CC BY
7
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2018. Вып. 96_
РАЗДЕЛ IV ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МЕХАНИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ ЖИВОТНОВОДСТВА
УДК 631 95 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10069
СИСТЕМА ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАШИННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
ЖИВОТНОВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ
А.Ю. Брюханов, д-р техн. наук; Э.В. Васильев, канд. техн. наук;
Н.П. Козлова, канд. техн. наук; Н.С. Обломкова
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Основным интегральным показателем устойчивости агроэкосистемы является эффективность использования питательных веществ на разных уровнях организации пространства. При этом, общая эффективность использования питательных веществ зависит от эффективности обращения с навозом в системе, которая в свою очередь определяется долей потерь на каждой стадии производства. В результате анализа разработано математическое описание взаимосвязи эффективности использования питательных веществ с машинными технологиями и организацией технологического процесса, применяемыми в хозяйстве. С учетом установленных ограничений, обеспечивающих экологическую устойчивость сельских территорий, определены диапазоны изменения потерь питательных веществ на этапах навозоудаления, приготовления и применения на сельскохозяйственных полях органических удобрений при заданном уровне общей эффективности предприятия.
Ключевые слова: экологическая устойчивость, агроэкосистема, машинная технология, азот, фосфор, эффективность, потери питательных веществ
Для цитирования: Брюханов А.Ю., Васильев Э.В. , Козлова Н.П., Обломкова Н.С. Система показателей машинных технологий для достижения экологической устойчивости сельских территорий при производстве животноводческой продукции// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 3 (96). С. 156-163.
SYSTEM OF INDICATORS OF MACHINE-BASED TECHNOLOGIES CONTRIBUTING TO ENVIRONMENTAL SUSTAINABILITY OF RURAL AREAS IN LIVESTOCK PRODUCTION
A.Yu. Briukhanov, DSc (Engineering); N.P. Kozlova, Cand. Sc. (Engineering);
E.V. Vasilev, Cand. Sc. (Engineering); N.S. Oblomkova
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
The main integral indicator of agro-ecosystem sustainability is the nutrient use efficiency at different levels. In this case, the overall nutrient use efficiency depends on the efficiency of manure management in the system, which, in turn, is determined by the percentage of nutrient loss at each production stage. Based on analysis results, a mathematical description was developed for the relationship between the nutrient use
156
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводства_
efficiency and machine-based technologies and organisation of the technological process on the farm. The range of nutrient loss during the manure removal, organic fertiliser production and its field application was defined for the given overall farm performance with due account for the set constraints, which ensure environmental sustainability of the rural areas.
Key words: environmental sustainability, agroecosystem, machine-based technology, nitrogen, phosphorous, efficiency, nutrient loss
For citation: Briukhanov A.Yu., Vasilev E.V., Kozlova N.P., Oblomkova N.S. System of indicators of machine-based technologies contributing to environmental sustainability of rural areas in livestock production. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. 3(96): 156-163. (In Russian)
Введение
Сельское необходимая направленная
хозяйство - жизненно отрасль экономики,
на обеспечение населения продовольствием. Интенсификация
сельскохозяйственного производства на глобальном уровне позволила повысить продовольственную безопасность населения. При этом увеличение объема выпуска сельскохозяйственной продукции
происходит, в том числе, за счет увеличения количества применяемых органических и минеральных удобрений. Повышенные дозы внесения удобрений ведут к увеличению риска поступления таких питательных веществ как азот и фосфор в окружающую природную среду. Чрезмерное поступление этих веществ приводит к загрязнению атмосферного воздуха (выбросы аммиака), эвтрофированию водных объектов [1].
Кроме того, потери азота и фосфора снижают эффективность использования этих веществ в сельском хозяйстве, что приводит к снижению рентабельности производимой продукции.
В интересах повышения прибыльности сельскохозяйственного производства и снижения негативного воздействия сельскохозяйственных объектов на
обоснованных методов повышения эффективности использования азота и
фосфора в сельском хозяйстве и снижения нежелательных потерь.
При этом следует учитывать, что природно-климатические условия
рассматриваемой сельской территории -агросистемы, а также предшествующий уровень хозяйственного использования территории могут сдерживать либо наоборот стимулировать потери питательных веществ в окружающую среду. Тем самым наносится ущерб природным экосистемам и одновременно снижается полезное использование питательных веществ в сельскохозяйственном производстве, что в итоге приводит к нарушению устойчивости агроэкосистемы и снижению ее ресурсного потенциала.
