Основы теории биоэнергетического анализа Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 631.37.371

М.В. Орешкин

ОСНОВЫ ТЕОРИИ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

В статье рассмотрены основы энергетического анализа в сельском хозяйстве. Показаны его положительные стороны и возможности применения для оценки технологий в земледелии.

Ключевые слова: энергетический анализ, сельское хозяйство, земледелие, полезная энергия, коэффициент энергетической эффективности.

Foundations of the energy analysis in agriculture are considered in the article. Its advantages and possibilities of application for the technology estimation in arable farming are shown.

Key words: energy analysis, agriculture, arable farming, useful energy, energy efficiency index.

Введение. Методологической основой анализа является понятие об энергии, как общей мере различных форм движения материи [1]. Общеизвестно, что её единицей служит джоуль [2].

Применяется в агроэнергетике и закон сохранения и превращения энергии - общий закон природы, согласно которому энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной. Одной из сторон методологии агроэнергоанализа является понятие об эксергии, то есть полезной части энергии [3], которую можно получить от вещества при взаимодействии его с окружающей средой. То есть с помощью агроэнергоанализа можно эффективно оценить различные варианты новых технологий, каждой из которых будет соответствовать своя структура энергетических потоков [4]. Фундаментальным критерием агроэнергоанализа является коэффициент агроэнергоэффективности г|, представляющий собой соотношение энергии, получаемой с урожаем сельскохозяйственных культур, и энергией, затраченной на ее получение [5]. Однако агроэнергоанализ может производиться и путем сравнения потребленной (реально или предположительно) энергией той или иной технологии или по основным, наиболее энергоемким и неальтернативным звеньям технологий. Полный агроэнергоанализ может производиться без учета энергии, накопленной в сохраненной почве и с учетом этой энергии. При этом принимается в расчет то положение, что увеличение накопления энергии в органической части почвы, в частности, в гумусе, прямо связано с получением максимальных урожаев сельскохозяйственных культур [6]. А, с другой стороны, в зависимости от типа почвы органическая ее часть способна накапливать различное количество энергии в силу присущих ей генетических особенностей.

Материалы и методы исследований. Условием практического применения энергетического анализа является выявление для каждого региона, исходя из типов почв, расположенных на конкретном водосборе, с учетом вектора стока, специфических технологий возделывания сельхозкультур, возможности реального применения удобрения и пестицидов, использование биологической энергии человека и другое. Одновременно необходимо уточнить энергоемкость почв и их потери по технологиям возделывания сельхозкультур. Коэффициент агроэнергетической эффективности определяют по формулам:

где 1] - коэффициент агроэнергетической эффективности;

Еу - энергия, получаемая с урожаем товарной части культуры;

ЕЕ™ - суммарная энергия общих вложений антропогенной энергии на производство данной культуры;

M.V. Oreshkin

FOUNDATIONS OF THE BIOENERGY ANALYSIS THEORY

Ey

1 =

(1)

Ey + Eh

771 =

(2)

где гц - коэффициент агроэнергоэффективности с учетом энергии, накопленной в нетоварной части продукции;

Ен - энергия нетоварной части продукции;

где г|2 - коэффициент агроэнергоэффективности с учетом энергии сохраненной почвы;

Ес - энергия сохраненной почвы.

После чего в зависимости от поставленной цели рассчитываем коэффициент агроэнергоэффективности с необходимой точностью. Отметим, что при расчетах энергопотребления по уровням можно выявить резервы или возможности экономии ресурсов, отсюда по принципу обратной связи осуществляется оптимизация конкретных операций и всей технологической цепочки [7]. Содержание энергии в урожае может определятся по соответствующим эквивалентам или проверяться экспериментально с помощью калориметрической бомбы. Экспериментальная проверка данных включает в себя учет рабочего времени непосредственно в полевых условиях, расход ГСМ, электроэнергии, а также уточнение смыва и выноса почвы и содержания энергии в почве по усредненным табличным данным или с помощью калориметрической бомбы или непосредственным определением энергии гумуса общеизвестными химическими методами. При учете той энергии, которая произведена в данном агроценозе на единицу площади, за минусом энергии, ушедшей с поля с товарной продукцией, и суммарной энергией потерь можно определить теоретически возможную энергию Е^ которая накопится в гумусе по формуле:

