CC BY
210
Васильев Эдуард Владимирович, младший научный сотрудник, аспирант
ГНУ Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации
сельского хозяйства
Тел. +79522218306
E-mail: nii@sp.ru
The article deals the machinery used for application of liquid fertilizers in the NorthWest Federal region of Russia. The main investigation results of surface application of liquid organic fertilizers are presented.
Keywords: fertilizer application, liquid organic fertilizer, unevenness fertilizer, emission of nitrogen.
УДК 631.95
ЭМИССИЯ ВРЕДНЫХ ГАЗОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЖИВОТНОВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ
Т.Т.Гриднева
Представлен размер эмиссии для трёх парниковых газов и аммиака по технологическим процессам для основных групп животных. Оценено влияние системы кормления, удаления и хранения навоза на потери азота. Предлагается к показателям оценки технологий добавить количественные показатели оценки экологического ущерба от производства продукции по данной технологии. Ключевые слова: экологический ущерб, парниковые газы, потери продукции.
С начала ХХ века количество энергии, затрачиваемой на производство единицы сельскохозяйственной продукции в развитых странах мира, возросло в 8 — 10 раз, на производство промышленной продукции - в 12 раз.
К концу XX века воздействие человека на окружающую среду переросло региональные рамки и стало носить глобальный характер. В международном сообществе наметился переход от общих деклараций о сокращении экологического ущерба к практическим мерам.
Экологический ущерб - это изменение полезности окружающей среды вследствие ее загрязнения, выражающийся затратами общества, связанными с её изменением.
Возрастающая интенсивность антропогенной деятельности - самая популярная гипотеза высокой скорости климатических изменений. Антропогенные выбросы оказывают заметное влияние на химический состав атмосферы нашей планеты, увеличивая содержание в ней парниковых газов. Парниковый эффект характеризуется нагревом атмосферы поверхности земли «проникающим» солнечным излучением. Он возникает из-за нарушения соотношения между падающей и отражённой солнечной энергии. Вещества, сокращающие проводимость атмосферы для отвода теплового излучения земли, называются парниковыми газами. Повышение средней температуры воздуха нижних слоёв атмосферы Земли за последние 100 лет на 0,8°С - слишком высокая скорость для естественных процессов, ранее в истории Земли такие изменения происходили в течение тысячелетий. Последние десятилетия добавили ещё большей весомости этой гипотезе. За последние 15 лет средняя температура воздуха росла еще большими темпами — 0,3-0,4°С!
Доля сельского хозяйства в глобальной антропогенной эмиссии парниковых газов (41 млрд. т в год в эквиваленте СО2, при ежегодном приросте - 1 млрд. т) составляет примерно 32%.
Согласно существующим оценкам, приблизительно 60-70% суммарного парникового эффекта в атмосфере обеспечивается углекислым газом. Известно, что молекулы СО2 наименее эффективно поглощают длинноволновое излучение земли и имеют небольшую продолжительность жизни. Например, у фрео-нов-11 и-12 потенциала глобального потепления (ПГП) в эквиваленте СО2 составляет 4500 и 7100 соответственно. Эти два обстоятельства объясняют, почему СО2 был выбран при расчетах в качестве базисного газа в оценке потенциала глобального потепления и принят за 1 [1] (табл.1).
Таблица 1. Глобальный тепловой потенциал и совокупный экологический ущерб от
трёх парниковых газов
Парниковый газ Химическое строение газа Совокупный экологический ущерб, Е/т ПГП в эквиваленте к СО2
Диоксид углерода СО2 44 1
Метан СН4 296 23
Закись азота N20 24600 296
ПГП показывает воздействие на атмосферу равных масс парниковых газов с учётом продолжительности жизни каждого из них. Таким образом, выбросы малых масс парниковых газов, но более токсичных, или с большим периодом нахождения в атмосфере приобретают дополнительный "вес", учитываемый их ПГП.
На текущий момент установлено, что производство любой сельскохозяйственной продукции сопровождается выделением четырёх по-разному вредных для окружающей среды газов. К ним относятся аммиак и три парниковых газа:
двуокись углерода, метан и закись азота. По оценке стран ЕС доля животноводства составляет: 9 % СО2, 65% N2O, 37 % СН4 и 90% КН3 от общих антропогенных выбросов каждого газа. К наиболее значимым по вредности газам следует отнести три - метан, закись азота и аммиак.
