CC BY
158
УДК 631.95
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА МОЛОКА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
П.И. Гриднев, доктор технических наук, зам. директора Т. Т. Гриднева, кандидат технических наук Ю.Ю. Спотару, ведущий инженер
ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: vniimzh@mail.ru
Изложены подходы к оценке загрязнения окружающей среды на примере производства молока по четырем технологиям содержания животных на молочных фермах 100 и 200 коров с разной продуктивностью и системой содержания, с использованием в кормах силоса и без него. Учтены вредные выбросы при утилизации навоза, производстве и хранении кормов и минеральных удобрений, использовании невозобновляемых источников энергии.
Ключевые слова: загрязнение окружающей среды, выбросы парниковых газов, содержание животных, потери азота, промывные почвы.
На данный момент установлено, что треть антропогенного загрязнения атмосферы земли вызвано производством сельскохозяйственной продукции. Животноводство относится к основным ее загрязнителям. По прогнозу ФАО, в дальнейшем положение может ухудшиться, поскольку спрос на мясо в мире растет. Уже сейчас производство животноводческой продукции дает 9% мировых выбросов самого распространенного парникового газа - углекислого, 65% закиси азота (парниковый эффект в 296 раз больше, чем от С02), большинство которого выбрасывается навозом животных, 37% всего антропогенного метана (парниковый эффект в 23 раза больше С02) и 64% аммиака.
Среди предложений по защите окружающей среды при производстве мяса и молока важная роль отводится совершенствованию технологий содержания животных - эта одна из немногих конструктивных возможностей
уменьшить загрязнение без радикальных мер, связанных с отказом от производства этих продуктов. В связи с этим в большинстве развитых стран карательные функции за загрязнение окружающей среды, как исчерпавшие себя, заменяют пропагандой и внедрением технологий с лучшими экологическими показателями.
До сих пор целесообразность применения каждой технологии, а также стратегия развития отрасли, определялись ее эффективностью в денежном выражении. Однако в последнее время за рубежом оценка технологий и выбор стратегии развития животноводства дополняются оценкой потерь и вредных для экосистемы выбросов (прежде всего парниковых газов) [1].
Преимущества используемой расчетной схемы в том, что она позволяет сопоставлять себестоимость производимой продукции с размером потерь и ущерба окружающей среде. К методике предъявляются требования необходимости учета основных вредных выбросов при содержании животных, утилизации навоза, производстве, хранении и использовании кормов. Основное внимание уделяется, прежде всего, потерям азота при утилизации навоза, разложении гумуса органических удобрений, вредным выбросам от производства и использования туков, используемых при выращивании кормов, а также выбросам от топлива невозобновляе-мых источников энергии. Рассматривается замкнутая цепочка круговорота азота, в которую включено само животное с присущими ему физиологическими свойствами. В расчетах используются только натуральные
показатели, которые всегда точнее и объективнее их денежного эквивалента. Это позволяет также использовать результаты расчетов других авторов.
Методики оценки всех показателей, приведенных в статье, известны. Однако в рассмотренном контексте они не были объединены и не использовались. В качестве примера представлен расчет на условную голову четырех технологий содержания молочного
стада на 100 и 200 коров с долей шлейфа в структуре стада 40%.
В расчете определены выбросы аммиака, метана, углекислого газа и окислов азота. Для их оценки учтены качество и количество получаемого органического удобрения и используемых минеральных удобрений, состав почв, продуктивность и размер стада, технологии его содержания и наличие или отсутствие в рационе коров сочных кормов (табл. 1).