где £Еб - суммарная энергия возделываемых биологических объектов;

Ет - энергия урожая, содержащаяся в товарной части продукции, вывезенной с поля;

ЕЕ'п - сумма потерь энергии при гумусообразовании, то есть энергия, пошедшая на минерализацию в том числе.

Если же нам известно реальное содержание энергии в гумусе и остальные параметры, то можно определить энергию, пошедшую на минерализацию в гумусе почвы:

Результаты исследований и их обсуждение. Различные почвы имеют различную энергоемкость и в зависимости от мощности гумусового слоя запасают различное количество энергии на гектар (рис. 1). А данные табл. 1 показывают, что за 10 лет при двухразовом внесении 40 т/га навоза содержание гумуса в полуметровом слое почвы по фону отвальной обработки уменьшилось на 0,19 %, тогда как на делянках с плоскорезным рыхлением - лишь на 0,01 %. Запасы гумуса за этот период снизились на 11,1 т/га, или в 10 раз меньше, чем при плоскорезной обработке. Среднегодичные потери органического вещества составили соответственно 1,1 и 0,11 т/га.

Таким образом, внесение в зернопаропропашных севооборотах с 11% черного пара, 56% зерновых и с 33% пропашных культур навоза в количестве 9 т на 1 га севооборотной площади совместно с систематическим применением безотвальной обработки почвы практически обеспечивает стабилизацию содержания органического вещества в слабоэродированных обыкновенных черноземах. Несмотря на длительный период применения минеральных удобрений в данном опыте, не выявлено их влияния на содержание гумуса в почве. По обеим системам основной обработки почвы на фоне без внесения навоза коэффициент корреляции между этими показателями составлял 0,18-0,38. Лишь на вариантах с применением навоза наблюдалась тенденция увеличения содержания органического вещества в пахотном слое по мере увеличения доз минеральных удобрений (г=0,55-0,58). Длительное применение удобрений более заметно сказывалось на качественных показателях органической части почвы.

Еу + Ес

Еу + Ен + Ес

ИЛИ Г!2

(3)

(4)

(5)

Рис.1. Запасы гумуса (т/га) в слое 0-20 см (обобщение данных по В.Р. Волобуеву, О.П. Щербаковой, И.П. Рудай, М.М. Кононовой, В.В. Медведеву, 2004 г.)

Таблица 1

Влияние навоза на содержание гумуса в слабоэродированном обыкновенном черноземе

при различных системах обработки, %

Слой почвы, см Без навоза Навоз 9 т/га 1факт.