Метан выделяется в результате переработки микробами в анаэробных условиях органического вещества в пищеварительном тракте жвачных и других животных, при хранении органических удобрений, а также всех преобразовательных процессах в условиях нехватки кислорода воздуха.
Закись азота образуется при микробиологических и химических преобразованиях связанного органического вещества, как в окислительных (нитрификации) так и восстановительных реакциях (денитрификации). Эмиссия почвы при возделывании кормовых площадей составляет примерно треть в антропогенной эмиссии закиси азота. Её размер зависит от вида почв, влажности, температуры и системы обработки. Эмиссия «первого плана», вызванная использованием органических и минеральных удобрений, составляет примерно 35%, остальное - естественная эмиссия «второго плана» от пожнивных остатков, выпаса животных, фиксированного азота и органогенных почв. В настоящее время считается, что вклад закиси азота в глобальное потепление климата, с учётом отепляющего потенциала, составляет 6%, /4/. Закись азота имеет высокую продолжительность жизни в атмосфере и, кроме того, 1 моль этого газа удерживает в 180 раз больше тепла, чем такое же количество углекислого газа. В 2009 г. вклад закиси азота в общие сельскохозяйственные выбросы был примерно в два раза больше чем метана.
Антропогенная эмиссия аммиака от животных составляет почти 90%, доля в производстве и использовании минеральных удобрений - соответственно 2 и 8% в общей эмиссии аммиака в атмосферу.
Аммиак не является парниковым газом. 99% выделенного аммиака остаётся на земле, добавляется к эвтрофикации, частью естественной, подкисляет почвы, способствует гибели лесов и животных с низкой буферной основой. Так усреднённая годовая эмиссия аммиака в центральной Европе оценивается как 30 кг/га сельскохозяйственных земель. /3/.
Учеными Брюссельского университета установлено, что потерии аммиака от содержания животных распределяется примерно в следующих долях: 70% падает на содержание коров и около 20% на свиней. На основании данных, полученных со спутника, впервые удалось выяснить, как в атмосфере всего земного шара распределяется аммиак. Этому загрязнителю, считают исследователи, в настоящее время уделяется явно недостаточное внимание. Он отнесён к четвёртому классу наименее опасных веществ. Кроме того, что аммиак имеет резкий, неприятный запах, он еще оказывает негативное воздействие на экосистемы и здоровье людей. Его повышенная концентрация вызывает у человека учащение дыхания и ожоги дыхательных путей. У животных снижается жизнеспособность, конверсия корма и качество забойных тушь.
Этот показатель является признанным индикатором развития животноводства в том или ином регионе. По карте, показывающей средние концентрации аммиака в атмосфере за 2008 год, составиленной по спутниковым данным, отмечено 28 «горячих регионов», где его присутствие ощущается особенно сильно. Среди них особенно выделяются три региона с самыми высокими концентрациями (более 1 мг/м поверхности). Это, прежде всего, Индо-Гангская низменность с ее священными коровами, Центральная долина в США вместе с долинами Сакраменто и Сан-Хоакин, а также Южно-Казахстанская область.
Нарастающее на планете производство говядины и других видов мяса стало одним из важнейших факторов увеличения выбросов в атмосферу парниковых газов. Животноводство в качестве "побочного продукта" производит сейчас в пересчете на СО2 на 18 процентов больше парниковых газов, чем транспорт, говорится в материалах ООН и ряда неправительственных организаций, распространенных на проходившей в японском городе Кобе международной встрече глав государств "восьмерки" по экологии. Прогнозируемое удвоение производства говядины и других видов мяса к 2050 году, по сравнению с 2000 существенно увеличит токсичные выбросы.
Токсичными называются химические соединения отрицательно влияющие на здоровье человека и животных.
По данным «Национального доклада о кадастре...», /2/ суммарные выбросы парниковых газов от аграрного сектора России в 2009г составили 142,4 млн. т в эквиваленте СО2. К наиболее значимым источникам отнесены прямые выбросы закиси азота от сельскохозяйственных почв, выбросы метана при внутренней ферментации и утилизации навоза у домашних животных, составляющие соответственно 38,3; 28,0 и 17,0%.