Для предупреждения безвозвратного изменения природных экосистем и рационального использования ресурсов в агропромышленном секторе эти факторы в совокупности с показателями производства должны приниматься во внимание в ходе
сельскохозяйственных предприятий, при согласовании его масштабов, а также при выборе оптимального перечня используемых машинных технологий.
С учетом этого, существует необходимость обоснования показателей экологической устойчивости сельских территорий при интенсивном производстве
животноводческой продукции.
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ПАЭП. 2018. Вып. 96_'
Материалы и методы
Устойчивость агроэкосистемы
сбалансированностью потоков питательных веществ внутри этой системы. Приток веществ из внешней среды для выбранной
скомпенсирован изъятием веществ после их использования в системе.
С учетом этого основным интегральным показателем устойчивости агроэкосистемы является эффективность использования питательных веществ на разных уровня организации пространства: на уровне поля, фермы, района, государства.
Внутри хозяйства эффективность использования питательных веществ определяется эффективностью каждой стадии технологического процесса производства сельскохозяйственной
продукции. Этот показатель характеризует как совершенство технологического процесса с точки зрения эффективности использования поступающих и имеющихся ресурсов, так и естественные потери питательных веществ, происходящие независимо от деятельности человека [2, 3].
Эффективность использования
питательных веществ на отдельной стадии можно выразить как отношение массы вещества в исходящем (выходном) потоке к массе в поступающем (входном) потоке.
На рис. 1 показана схема движения питательных веществ внутри «условного» предприятия «смешанного» типа
эффективность использования питательных веществ которого составляет 100%. Как можно увидеть, в случае если использование веществ в составе навоза происходит полностью, количество питательных веществ, покинувших систему в составе продукции (молоко, мясо) будет вовлечено в систему с минеральными удобрениями, покупными кормами и дополнительными
материалы и т.д.). Как только нарушается баланс веществ при обращении с навозом, баланс внешних потоков нарушается в сторону увеличения приходной части (минеральные удобрения и корма).
Общая эффективность использования питательных веществ зависит от эффективности обращения с навозом в системе, которая в свою очередь определяется долей потерь на каждой стадии производства (формула (1), рис. 1).
....а-**_!)), (1)
где, х1,х2,... .хк_г - доли потери питательных веществ навоза на различных стадиях производства.
Рис. 1. Упрощенная схема движения питательных веществ на «условном» предприятии «смешанного» типа
Результаты и обсуждение
Согласно выражению 1 и рис. 1, совершенствование системы обращения с навозом может рассматриваться как с точки зрения сокращения негативного воздействия на окружающую среду, так и с точки зрения оптимизации производства для получения заданного количества продукции с наименьшими затратами на закупку кормов и минеральных удобрений.
Общая эффективность предприятия (£) может быть выражена следующим образом [4]:
М„
ММИнер.+МГот.корм + Мдоп материал
где, Ммол - количество вещества, покинувшего систему предприятия в виде продукции, в данном случае молока; Мминер - количество вещества, поступившего на предприятие в виде минеральных удобрений; Мгот корм — количество вещества,
поступившего на предприятие в виде закупаемых кормов; Мдоп материал ~ количество вещества, поступившего на предприятие в виде дополнительных материалов.
Эффективность на каждой стадии может быть представлена следующим образом: На стадии приготовления кормов:
(2) Потери на стадии приготовления
м,
корма
^гот.корма + Мурож
(3)
где, Мурож - изъятие веществ с урожаем.
На стадии выращивания животных (помещение):
Ммол+Мн
м,
корма
(4)
где, Мнавоза- образование веществ в составе навоза.
удобрений:
Я, -
^орг удоб
м,
а+м.
(5)
навозат'^доп материал
где,
м.
урожаи
Морг + ММИНер.
(6)
м,
корма
м + м
11 гот.корма ~ 1 'урож
Потери на стадии выращивания животных (помещение):
(8)
М + М
1 'мол ~ 1 'навоза
м,
корма
навозом/приготовления органических удобрений:
(9)
Х-у — 1
М,
оргудоб
м +м
1 'навоза ~ ^'доп материал
На стадии растениеводства/заготовки сырья для приготовления своих кормов:
(10)
Хл-1
М,
урожаи
м + м
1 'орг ~ 1 'минер.
Моргудоб - использование веществ в составе органических удобрений.