М±т Б М ±т

Отвальная вспашка

0-10 4,22 ± 0,04 0,12 4,16 ±0,03 0,14 1,8

10-20 4,16 ±0,06 0,11 4,09 ± 0,05 0,13 1,8

20-30 4,06 ± 0,06 0,16 3,97 ± 0,07 0,15 1,6

30-40 3,71 ±0,11 0,31 3,51 ±0,21 0,24 1,0

40-50 2,88 ±0,13 0,47 2,76 ±0,21 0,52 0,9

0-30 4,15 ±0,05 0,24 4,07 ± 0,09 0,18 1,7

0-50 3,81 ± 0,08 0,27 3,70 ±0,11 0,24 1,2

эезотвальная обработка

0-10 4,38 ± 0,09 0,11 4,55 ± 0,02 0,10 3,0

10-20 4,44 ± 0,02 0,12 4,36 ± 0,09 0,15 2,3

20-30 4,02 ± 0,07 0,12 4,07 ± 0,04 0,14 1,0

30-40 3,72 ±0,10 0,29 3,69 ±0,17 0,32 1,1

40-50 3,00 ±0,14 0,42 2,88 ± 0,24 0,38 1,0

0-30 4,21 0,11 4,33 ± 0,06 0,15 1,3

0-50 3,86 0,21 3,91 ±0,017 0,27 0,7

105 = 2,2

После окончания ротации 5-польного почвозащитного севооборота на вариантах с внесением различных доз минеральных удобрений гумусность почвы выявилась на 0,14% более низкой, чем было в начальном состоянии. При этом следует учитывать, что в данном опыте многолетние травы занимают 40% севооборотной площади. Этот факт свидетельствует о том, что на землях ограниченного использования (склон 3-7°) невозможно решить проблему возобновления гумуса только с помощью многолетних трав без дополнительного внесения источников органического углерода. Применение в этих условиях навоза из расчета 12 т на 1 га севооборотной площади привело к увеличению содержания гумуса в почве в сравнении как с минеральной системой удобрения, так и с начальным уровнем. Особенно заметно преимущество навоза проявилось в первый год после его внесения, ко-

гда возрастание содержания гумуса на этих вариантах в сравнении с контролем составило в среднем 0,25%, а по отношению к начальному уровню его количества - 0,19%.

аз безотвальная

о

^ обработка

вспашка

безотвальная

обработка

вспашка

безотвальная

обработка

вспашка

4444 4444 444 а41™

*77777777777777777^^ ....|....|....|....[МИГ

К 0 - 50

□ 0 - 50

в 30 - 40

□ 20 - 30

□ 10 - 20

□ 0 - 10

0

1

2

3

4

5

Рис. 2. Изменение содержания и запасов гумуса в черноземе обыкновенном слабоэродированном за десятилетний период (содержание гумуса (%) по оси Х)

По мере отдаления от времени внесения навоза содержание органических веществ в эродированном черноземе снижается. В почвозащитном земледелии до сего времени остается дискуссионным вопрос о наиболее рациональном способе заделки органических удобрений, как с точки зрения влияния их на урожайность сельскохозяйственных культур, так и в отношении регулирования гумусного состояния почв.

Рис. 3. Изменение содержания и запасов гумуса в черноземе обыкновенном слабоэродированном за десятилетний период (содержание гумуса (т/га) по оси Х)

Исследования в 6-польном почвозащитном севообороте на средне- и сильноэродированном черноземе показали (табл. 2), что содержание гумуса в почве не зависит от способов заделки органических удобрений. Общей тенденцией является некоторое снижение гумусности в основном у пахотного слоя (0-30 см) в конце ротации севооборота в сравнении с начальным периодом перед внесением удобрений. Основными

причинами снижения содержания гумуса в почве являются интенсивная обработка, способствующая усилению минерализации органического вещества, развитие эрозионных процессов, уменьшение площади посева многолетних бобовых трав в полевых севооборотах и некоторые другие.

Таблица 2

Влияние различных видов органических удобрений и способов их заделки в почву на содержание гумуса в черноземе обыкновенном средне- и сильноэродированном, %

Слой почв, см ПН-4-35 Лемешный лущильник КПГ-250 БДТ-3

1991 г. 1995 г. 1991 г. 1995 г. 1991 г. 1995 г. 1991 г. 1995 г.

