт к снижению урожайности растений и перерасходу электроэнергии при их выращивании.

4. Использование предложенных нами установок и методов позволяет в значительной мере оптимизировать положение дел в сельскохозяйственном секторе любой страны вне зависимости от её климатических условий.

5. Применение методов точной гидропоники, которые у нас разработаны, но не публикуются и не патентуются по экономическим соображениям, позволяют в экологически чистом варианте получать высокие урожаи экологически чистых и полезных для населения продуктов питания, таких как помидоры, перец, все корнеплод-образующие, все типы ягод с коротким и длинным стеблями, а также все типы травянистых лекарственных растений и травянистых технических культур.

6. При должном внимании общества к нашим разработкам мы можем предложить экологически обоснованные и безопасные для окружающей среды методы выращивания даже таких «неудобных» культур, как капуста с огромным кочаном, тыква с громадным плодом, актинидия коломикта с очень длинным стеблем и чрезвычайно полезными плодами, и многое другое, что может в значительной степени облегчить жизнь населения в любой нормально развитой или даже развивающейся стране. Для этого потребно лишь внимание властей -внимание должное и конструктивное, реальное и безоткатное, защищающее мысль и творчество.

Список литературы

1. Кант, Гюнтер. Земледелие без плуга. Предпосылки, способы и границы прямого посева при возделывании зерновых культур. Перевод с нем. Е. И. Кошкина. М.: Колос. 1980. 158 с.;

2. Дерпш Рольф. No-till для фермера. No-till, Земледелие, 13.07.2009 (http://agrotill.narod.ru/ company/stati/ekonomika_no-till);

3. Сакмак. Материалы доклада на XIV международной конференции по питанию растений

(27 июля - 3 августа, г. Ганновер, Германия). Москва, 2003;

4. Быков О.Д., Зеленский М.И. О возможности селекционного улучшения фотосинтетических признаков сельскохозяйственных растений // Труды по прикладной ботанике, генетике, селекции ВИР. С-Пб., 1982. С. 32-44;

5. Жакотэ А.Г. Адаптивные системы сельского хозяйства. Материалы Всесоюзного совещания 18-20 октября 1983 г. Кишинёв: Штинница, 1984. С. 23-41;

6. Жученко А.А. Роль генетической инженерии в адаптивной системе селекции растений // Сельскохозяйственная биология. 2003, № 1;

7. Соколов М.С. Вторая «зелёная революция» // Сельскохозяйственная биология. 1999. № 5. С. 3-22;

8. Шевелуха В.С., Калашникова Е.А., Дегтярёв С.В. и др. Сельскохозяйственная биотехнология. М.: Высшая школа, 1998;

9. Норман Э. Борлауг, Перевод с английского Ю. Елдышева «Зелёная революция»: вчера, сегодня и завтра // Сельскохозяйственная биология. 2003, № 1;

10. Антуфьев И.А. Патенты РФ №№ 71507, 84667, 85069, 2229792, 2248120, 2386244, 2231250, 2248120, 2267259, 2386244, 2383127, 2383129, 2414121, 2423044;

11. Всемирный саммит по продовольственной безопасности. Рим, 16-18 ноября 2009 года. (http://www.fao .org/wsfs/vsemirnyi-sammit/ru/);

12. Экология - статьи, ссылки, нормативные документы (http ://www. gidrogel. ru/ecol/tank_ agric.htm);

13. Протасова Н.Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений // Физиология растений, Том 34, вып. 4, 1987г.;

14. Антуфьев И.А. Патент РФ № 2229792, Устройство для выращивания растений, МПК 7 А 01 G 31/02, 17.06.2002;

15. Антуфьев И.А. Патент РФ № 2386244, Устройство для гидропонного выращивания растений, МПК А 01 G 31/00, 19.06.2008, опубликовано 20.04.2010, Бюл. № 11;

16. Кант, Гюнтер. Зелёное удобрение. Перевод с нем. Б.Д. Кирюшина. М.: Колос, 1982. 128 с.;

17. Кант, Гюнтер. Биологическое растениеводство: возможности биологических агросистем. Пер. с нем. С.О. Эбель. М.: Агропромиздат, 1988. 206 с.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013