На стадии растениеводства/заготовки сырья для приготовления своих кормов:
Потери (х) питательных веществ, определяющие долю ресурсов, не использованных в процессе производства, связаны с эффективностью следующим образом (при допущении, что эффективность не может быть выше 100%):
выражены следующим образом через потери на каждой стадии:
Исследования, проведенные ИАЭП, показали, что наиболее значительные потери питательных веществ происходят при обращении с навозом и их использовании для производства растениеводческой продукции.
С учетом этого, при анализе устойчивости агроэкосистемы в первую очередь необходимо рассматривать эффективность использования питательных веществ при приготовлении органических удобрений и дальнейшем их использовании совместно с дополнительным привнесением веществ в составе минеральных удобрений для получения запланированных урожаев сельскохозяйственных культур.
Формулу (2) можно представить следующим образом:
м„
Мминер. + МГОт.корм + Мд0п материал Ммпл
Ммол+М ]
""I"^4^минер. + Морг удоб^4-)
(11)
Принято считать, что потери на стадии обращения с навозом при приготовлении органических удобрений связаны в основном с эмиссией веществ в атмосферу (для азота). С другой стороны, высокие потери на этой
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ПАЭП. 2018. Вып. 96_'
стадии могут указывать на утечки питательных веществ в виде несанкционированного сброса и (или) рассредоточенного смыва в водные объекты с поверхностным стоком. Газообразные потери (шатМобр) зависят, прежде всего, от технологий навозоудаления, хранения навоза, приготовления органических удобрений. Утечки питательных веществ
нарушениями технологического процесса, что в свою очередь говорит о проблемах организационного характера.
Упрощенно потери на этой стадии можно представить как функцию поступления питательных веществ в составе навоза из животноводческих
помещений Мнавоз, веществ в составе
дополнительных
материалов
М
доб
(подстилка и т.д.), технологий которые применяются для переработки навоза и получения органических удобрений (иобр), а также эффективности системы управления этими процессами (Уобр) [5]:
-*т>бр — Т (татм0бр' твод0бр) /Х^навозэ
м,
доп.матер-
Uo6p, Уобр)
(12)
X,
раст
— / (татмвнес; тводвнес
^мин, Uвнес,
Р УД (13)
где, Морг - поступление веществ в составе органических удобрений; Мми11
поступление веществ с минеральными удобрениями; V-внес - технологии внесения
эффективности системы управления технологией внесения.
Таким образом, взаимосвязь
эффективности использования питательных веществ с технологиями и организацией технологического процесса, применяемыми в хозяйстве можно представить следующим образом (рис. 2).
Потери в поле связаны как с переходом ряда веществ в газообразную форму (азот) (татМвнес) так и миграцией в водные объекты (диффузное поступление азота и фосфора в водные объекты - ^Водвнес )• Интенсивность этих потерь связана с технологиями внесения (сроки, дозы и способ внесения), а также с погодными условиями, состоянием почв. На рассредоточенные потери большое влияние также оказывает расположение полей относительно водных объектов и агрофон [6,7,8].
климатическими факторами, то потери на уровне поля можно представить следующим образом:
Рис. 2. Взаимосвязь эффективности использования питательных веществ с технологиями и организацией технологического процесса
С учетом того, что потерями на стадии приготовления кормов и производства основной продукции в рамках данного можно пренебречь, система показателей для оценки влияния животноводческих предприятий можно представить следующим образом:
морг
MÜDr+MMH
=/ (игатМо6р; "ЬсВДобр) = ДМНШЮЗ> ■Мдоп.матер. Кобр, Уобр) = 1
х4 - f (т„„шсс; тВод,„с) = Г(Моргу№1бр,Мш,И,ивнес,Увнес) = 1 -
(14)
Следует отметить, что эффективность использования питательных веществ на каждой стадии влияет на величину потерь на последующих стадиях.
На основе применения метода баланса масс при анализе потоков питательных веществ в различных хозяйствах [9]
использования питательных веществ для предприятий «смешанного» типа должна составлять не менее 0,5-0,6. Таким образом суммарные потери веществ должны изменяться в пределах 0-0,4/0,5. Если пренебречь потерями на стадии заготовки кормов и основного производства (в
определяется следующим образом:
м.
урож
м„
доп.
(5)
Тогда, с учетом выражений (4),(5) можно получить следующие выражения:
£з£4.(М0рГ.уд0б+Ммин.)
М,
Морг.удоб
■6+ММ1
орг.удо!
(16) (17)
Мдрг.удоб
В [9] определена рациональная эффективность использования питательных
сельскохозяйственных культур - от 0,5 до 0,9 [10]. С учетом этого при ограничении, что общая эффективность должна быть выше 0,5, получим следующее выражение для определения потерь навозоудаления и
органических удобрений:
м Морг.удоб
на стадии приготовления
м,
1 - 0,56
орг.удоб "I" Ммин.