Таблица 1. Результаты моделирования для четырех типовых предприятий по производству молока
Номер модели 1 2 3 4
Система содержания привязная привязная беспривязная беспривязная
Использование силоса нет да нет да
Продуктивность по ферме, кг молока/корову в год 5000 5000 6000 6000
Поголовье молочных коров, гол. 100 100 200 200
Общее поголовье, ус. гол. 142 142 284 284
Общая удобренная площадь,* га 379 353 843 758
Площадь под кукурузу и свеклу на силос, га - 34 - 81
Произведено кормов, кг с.в./корову в год 4724,4 4724,4 5728,8 5728,8
Внесено минеральных удобрений, кг азота/га 63 62,6 68,8 64,9
Выход органического азота в экскрементах, т в год 12,9 12,3 32,5 30,6
Выход органического азота в экскрементах, кг/ус.гол 90,8 86,3 114,5 107,8
Потери азота при утилизации навоза,** % 25 25 40 40
Вредные выбросы при кормопроизводстве, утилизации навоза и содержании животных
К^Оз - суммарные потери вымытого азота, т 5,88 5,44 13,22 11,49
- суммарные потери азота в виде аммиака, т 10,03 9,61 28,81 26,35
NН3 - удельные потери азота в виде аммиака, кг/кг молока 0,020 0,019 0,024 0,022
N2 О - суммарные потери закиси азота и азота, т 2,24 (1,43) 2,10 (1,34) 5,07 (3,23) 4,49 (2,86)
Доля потерь азота органических (ОУ) и минеральных (МУ) удобрений, % 31,0 31,6 34,8 35,5
Удельные потери азота ОУ и МУ, кг/га 45,7 46,4 53,7 53,7
СО2 эквивалент потерь в виде N 2О, т 663,0 645,3 1500,7 1329,0
СН 4 выбросы от ферментации, кг/ус. гол в год 101,4 93,6 123,1 113,6
Доля потерь энергии при ферментации, % 6,5 6 6,5 6
СН 4 коэф-т фермен. выбросов от всего поголовья т/год 14,40 13,29 34,96 32,04
СН 4-потери при утилизации навоза, кг/гол в год 4,05 4,16 4,65 4,84
СН 4-общие потери при утилизации навоза, т 0,575 0,591 1,321 1,375
СН 4 - потери при хранении кормов, т - 1,239 - 2,143
СН 4 - общие эмиссионные потери, т 14,98 15,120 36,28 35,56
СН 4 - эмиссия метана, г/кг молока 30,0 30,2 30,2 29,6
СО2 эквивалент потерь в виде СН 4, т 344,5 347,8 834,4 817,9
Расход топлива на производство молока, кг/кг 0,032 0,032 0,028 0,028
СО 2 - эмиссия от ископаемой энергии, т 98,81 86,83 218,40 183,92
СО 2 -эмиссия от хранения кормов, т 2,17 6,30 4,24 9,24
СО 2 -эмиссия от производства мин. удобрен. т 50,91 47,12 123,60 104,84
СО 2 - эмиссия от дыхания животных, т 340,62 340,62 710,65 710,65
СО2 -суммарная эмиссия, т 490,34 480.87 1056,89 1008,65
СО2 -эквивалент эмиссии общей, т 1497,84 1473,97 3391,99 3155,55
СО2 -эквивалент эмиссии, кг/ кг молока 3,00 2,95 2,83 2,63
* Представлен размер площади, необходимой для эффективной утилизации компоста
(в виде органо-минеральных смесей), полученного из подстилочного навоза на основе соломы [2].
**Размер потерь азота из компоста принят по результатам исследований [3].
Эмиссия углекислого газа от дыхания животных (а также для прочих технологических процессов) определена на условное поголовье по нормам выделения СО 2 для коров с учетом их продуктивности [4].
Коэффициенты выброса метана от кишечной ферментации и систем сбора, хранения и использования навоза на корову в год рассчитывались в зависимости от продуктивности и расхода кормов по уравнениям [5]:
- коэффициент удельной эмиссии метана от внутренней ферментации коров EF, кг/гол в год
EF = (GE-Ym)/55,6 , (1)
где GE - валовая энергия кормов, МДж-гол в год; Ym - коэффициент преобразования метана от валовой энергии (0,06 для КРС при кормлении силосом и 0,065 при его отсутствии) [1].
- потери сухого вещества в виде летучих соединений от систем сбора и хранения навоза, кг/гол в год;
VS = [GE(1-DE/ 100)+UE-GE](1-ASH)/18,4; (2) где DE - коэффициент перевариваемости корма, %; UE - потери энергии с мочой от валовой энергии (0,04 для КРС); ASH - содержание золы в сухом веществе навоза коров (0,16) [6].