Выбросы метана от процессов внутренней ферментации и утилизации навоза сельскохозяйственных животных были рассчитаны для всех категорий животных с учётом поголовья, расхода валовой энергии и коэффициентов пере-вариваемости потребляемых кормов по регионам, а также энергии мочи и зольности сухого вещества навоза [2]. Выбросы метана от внутренней ферментации и утилизации навоза животных представлены в таблице 2.
Таблица 2. Распределение выбросов метана по видам животных для основных
технологических процессов
Категория сель-скохозяственных животных Выбросы от внутренней ферментации, кг/голову в год Выбросы метана по поголовью,%
Внутренняя ферментация Система утилизации навоза Суммарные выбросы
Коровы 102,01 49,6 19,9 46,7
КРС (без коров) 54,72 36,2 25,1 35,0
Овцы 8 9,2 1,9 8,4
Свиньи 1,5 1,4 47,3 6,2
Прочие - 3,6 5,8 3,7
Всего 100 100 100
По данным таблицы 2 81,7% выбросов метана от ферментативных процессов и утилизации навоза приходится на КРС.
Установлено, что основными источниками выбросов закиси азота являются системы сбора, хранения и использования жидкого и твёрдого навоза. Размер выделения азота у основных групп сельскохозяйственных животных в 2009г. [2] определялся как разность между азотом поглощенным и удержанным в организме животного с учётом основных систем сбора, хранения и использования навоза, представленных в таблицах 3 и 4. В расчётах учитывалось содержание в кормах обменной энергии и сырого протеина по регионам страны.
Таблица 3. Выделения азота у основных групп сельскохозяйственных животных в 2009 г. и соотношение основных систем его утилизации, %
Категории сельскохозяй- Выыделение Системы утилизации навоза,%
ственных животных азота, кГ на В жидком В твёрдом Пастбища и
голову в год виде виде выпасы
Коровы 94,5 0 79,2 20,8
КРС (без коров) 59,1 14,4 58,6 27,0
Свиньи 21,9 47,7 52,3 0
Таблица 4. Структура выбросов двух парниковых газов (метана и закиси азота) по основным видам источников и категориям животных
Наименование источника Выброс парниковых газов
В эквиваленте СО2, Гг В %*
Метан от внутренней ферментации, в том числе: 39880,4 28,0
КРС 34310,5 (86,0)**}
Остальные категории 5569,9 (14,0)
Система утилизации навоза и помёта: 24270,1 17,1
Выбросы метана, в том числе: 4581,3 (18,9)
КРС и свиньи 3297,3
Остальные категории 1284,0
Выбросы закиси азота, в том числе: 19688,9 (81,1)
Жидкие системы хранения 139,9
Системы хранения твёрдого навоза 19549,0
Рисоводство 921,9 0,7
Прямые выбросы закиси азота от почв: 54591,7 38,3
Минеральные удобрения 7713,4
Органические удобрения 11172,9
Растительные остатки 30035,6
Обработка органогенных почв 5399,8
Навоз пастбищ и выпасов 4727,2 3,3
Косвенный выброс закиси азота***) 17980,7 12,6
Всего 142372,0 100
представлена доля (%) от общих сельскохозяйственных выбросов ) В скобках представлена доля суммарных показателей без скобок ''азот атмосферных осадков и вымытый азот от систем сбора и хранения навоза и помёта, включая пастбища.
Коэффициенты выброса закиси азота от систем сбора и хранения навоза в жидком виде определены как 0,001 кг К20 - К/кг азота; при хранении навоза в твёрдом виде, а также навоза пастбищ и выпасов - 0,02 кг К20 - К/кг азота. Структура выбросов двух парниковых газов по основным видам источников в эквиваленте СО2 представлена в таблице 4.
К наиболее значимым источникам закиси азота в аграрном секторе относятся прямой выброс от сельскохозяйственных почв - 38% и утилизации навоза - 17%. Доля выбросов закиси азота от систем хранения твёрдого навоза составила 99,3%, а жидкого навоза - только 0,7 %.
Таким образом, потери метана и закиси азота в эквиваленте СО2 в секторе животноводства РФ на процессы ферментации, уборки и хранения навоза составили 45% . Из них доля метана и закиси азота соответственно составили 65,0 и 35,0%.
Влияние систем кормления на выделение метана при пищеварении у разных групп животных представлено в табл. 5.