Н авоз

0-30 3,09 3,06 3,54 3,39 2,97 2,86 2,79 2,63

0-50 2,46 2,43 2,73 2,64 2,37 2,28 2,11 2,01

Птичий помет

0-30 3,07 2,96 - - 3,18 2,99 - -

0-50 2,48 2,37 - - 2,45 2,39 - -

Солома

0-30 2,71 2,68 - - 2,73 2,58 - -

0-50 2,15 2,07 - - 2,21 2,11 - -

В почве одновременно происходят два противоположно направленных процесса, связанных с трансформацией органического вещества - минерализация и гумификация. При поступлении в почву свежего органического вещества 70-80% его массы подвергается гумификации. Интенсивность минерализации органического вещества различна как под полевыми культурами, так и при различных обработках почвы. Но на целинных землях в биологический круговорот органического вещества включена как корневая, так и надземная масса растений, на пахотных угодьях - только корни и пожнивные остатки. В связи с этим количество новообразованного гумуса на пашне бывает меньше, чем на целине, и оно часто не может восполнить расход гумуса в результате его минерализации. При недостатке в почве свежего энергетического материала, представленного в виде корневой системы и опада, микроорганизмы в качестве основного источника питания используют почвенный гумус, что снижает его содержание в почве (табл. 3). Установлено, что за две ротации севооборота с чистым паром за 14 лет содержание гумуса снизилось: при отвальной обработке на 0,22%, а при плоскорезной - на 0,15% (НСР05 +0,08%). При замене чистого пара, занятым эспарцетом, за этот же период содержание гумуса повысилось: при отвальной обработке на 0,12%, а при плоскорезной - на 0,15%.

Таблица 3

Изменение содержания гумуса в пахотном слое почвы в севообороте с чистым паром при различных

способах обработки

Вариант обработки почвы Слой почвы, Содержание гумуса, %

см Исходное, 1971 г. Конечное, 1987 г.

Длительная отвальная обработка (контроль) 0-30 3,81 3,73

Длительная плоскорезная обработка 0-30 3,81 3,78

Степной заповедник (целина) 0-30 5,64 5,68

НСР05 +0,02

Примечание. Приведены данные Донского СХИ.

На степном заповеднике (целина) содержание гумуса было стабильно высоким - 5,70%, что на 0,04% выше исходного. Как видно из табл. 3, темпы минерализации гумуса на чистом пару при отвальной обработке почвы были несколько выше, чем при плоскорезной обработке. Более высокие темпы гумификации органического вещества на варианте пара, занятого эспарцетом, при плоскорезной обработке (на 0,15%,) можно объяснить лучшим водным режимом почвы в период парования.

В почвозащитных севооборотах, несмотря на более низкий уровень плодородия средне- и сильноэро-дированных черноземов, рациональным также, как и для полевых севооборотов, является применение 130160 кг/га д.в. NPK. При этом количество навоза в этих условиях должно быть установлено не менее 12 т на 1 га севооборотной площади. Дальнейшее насыщение почвозащитных севооборотов туками в большинстве

по годам не сопровождалось существенным ростом урожая возделываемых культур в сравнении со средним уровнем удобренности. В первую очередь это связано с дефицитом влаги на склоновых землях, что снижает возможность растений поглощать питательные вещества из удобрений. Результаты учета урожая показали, что из всех изучаемых культур только озимая рожь на зеленый корм позитивно реагировала на внесение высоких доз минерального питания.

Так, если на вариантах с одинаковой нормой ИРК (№оРзоК2о) прирост зеленой массы ржи был 70 ц/га, что на 52,2 % выше контрольного варианта, то при удвоении количества удобрений выход продукции увеличился на 103 ц/га (76,9%), а на фоне ИшРеоКбо урожай вырос в 1,9 раза. Это связано с тем, что нарастание вегетативной массы озимой ржи до момента уборки происходит на относительно благоприятных условиях увлажнения, которые обеспечиваются за счет осенне-зимне-весенних запасов.

Энергетическая эффективность применения минеральных и органических удобрений в почвозащитном севообороте Луганской области дана в табл. 4. Установлено, что в почвозащитном севообороте в условиях Луганской области применение минеральных удобрений с энергетической точки зрения менее эффективно, чем в полевом севообороте. Одной из причин этого есть то, что 40% площади почвозащитного севооборота занято эспарцетом, который слабо реагирует на смену уровня минерального питания.