Средневзвешенные значения коэффициентов перевариваемости кормов были определены в зависимости от соотношения разных видов кормов (табл. 3).
- коэффициент эмиссии метана от систем сбора и хранения навоза EFMMS, кг/гол в год EFMMS = 0,67VS•Bo•E(MCF/100•MS), (3) где Во = 0,24 - максимальный потенциал выброса метана от навоза КРС; МСБ - коэффициент пересчета метана, зависящий от влажности навоза: для жидких систем хранения, при хранении в твердом виде и при использовании пастбищ принимает соответственно значения 20; 2 и 1%; MS - доля фракции навоза, содержащаяся в определенной системе сбора и хранения. Для всех рассматриваемых ферм MS=1.
Так как на всех четырех фермах животные содержатся на сменяемой подстилке с последующим приготовлением компоста на основе соломы, то можно считать, что используется система хранения твердого навоза, и коэффициент MCF может быть принят равным 2%. После некоторых простых преобразований расчетная формула примет вид: EFMMS = 0,3216-Ш-2 •УБ. (4)
В табл. 2 представлены промежуточные результаты расчета состава и расхода кормов.
Таблица 2. Состав и годовой расход кормов в зависимости от продуктивности коров
Параметры Грубые корма Сочные корма Другие корма Комби- Все
сено сенаж силос корнеплоды зеленка травяная резка корма корма
Расход кормов,
кг/ус. гол. по ферме:
1 2070 1380 - - 6210 230 2244 12134
2 1150 1380 2070 2760 6210 230 1859 15659
3 1749 1477 - - 6789 492 3223 13730
4 984 1477 1723 3938 6789 492 2673 18076
Содержание сухого вещества в кормах 0,45 0,35 0,2 0,12 0,2 0,60 0,86 -
Расход сухого вещества
кг/ус. гол. в год по ферме:
1 931,5 483,0 - - 1242 138 1929,9 4724,4
2 517,5 483,0 414,0 331,2 1242 138 1598,7 4724,4
3 787,4 517,0 - - 1357,8 295,2 2771,4 5728,8
4 442,8 517,0 344,6 472,6 1357,8 295,2 2298,8 5728,8
Коэффициент перевариваемости кормов (БЕ),% 61,68 66,30 66,12 84,37
Доля кормов в рационе
по видам,% по ферме:
1 29,9 - 29,2 40,9 100
2 21,2 15,8 29,2 33,8 100
3 22,7 - 28,9 48,4 100
4 16,7 14,3 28,9 40,1 100
Коэффициенты выброса метана на корову в год в зависимости от продуктивности и состава кормов представлены в таблице 1.
Расчет эмиссии метана от систем сбора и хранения навоза представлен в таблице 3.
Оценка выбросов закиси азота при сборе, хранении и использовании экскрементов животных выполнена по методике [5, раздел 6.5] и представлена в таблице 4. Потери азота навоза, переходящего в закись при его утилизации, приняты в размере 0,02 кг на кг выделенного животными азота. Пересчет потерь азота с коэффициентом 44/28 позволил определить потери закиси азота.
Для оценки потерь азота из навоза был составлен баланс азота. Экскретируемый азот (№х, кг) определялся как разность между азотом, полученным с кормами (МШаке, кг), выделенным с молоком (ЫтПк, кг) и израсходованным на обменные процессы (№ееПюп, кг). Структура распределения азота рассчитана по следующим уравнениям:
Азот, полученный с кормами, определен
Расход кормов для систем привязного и беспривязного содержания был принят по материалам [4] с учетом корректировок на технологию беспривязного содержания в соответствии с рекомендациями [7].
по уравнению (5) [5]:
МШаке = (вЕ/18,4>(СР/Ш0)/6,25 (5) где СР - средние значения содержания сырого протеина для разных видов кормов КРС,% [5,8].
Для расчета экскретируемого азота (№х,кг) использовано уравнение: №х = МШаке - (№е1епЦоп + КшПк), (6) Усредненная доля азота, выделенного с молоком для коров с продуктивностью 5-6 тыс. л в год составила 30% от поступившего с кормами, доля азота, израсходованная на обменные процессы - 5% [9].