Таблица 5. Потери кормов в виде метана при пищеварении у разных групп животных
Вид животных по группам Усреднённые значения потерь энергии в виде метана (диапазон величин)
% потреблённой энергии, Г/кГ потреблённого сухого вещества
Жвачные 6 - 8 (2 - 15) 25 - 29 (10 - 40)
Лошади 2 -3 (1 -5) 6 -8 (2 - 12)
Свиньи1-* 0,5 (0 - 2) 2 - 3 (0 - 8)
Птицы2) (0 - 0,3) (0 -1)
^Максимальные значения у холостых свиноматок, минимальные величины у поросят 2)Максимальные значения при кормах с высокой долей клетчатки (зелёные корма у кур-несушек, уток, гусей)
Анализ результатов представленных в таблице 5 показывает, что потеря кормов в виде метана максимальна у жвачных животных и не превышает 10%. Минимальные выбросы метана при пищеварении у птиц и свиней. Увеличение доли комбикормов в их рационе от 0 до 90% и соответственно уменьшение доли грубых кормов снижает выделение метана вдвое.
В таблицах 6 и 7 представлена структура выделений трёх парниковых газов на корову в год и влияние продуктивности на удельные потери азота при производстве основных видов животноводческой продукции.
Анализ результатов, представленных в таблицах 6 и 7 показывает, что максимальная эмиссия в эквиваленте СО2 у коров наблюдается при ферментативных процессах в рубце и низкой продуктивности.
По усреднённым данным на втором месте по потерям - процесс удаления и хранения навоза. Рост продуктивности увеличивает потери на животное в год, но снижает удельные (на единицу животноводческой продукции) значения суммарных потерь.
Таблица 6. Структура усреднённой эмиссии по технологическим процессам трёх парниковых газов на молочную корову в год (параметры: масса: 650 кг, продуктивность 8000 кг/год, 1 телёнок в год)
Эмиссия (кГ/на корову в год)
Источник эмиссии СО2 СН4 N20
Навозоудаление 210 5,5 1,1
Кормоприготовление 83 1,2
Транспортировка, обработка копыт и лечение 43
Ферментативные процессы в рубце 119
Ферментативные процессы при хранении навоза 18 2,7
Всего 336 143 5
В эквиваленте СО2 (кГ/на корову в год), 5125
с учётом ПГП (Г/кГ молока) 640
Структура в эквиваленте СО2 (кг/корову в год), 336 3290 1500
с учётом ПГП
Структура общей эмиссии в % 7 64 29
Таблица 7. Влияние продуктивности животных на размер выбросов
Источник протеина Величина дневной Выделения (Г/кГ животного п ротеина)
продуктивности N Р СН4 С02 экв
Молоко 10кг 0,65 0,10 1,0 30
20кг 0,44 0.06 0,6 16
40кг 0,24 0,04 0,4 12
Говядина 1000г 1,3 0,18 1,5 55
1500г 1,0 0,14 1,2 35
Свинина 700г 0,7 0,10 0,08 4
900г 0,55 0,08 0,05 3
Яйца 70% 0,4 0,07 0,02 5
90% 0,3 0,05 0,02 4
Средние потери азота в виде аммиака на молочную корову в год из свободно проветриваемых помещений с жидким навозом составляют 16,7 кГ, при содержании коров на выгульных дворах- 8,3 Г/м2 в день, хранение жидкого навоза выгулов имеет слишком большой разброс потерь от 2 до 36 Г/м2 в день, при хранении твёрдого навоза эта величина значительно меньше и составляет
л
0,55 -1,50 Г/м в день. Потери в виде аммиака при откорме бычков в свободно проветриваемых помещениях с твёрдым навозом составляют 9,9 кГ/на голову в год [4].
Исследованиями установлено, что 1,25% выделяемого азота превращается в закись, а эмиссия закиси азота при выпасе животных или внесении жидкого навоза, как правило, выше, чем от использования минеральных удобрений [5]. По литературным данным эмиссия закиси азота на окультуренных пастбищах центральной Европы варьируется между 1,4 и 9,8% от массы выделенного азота, потери закиси азота с пашен и лугов составляют 266-1717 кг в эквива-
ленте СО2 на га пашни и 89-720 кг/га луга, /6/, что значительно больше, чем представленные в /2/.