Морг .удоб
< Хо <
мп
(18)
' орг.удоб + Ммин.
зависимостей, система уравнений приобретает следующий вид:
0,56
Мор г.удоб
М,
орг.удо'
б+Мм
<
Морг.удоб
<
Мор г.удоб
М,
орг.удо1
б+Мм
(19)
0,5 <
м,
урож
мп
< 0,9
(20)
гектар, а также экологически безопасный уровень потерь азота и фосфора в водные объекты на этапе производства растениеводческой продукции (при дерново-подзолистых почвах со средним суглинком (ДП/суг) Мтах - 8,5-11,7 кг/га; Ртах - 0,07-1,04 кг/га; при карбонатных почвах со средним суглинком (К/суг) - Ытах - 18,5-19,3 кг/га; Ртах — 1,96-2,03 кг/га), система уравнений может быть модифицирована следующим образом:
0,56
м,
орг.удоб
м,
орг.удоб
+ Мм
<
м,
орг.удоб
м„
+ м,
доп
м,
<
орг.удоб
М я + м
1 'орг.удоб ~ "мин.
0,5 <
гатмв„ес + ШВОДв„ес)
М0рг + Мм
< 0,9
где,
СЫтах= 8,5-11,7^; Ртах = 0,07 - 1,04^,в случае ДП/суг^ ) Ытах = 18,5 - 19,3 Ртах = 1,96 - 2,03 в случае К/суг |
(21)
и
Морг <
' орг.удо б + Ммин.
Принимая во внимание основное ограничение, определяющее уровень нагрузки на окружающую среду от животноводческого предприятия - плотность животных не должна превышать 1,5 у.г. на
Выводы
1 Разработана и формализована система показателей машинных технологий производства животноводческой продукции, основанная на оценке удельной плотности животных (у.г. на гектар), диффузной нагрузки на водные объекты и эффективности использования питательных веществ.
2. Разработанная система, позволяет вести общую экологическую оценку предприятия и его воздействия на показатели экологической устойчивости сельской территории, а так же оценивать эффективность отдельных технологических операций в зависимости от вариантов их технической реализации. Оценку
экологической эффективности отдельных машин и оборудования целесообразно вести по показателю эффективности
использования питательных веществ,
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал _ИАЭП. 2018. Вып. 96_'
который учитывает технологические потери в окружающую среду.
3. Разработанная система показателей машинных технологий производства животноводческой продукции может быть использована для оптимизации производства сельскохозяйственной продукции как с
точки зрения снижения потребности в дополнительном использовании ресурсов (питательных веществ на всех этапах производства) так и с точки зрения сокращения негативного воздействия на окружающую среду.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Briukhanov A., Kondratyev S., Tarbaeva V., Vorobyeva E., Oblomkova N. Contribution of agricultural sources to nutrient load generated on the Russian part of the Baltic Sea catchment
Development 2017. Bioeconomy Challenges". 2017: 226-231
2.Briukhanov A, Vasilev E., Shalavina E., Kucheruk O. Engineering solutions of environmental problems in organic waste handling. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017, 87: 042001. DOI:10.1088/1755-1315/87/4/042001.
3 Афанасьев A.B., Козлова Н.П. Азотный баланс сельскохозяйственного предприятия как инструмент для его экологической оценки // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства.2011. Т. 22. № 3. С. 197202
4.Kozlova N., Briukhanov A., Vasilev E., Shalavina E. Environmental assessment of livestock farms in Russia. Proc. 8th Int. Sci.
Challenges" 2017: 330-336. DOI: http://doi.org/10.15544/RD.2017.189
5.Briukhanov A. Yu., Trifanov A. V., Spesivtsev A. V., Subbotin I. A. Logical-linguistic modeling in addressing agro-environmental challenges. Proc. of XIX IEEE Int. Conf SCM. 2016: 164-166.
Обломкова H.C., Оглуздин A.C., Субботин И. А. Методика определения биогенной нагрузки сельскохозяйственного
производства на водные объекты // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 89. С. 175-183.
А., Тарбаева В.М., Шмакова М.В., Брюханов А. Ю., Воробьева Е.А., Обломкова Н. С. Научное обоснование выполнения рекомендаций ХЕЛКОМ по снижению биогенной нагрузки на Финский залив со стороны России//Вестник СПбГУ. 2016. Сер. 7. Геология. География. С. 53-65.