Средневзвешенное содержание сырого протеина в кормах и количество экскретиру-емого азота (№х, кг) по четырем рассматриваемым технологиям содержания коров приведены в таблице 4.
Таблица 4. Средневзвешенное содержание сырого протеина (СР) в сухом веществе кормов, _поступления (Nintake) и выхода (Nex) азота для четырех ферм_
Вид кормов Ферма №1 Ферма №2 Ферма №3 Ферма №4
СР,% Сотношения кормов, % СР,% Сотношения кормов, % СР, % Сотношения кормов, % СР, % Сотношения кормов, %
Пастбищные 16,12 29,2 16,12 29,2 16,12 28,9 16,12 28,9
Сочные 12,32 - 12,32 15,8 12,32 - 12,32 14,3
Грубые 13,83 29,9 13,83 21,2 13,83 22,7 13,83 16,1
Комбикорма 23,57 40,9 23,57 33,8 23,57 48,4 23,57 40,1
Средневзвешенная величина СР, % 18,48 17,55 19,21 18,10
Поступление азота (№йаке), кг 139,7 132,7 176,1 165,9
Выход N (№х,кг/гол) 90,80 86,29 114,46 107,83
Выход М,т от всего поголовья 12,89 12,25 32,51 30,62
Таблица 3. Эмиссия метана от систем сбора и хранения навоза
Показатели Порядковые номера ферм
1 2 3 4
Средневзвешанный коэффициент переваримости кормов DE, % 72,25 71,37 73,94 72,72
Валовая энергия корма вЕ, МДж*) 86929 86929 105410 105410
Доля сухого вещества, переходящая в летучие соединения, кг/год (VS) 1260 1295 1446 1505
СН 4 - выбросы, кг/гол. год (EFMMS) 4,05 4,16 4,65 4,84
СН4 - потери на все поголовье, т 0,575 0,591 1,321 1,375
*) валовая энергия в 1 кг сухого вещества корма принята 18,4 МДж.
Общую косвенную эмиссию N2О от систем сбора и хранения навоза предлагается оценивать по уравнению (7): К201пё=(Клтмх0,01+КьЕЛсых0,025)х44/2,
(7)
где N 20тё - косвенная эмиссия закиси азота атмосферных выпадений (Ы лтм) и вымытого азота (ЫьЕЛСЫ) от систем сбора и хранения навоза, кг.
Поскольку в наших технологиях пастбища отсутствуют, а компост готовится на площадках с покрытием, не позволяющим проникать влаге и азоту в почву, N ьЕЛСЫ = 0, а величиной ЫЛтМ можно пренебречь ввиду небольшой площади под хранением навоза и ^Отё =0.
Прямые выбросы закиси азота (Ы2О) от сельскохозяйственных земель.
В России аграрный сектор является ведущим источником антропогенных выбросов закиси азота в атмосферу. Вклад сельскохозяйственных земель в общий национальный выброс закиси азота, включая обрабатываемые торфяные почвы, составляет около 85%. Основная причина выбросов - использование органических и минеральных удобрений, а также естественная минерализация почв. Расчет всех видов выбросов закиси азота выполнялся по методикам, представленным в «Национальном докладе о кадастре...» [5]. Расчет прямого выброса закиси азота от внесенных азотных удобрений на дерново-подзолистых почвах был выполнен с использованием уточненных национальных коэффициентов [5].
Коэффициенты были получены из анализа литературных данных по определению газообразных потерь азота в виде закиси в полевых и лабораторных опытах на разных типах почв. В процессе анализа была определена продолжительность почвенной эмиссии закиси азота при однократном внесении азотсодержащих удобрений, составляющая в среднем по России 140 дней.
Кроме того, были рассчитаны среднесуточные величины выброса закиси азота для черноземов и дерново-подзолистых почв, составляющие 0,009 и 0,017% от внесенного азота соответственно. Коэффициенты вы-
броса закиси азота от минеральных удобрений для черноземов и дерново-подзолистых почв определены умножением соответствующих значений среднесуточного выброса закиси азота на его продолжительность (140 дней) в течение первого года после внесения. Газообразные потери N 2 О для других типов почв определяли по коэффициенту, рекомендованному в Руководящих указаниях МГЭИК.