Таблица4

Энергетическая эффективность применения органических и минеральных удобрений

Вариант Количество энергии, полученной с урожаем, МДж/га Энергозатраты на применение удобрения, МДж/га Энергетическая эффективность применения удобрений

Почвозащитный севооборот

N40 P30 K20 7902 4008 1,97

N80 P60 K40 10325 8016 1,36

N120 P90 Кб0 11969 12024 0,99

Навоз 12 т/га 9095 5040 1,80

В среднем по севообороту энергоотдача средней дозы NPK (N40 P30 K20) составила 1,97, повышенной (N80 Peo K40) - 1,36, а применение высокой дозы полного минерального удобрения (N120 P90 Keo) отмечено как неэффективное, так как биоэнергетический КПД при этом не превышает единицу, а по отдельным культурам он находится на уровне 0,44-0,60. На вариантах с внесением 60 т/га навоза количество полученной энергии за счет роста урожая сельскохозяйственных культур в 1,8 раза превышало энергозатраты на его производство. Таким образом, результаты энергетической эффективности применения удобрений подтверждают целесообразность применения среднего (N40-80 P30-60 K20-40) уровня минерального питания растений.

Потери энергии, запасенной в гумусе почвы, показано на рис. 4 на примере совхоза "Ударник” Луту-гинского района Луганской области.

в

8000 - “

7 000 - llllllllllll

E E

4000 -

^ППП - ~

9ППП ~

“I

1 1 l l l

0 -1 J Ж J <*-* ♦ У

Jf У J?' v с/ У </ V Oj. <o- S Общепринятая □ Почвозащитная технология

Рис. 4. Потери энергии почвы в результате эрозии в семипольном севообороте, МДж/га

Экономия же при почвозащитной технологии возделывания культур в семипольном севообороте составляет 22730 МДж/га только за счет энергии сбереженной почвы. При экспресс-анализе сравниваются между собой две и более технологий. Соотношение с получаемым урожаем не производится. На примере совхоза "Ударник” Лутугинского района Луганской области получены следующие данные (рис. 5).

В растениеводстве, как и в промышленности, вложения в экономию техногенной энергии в 3-4 раза эффективнее, чем ее дополнительное производство. К числу наиболее важных мероприятий и технологий, позволяющих снизить прямое потребление энергии в растениеводстве, относятся минимальная обработка (сокращение энергозатрат на 35-80%), применение комбинированных машин (20-40%), оптимизация структуры посевных площадей (20%). Следовательно, в настоящее время поиск и разработка энергетически эффективных технологий выращивания полевых культур имеет актуальное значение[8]. Отметим, что сельское хозяйство всегда было и остается единственной отраслью хозяйства, работающей с положительным балансом энергозатрат [9].

о*

Л*

*5*

¿о

&

¿Г

С>э

Ч/

#°

ф-

с/

С>э

л

<о-

□ Сельхозтехника А ■ Сельхозтехника Б

□ Живой труд А

□ Живой труд Б В ГСМ А

Н ГСМ Б

Рис. 5. Энергозатраты в семипольном севообороте, определенные экспресс-анализом (А - общепринятая технология; Б - почвозащитная)

В качестве обобщения и выводов по данному подразделу можно рассмотреть следующие математические модели. Математические модели на основе корреляционно-регрессионного анализа по исследованиям в Луганской области показали следующее. Уравнение регрессии, которым описывается зависимость качества (белковость) зерна озимой пшеницы от детерминант, выглядит следующим образом:

У = 9,62 + 0,98хі + 0,53x2 + 0,06хз +0,08x4, (6)

где У - качество зерна озимой пшеницы (белковость), %;

хі - потери гумуса в слое почвы 0-50 см за 10 лет ведения опытов, %;

Х2 - прибавка урожая зерна озимой пшеницы по пару (ц/га);

хз - прибавка урожая зерна озимой пшеницы после однолетних трав на зеленый корм (ц/га);

х4 - прибавка урожая зерна озимой пшеницы после кукурузы на силос (ц/га).