На основании представленного материала можно сделать вывод об определённом несовершенстве существующих методик и слишком общих подходах к оценке потерь по технологическм процессам, не учитывающих их ососбенности и значительный разброс рассмотренных потерь аммиака и парниковых газов в зависимости от используемой технологии содержания, кормления и утилизации навоза.
В настоящее время во всех развитых странах, заботящихся о своей экологии, наряду с оценкой доли сельскохозяйственного производства в общей системе выбросов парниковых газов, ведутся работы по совершенствованию методик эколого-экономической оценки воздействий и загрязнений, оказываемых технологиями и техническими средствами производства и переработки продукции растениеводства и животноводства на окружающую среду. В частности, предлагается в раздел сельскохозяйственных потерь включить выбросы от энергетических средств (тракторов и сельхозмашин), отнесённые к разделу потерь на транспорте, а также потери от испоьзования и структурных изменений в использовании почв, включённые в потери по лесному хозяйству /7/. Методики оценки выбросов вредных газов при производстве животноводческой продукции необходимо конкретизировать размерами потерь и вызванного ими совокупного экологического ущерба по технологиям и отдельным технологическим процессам с учётом экологической ситуации в регионе и относительной опасности каждого из вредоносных газов. Это позволит оценить используемую технологию с учётом размера ущерба и составить более объективное мнение о её экономических показателях.
Литература:
1. Milcherzeugung und Treibhausgas-Emissionen. BerichteuberLandwirtschaft. Zeitschrift fur Ag-ropollitik und Landwirtschaft? / W. Brade, U. Dammgen, P. Lebzien, G.Flachowsky. - Stuttgart, 2008. - Band 86(3).
2. Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов не регулируемых Монреальским протоколом за 1990-2009гг. Ч.1. - М., 2011.
3. Trunk, W. OkonomischeBeurteilung von Schadgasemissionbei der Milcherzeugung / W. Trunk, J. Zeddies // Agrarwirtschaft 45. - 1996. - Heft 2.
4. Amon, В. Ammoniakemissionen aus freigeluftetenStellen und Wirtschaftsdungerstatten fur Rinder / B. Amon, M. Frohhlich. - KTBL-Schrift 449. Emissionen der Tierhaltung.
5. Мониторинг эмиссии закиси азота из сельскохозяйственных почв: методические рекомендации / ГНУ АФИ Россельхозакадемии. - СПб., 2008.
6. Flachowsky, G. СО2 - Footprintsfur Lebensmittel tierischer Herkunft - Wo stehen wir? / G.Flachowsky // Vortrage Hochschultagung . - 2009. - Heft 114.
7. Wegener, J. Analyse und Bewertung landwirtschaftlicher Treibhausgas-Emissionen in Deutschland // J. Wegener, W. Lucke, J. Heinzemann // Agricultural Engineruig Rescarch 12. - 2006. -Р.103-114.
Гриднева Татьяна Трофимовна, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства Тел. (84967)67-99-67 E-mail: vniimzh@mail.ry
Presented by the size of the emission of three greenhouse gases and ammonia production processes for the major groups of animals. The effect of feeding system, removing and storing manure on nitrogen losses. It is proposed to add indicators for technology assessment quantitative assessment of the environmental damage caused by the production of products using this technology.
Keywords: environmental damage, greenhouse gases, loss of production of manure to be used.
УДК 636.551.5:631.3:631.8
ОЧИСТКА ВОЗДУХА ЖИВОТНОВОДЧЕСКОГО ПОМЕЩЕНИЯ В КУЛЬТИВАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЯХ
В.Н.Миронов
В.В.Гордеев
Т.Ю.Миронова
Представлены результаты исследования по очистке вентиляционных выбросов коровников в культивационных сооружениях, которые позволяют снизить выброс загрязняющих веществ в окружающую среду.
Ключевые слова: микроклимат, животноводческое помещение, очистка воздуха, экология
Состояние микроклимата закрытых животноводческих помещений определяет комплекс физических факторов (температура, влажность, движение воздуха, атмосферное давление, освещение и ионизация, производственные шумы), газовый состав воздуха (кислород, углекислый газ, аммиак, сероводород и др.) и механические примеси [1]. Среди факторов внешней среды, оказывающих постоянное и непосредственное воздействие на организм животных, воздух играет наиболее важную роль. Без него немыслимо сколько-нибудь продолжительное сохранение жизненных функций.