Доля потерь азота от использования минеральных азотных удобрений рекомендована в размере 0,1 кг азота в виде аммиака и окислов азота на кг азота удобрений. Исследования отечественных ученых определили суммарные потери азота минеральных удобрений значительно большими. Использование внесенных азотных удобрений растениями зависит от дозы, вида возделываемых культур, предшественника, почвенных условий, срока внесения, погоды и наличия в почве других элементов питания растений. Считается, что на создание урожая затрачивается от 50 до 70% внесенного азота. Остальная часть теряется или в небольшой части закрепляется в форме органических соединений в почве. Значительные потери вызваны обильными и продолжительными снегопадами, активным таянием снегов, поступлением большей части влаги вне периода вегетации растений. Рекомендованная доля потерь азота составляет 30-40% от общего внесенного азота.
В расчетах величина потерь принята для средних по промывной способности почв в размере 30%, а соотношения потерь азота в виде аммиака и промывных потерь в виде окислов - в равных количествах [10,11].
Коэффициенты выброса закиси азота от минеральных азотных удобрений для разных типов почв представлены в таблице 5.
Таблица 5. Коэффициенты выброса азота, переходящего в закись, от минеральных азотных _удобрений__
Типы почв Черноземы Дерново-подзолистые почвы Другие типы почв
Коэффициенты выброса, кг Ы-Ы2О/кг N 0,0126 0,0238 0,0125
внесенного с удобрениями
Оценка выброса N2O при внесении органических удобрений выполнена в соответствии с рекомендациями [5,12,13].
Коэффициент эмиссии закиси азота для всех видов органических удобрений, включая азот пожнивных корневых остатков, принят равным 0,0125 кг/кг азота органических удобрений.
Выбросы в атмосферу в виде аммиака и промывных окислов азота от внесенных органических удобрений рассчитаны с использованием соответствующих пересчетных коэффициентов эмиссии, составляющих 0,2 кг на кг N всех видов органических удобрений в соотношении, аналогичном для минеральных удобрений.
В России запахивание оставленных на полях пожнивных и корневых остатков сельскохозяйственных культур является одним из основных антропогенных источников атмосферного выброса закиси азота. Количество азота растительных остатков, поступающего в сельскохозяйственные почвы аграрного сектора, оценивалось в соответствии с разработанной национальной методикой [9], выполненной на основе анализа литературных данных оценки баланса питательных веществ в севооборотах, определяющих массу азота, поступающего в почву при минерализации растительных остатков [14,15].
Ниже представлен общий вид уравнений, используемых в расчетах:
Abi или Uni = Ei ((ai Yi+bi)xNi)*Si,
(8)
где Abi и Uni - масса азота, поступающего в почву при разложении поверхностных и корневых остатков культурных растений определенного вида i, ц;
Yi - урожайность основной продукции i-й культуры, ц /га (сухого вещества);
ai и bi - соответствующие коэффициенты для расчета массы поверхностных и корневых остатков i-й сельскохозяйственной культуры при определенном уровне урожайности
[13];
N1 - содержание азота в поверхностных и корневых остатках ьй культуры (кг ^кг сухой массы) [12];
- посевная площадь ьй культуры (га).
Выбросы закиси азота от симбиотической азотфиксации. Размер симбиотической азот-фиксации для пожниво-корневых остатков зернобобовых трав по данным [14,15] составляет:
З N201 = (Лаз-Кл-У-Б)!, кг
(9)
где З№01 - количество симбиотического азота, оставшегося в пожниво-корневых остатках;
Лаз - содержание общего азота в пожниво-корневых остатках, кг/ц с.в.;
КЛ - коэффициент симбиотической азот-фиксации для пожниво-корневых остатков.
Коэффициент выброса закиси азота от пожниво-корневых остатков принят по аналогии с органическими удобрениями и составляет 0,0125 кг N NО/ кг образуемого азота.
Косвенные выбросы закиси азота от сельскохозяйственных земель учитываются при его образовании в результате вторичных превращений антропогенных азотных соединений (при вымывании и выносе азота с полей). Расчет косвенных выбросов закиси азота производится на основе данных об общем количестве вносимых минеральных азотных удобрений и годового выхода навоза животных.