Связь между исследуемыми факторами тесная (Р = 0,93); при увеличении прибавки урожая озимой пшеницы после однолетних трав качество зерна падает на 0,6%, а при увеличении прибавки урожая на 1 ц/га зерна озимой пшеницы по пару качество повышается на 0,53%, а при прибавке урожая на 1 ц/га после кукурузы на силос качество увеличивается на 0,08%. Смытость почв, эквивалентная в нашем случае потере гумуса, положительно влияет на качество зерна (белковость), так как повышается эффективность потребления минеральных удобрений. Можно отметить, что наиболее тесно проявляется взаимосвязь белковости зерна озимой пшеницы с возделыванием ее по пару, далее следует возделывание пшеницы по однолетним

травам за зеленый корм, замыкает ряд возделывание озимой пшеницы по кукурузе на силос в седьмом поле севооборота.

Регрессионная модель зависимости энергетической эффективности полевого севооборота от детерминант показывает следующее:

У = 6,07 + 0,12хі + 0,017х2, (7)

где У - энергетическая эффективность (величина безразмерная); хі - содержание общего азота в почве (мг/кг); х2 - содержание подвижного фосфора в почве (мг Р2Об/кг).

Связь между исследуемыми факторами весьма тесная (Р = 0,99). Наибольшее влияние оказывает содержание азота. Так, при изменении на единицу энергетическая эффективность уменьшается на 0,12. Влияние факторов на энергоэффективность, то есть зависимость между факторами, в данном случае носит обратную зависимость.

Заключение. Конкретной задачей агроэнергетики в приложении к земледелию является оценка и поиск оптимального соотношения между энергией, вложенной в производство урожая сельхозрастений и энергией, полученной с данным урожаем. Сравнительный анализ может вестись поэтапно и по разным направлениям. Скажем, что могут, как рассматривалось выше, сравниваться энергетические затраты в целом по севооборотам при использовании разных технологий, по технологиям возделывания различных культур, а могут сравниваться отдельные альтернативные операции, орудия, способы внутри технологии. Оценка же земледельческих технологий и функционирования сельскохозяйственной техники в энергетических единицах позволяет давать внестоимостную оценку деятельности главнейшей части сельскохозяйственного комплекса, производящего важнейшую его составляющую, - растениеводческую продукцию - практически вневре-менно и делает эти показатели реально сравнимыми без зависимости от субъективизма или конъюнктуры.

Литература

1. Болсун А.И. Краткий словарь физических терминов. - Харьков, 1986. - 200 с.

2. Чертов А.Г. Физические величины (терминология, определения, обозначения, размерности, единицы). - М.: Высшая школа, 1990. - 336 с.

3. Костыльков И.Г., Рябов Ю.В., Драчев Б.В. Энергетическая эффективность производства и применения удобрений // Химия в сельском хозяйстве. - 1985. - № 1. - С. 42-45.

4. Свирежев Ю.М. Кибернетика и урожай // Кибернетика живого. Биология и информация. - М.: Наука, 1984. - С. 54-64.

5. Горбачева О.Ю., Орешкін М.В. Біоенергетична оцінка грунтозахисної ресурсозберігаючої технології вирощування сільськогосподарських культур в умовах степової зони УРСР // Вісник с.-г. науки. - 1988. - № 9. - С. 28-33.

6. Булаткин Г.А. Энергетическая эффективность применения удобрений в агроценозах. - Пущино: Ин-т почвоведения и фотосинтеза, 1983. - 48 с.

7. Орешкин М.В. Агроэнергетическая оценка возделывания озимой пшеницы и ярового ячменя // Ин-формлисток № 141-87; РЦНТИ. - Ростов н/Д., 1987. - 4 с.

8. Орешкин М.В., Усатенко Ю.И., Брагин В.М. Основы биоэнергетического анализа. - Луганск: ЭЛТОН-2, 2008. - 47 с.

9. Орешкин М.В. Совершенствование технологий и средств механизации производства растениеводческой продукции в условиях бассейна реки Северский Донец на агроэкологической основе: моногр. -Луганск: Русь, 2008. - 229 с.

'--------♦------------