8 Кондратьев С.А., Шмакова М.В., Брюханов
Глобальный экологический кризис: мифы и реальность // Общество. Среда. Развитие. 2016. № 1 (38). С. 92-99.
9 Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В., Васильев Э.В. Показатели экологической устойчивости сельских территорий при интенсивном производстве животноводческой продукции. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 95. С. 159-167. DOI 10.24411/0131-5226-2018-10043
10 Cecile A.M. de Klein, Ross M. Monaghan, Marta Alfaro , Cameron Gourley , Oene Oenema , J. Mark Powell. Realistic nitrogen use efficiency goals in dairy production systems: a review and case study examples //Proceedings of the 2016 International Nitrogen Initiative Conference, "Solutions to improve nitrogen use
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства_
efficiency for the world", 4-8 December 2016, Melbourne, Australia.
REFERENCES
1.Briukhanov A., Kondratyev S., Tarbaeva V., Vorobyeva E., Oblomkova N. Contribution of agricultural sources to nutrient load generated on the Russian part of the Baltic Sea catchment
area. Proc. 8th Int. Sei. Conf. "Rural
2017:226-231
2.Briukhanov A, Vasilev E., Shalavina E., Kucheruk O. Engineering solutions of environmental problems in organic waste handling. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017, 87: 042001. DOI:10.1088/1755-1315/87/4/042001.
3.Afanasev A.V., Kozlova N.P. Azotnyj balans sel'skohozyajstvennogo predpriyatiya kak instrument dlya ego ehkologicheskoj ocenki [Nitrogen balance of an agricultural enterprise as a tool for its environmental assessment]. Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva.-2011; Vol. 22; N 3: 197-202. (In Russian)
4.Kozlova N., Briukhanov A., Vasilev E., Shalavina E. Environmental assessment of livestock farms in Russia. Proc. 8th Int. Sci. Conf. "Rural Development 2017. Bioeconomy Challenges". 2017: 330-336. DOI: http://doi.org/10.15544/RD.2017.189
5.Briukhanov A. Yu., Trifanov A. V., Spesivtsev A. V., Subbotin I. A. Logical-linguistic modeling in addressing agro-environmental challenges. Proc. of XIX IEEE Int. Conf. SCM. 2016: 164-166.
6.Bryukhanov A.Yu., Kondrat'ev S.A., Oblomkova N.S., Ogluzdin A.S., Subbotin I.A. Metodika opredeleniya biogennoj nagruzki sel'skohozyajstvennogo proizvodstva na vodnye ob"ekty [ Calculation method of agricultural nutrient load on water bodies]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i
zhivotnovodstva. 2016; N 89: 175-183. (In Russian)
7.Pozdnyakov Sh.R., Kondratyev S. A., Tarbaeva V.M., Shmakova M.V., Bryukhanov A. Yu., Vorob'eva E.A., Oblomkova N. S. Nauchnoe obosnovanie vypolneniya rekomendatsii KhELKOM po snizheniyu biogennoi nagruzki na Finskii zaliv so storony Rossii [Scientific substantiation of implementation of HELCOM recommendations on reduction of biogenic load on the Gulf of Finland by Russia]. Vestnik SPbGU. 2016. Ser.
7. Geologiya. Geografiya: 53-65. (In Russian)
8.Kondratyev S.A., Shmakova M.V., Bryukhanov A.Yu., Chichkova E.F., Markova E.G. Global'nyi ekologicheskii krizis: mify i real'nost' [Global ecological crisis: myths and reality]. Obshchestvo. Sreda. Razvitie. 2016; N 1 (38): 92-99. (In Russian)
9.Vasilev E.V., Shalavina E.V., Bryukhanov A.Yu. Pokazateli ekologicheskoi ustoichivosti sel'skikh territorii pri intensivnom proizvodstve zhivotnovodcheskoi produktsii [Indicators of ecological sustainability of rural areas with intensive livestock production]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018, N 95: 159-167. DOI: 10.24411/0131 -5226-2018-10043(InRussian)
10.Cecile A.M. de Klein, Ross M. Monaghan, Marta Alfaro, Cameron Gourley , Oene Oenema , J. Mark Powell. Realistic nitrogen use efficiency goals in dairy production systems: a review and case study examples. Proc. Int. Nitrogen Initiative Conf (INI 2016). "Solutions to improve nitrogen use efficiency for the world". 2016. Available at: http://www.ini2016.com/pdf-papers/INI2016 deKlein Cecile.pdf (accessed 09.10.2018)