Средние значения коэффициентов выброс о в закиси азота, образующиеся при описанных процессах, взяты по рекомендациям «Национального кадастра антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов...» и составляют 0,025 кг NNО/кг вымываемого из почвы азота.
Расчет площадей для кормопроизводства представлен в таблице 6.
При определении потребности в зерне для производства комбикормов учитывалось содержание в зерновом ворохе отходов -15%.
Распределение годового выхода всего поступающего в почву азота с учетом внутри-
почвенных процессов представлено в табли- це 7.
Таблица 6. Расчет потребности в исходном сырье для производства кормов и площадей _под утилизацию навоза__
Показатели Порядковый номер фермы
№1 №2 №3 №4
Зерно для производства комбикорма, т с.в. 274,06 227,06 787,1 652,9
Коэффициент страховых запасов и потерь при хранении, % 38,7
Общая потребность в зерне для комбикорма при влажности 14%, ц 4420 3662 12694 10529
Средняя планируемая урожайность, ц/га 25
Потребность в площадях под зерно. га 177 146 508 421
Потребность в сене, т с.в. 132,3 73,5 222,9 125,8
Коэффициент страховых запасов и потерь при хранении, % 22,0
Общая потребность в сене, ц (при влажности 14%) 1876 1043 3162 1785
Средняя плановая урожайность сена, ц/га 40
Потребность в площадях под сено, га 47 26 79 45
Потребность в сенаже, т с.в. 68,6 68,6 146,8 146,8
Коэф. страховых запасов и потерь при хранении, % 26
Общая потребность травы, ц (при влажности 14%) 1005 1005 2151 2151
Средняя урожайность травы, ц/га (при влажности 14%) 40
Потребность в площадях под траву для сенажа, га 25,1 25,1 54,0 54,0
Потребность в зеленке и травяной резке, ц 2279 2279 5462 5462
Средняя урожайность травы, ц/га (при влажности 14%) 40
Потребность в площадях под траву для зеленки и травяной резки, га 57 57 137 137
Суммарные площади под траву, га 129,1 108,1 270,0 236,0
Потребность в кукурузном силосе, т с.в. - 58,79 - 97,87
Коэффициент страховых запасов и потерь при хранении, % 32
Общая потребность в кукурузе, ц (влаж.80 %) - 3880 - 6459
Средняя плановая урожайность кук., ц/га 300
Потребность площадей под кукурузу, га - 13 - 22
Потребность в свекле, ц - 3919 - 11183
Коэф. страховых запасов и потерь при хранении, % 32
Общая потребность свеклы, ц (при вл. 88 %) - 5173 - 14762
Средняя плановая урожайность свеклы,ц/га 250
Потребность в площадях под свеклу, га - 21 - 59
Таблица 7. Распределения годового поступления азота навоза при производстве кормов _с учетом внутрипочвенных процессов_
Показатели По] рядковый номер фермы
№1 №2 №3 №4
М- произведено молочным стадом, т 12,89 12,25 32,51 30,62
М- произведено с учетом подстилки, т 18,00 17,41 41,00 39,18
М- потери при утилизации навоза, т, (%) 4,50 (25) 4,35 (25) 16,40 (40%) 15,67 (40%)
В том числе: КН3 - потери, (здесь и далее потери азота) т; 5,03 (4,14) 4,86 (4,00) 18,92 (15,58) 18,08 (14,89)
М2О - потери при утилизации навоза, т 0,57 (0,36) 0,55 (0,35) 1,29 (0,82) 1,23 (0,78)
М- внесено с учетом потерь, т N - общие потери азота после внесения, т 13,50 2,70 13,06 2,61 24,60 4,92 23,51 4,74
В том числе: Потери азота в виде КН3 после внесения, т 1,54 (1,27) 1,49 (1,23) 2,81 (2,31) 2,71 (2,23)
NОз - потери вымытого азота, т 1,26 1.22 2,30 2,22
М2О - прямые потери при обработке и использовании почв; 0,27 (0,17) 0,26 (0,16) 0,48 (0,31) 0,46 (0,29)
^0 - косвенные потери азота при обработке и использовании почв 0,23 (0,15) 0,21 (0,14) 0,52 (0,33) 0,45 (0,29)
Удобренная площадь, га 379 353 843 758
В том числе:
травы на сено 129 108 270 236
на зерно 250 211 573 441
Произведено зерна сверх потребности в кормах, ц/ус.гол 12,8 11,4 5,7 1,8
Внесено азотных удобрений (мочевины), т д.в. 23,9 22,1 58,0 49,2
0бщие потери минеральных азотных удобрений, т д.в. 7,17 6,63 17,40 14,76
Потери в виде ^0 от использования минеральных удобрений, т 0,90 (0,57) 0,83 (0,53) 2,17 (1,38) 1,84 (1,17)
Потери вымытого азота минеральных удобрений в виде N0 3, т 3,30 3,05 8,01 6,80
КН3 - потери азота минеральных удобрений в виде аммиака, т 4,00 (3,30) 3,70 (3,05) 9,73 (8,01) 8,25 (6,80)
Поступление азота с пожниво-корневыми остатками, т 14,07 12,43 31,00 26,33
0бщие потери азота с пожниво-корневыми остатками, т 2,81 2,49 6,20 5,27
N0 - потери вымытого азота от симбиотической азотфиксации корней и запахиваемых растительных остатков , т 1,32 1,17 2,91 2,47
КН3 - газообразные потери азота от симбиотической азотфиксации 1,60 1,72 3,99 3,00
корней и запахиваемых растительных остатков , т (1,32) (1,17) (2,91) (2,47)
^0 потери азота от симбиотической азотфиксации корней и запа- 0,276 0,244 0,609 0,517
хиваемых растительных остатков , т (0,176) (0,155) (0,388) (0,329)
К^О з - суммарные потери вымытого азота, т 5,88 5,44 13,22 11,49
К^Н 3 - суммарные потери азота в виде аммиака, т 10,03 9,61 28,81 26,35
К^Н 3 - удельные потери азота в виде аммиака, кг/кг молока 0,020 0,019 0,024 0,022
К2О- суммарные потери азота при использовании удобрений, т; 2,24 (1,426) 2,10 (1,335) 5,07 (3,23) 4,49 (2,86)
Доля потерь азота органических и минеральных удобрений, % 31,0 31,6 34,8 35,5
Эквивалент СО 2 потерь азота в виде ^О, т 663,0 645,3 1500,7 1329,0
Выбросы углекислого газа и метана происходят при хранении и заготовке кормов в результате процессов дыхания и брожения.
Процесс аэробного дыхания заключается в окислении моносахаров кислородом воздуха. Потери силосной массы происходят исключительно в результате дыхания и брожения и сопровождаются потерей массы растительного объекта, повышением влажности, выделением большого количества теплоты и изменением газового состава окружающего воздуха (выделяется углекислый газ, метан, аммиак и водород). Выделение углекислого газа при хранении кормов с небольшим содержанием сахара (менее 6%), например, сена из бобово-злаковых трав, зерна и сенажа может быть представлено уравнением: С6Н1206 + 602 ^ 6С0 2 + 6Н20 + 2765 кДж (10)
Расчет по этому уравнению позволяет определить, что окисление 180 кг сахаров выделяет 264 кг С02. Сухое зерно имеет невысокую интенсивность дыхания. За год
хранения при температуре 10-200С 1 т сухого зерна (с влажностью до 14%) теряет за счет дыхания 100 г (0,01%) массы.
У зерна средней сухости (от 14, 1 до 15, 5%) интенсивность дыхания примерно в 1,52 раза выше, чем сухого. Влажное зерно (влажность 15,5-17%) разных культур резко увеличивает интенсивность дыхания: пшеница - в 4-8 раз, овес - в 2-5, кукуруза - в 8, 5-17 по сравнению с зерном средней сухости. Температура хранения оказывает существенное влияние на интенсивность дыхания. Зерно, хранящееся при температуре, близкой к 00С, дышит с исчезающе малой интенсивностью. По мере повышения температуры интенсивность дыхания возрастает, достигая максимума при 50-550С, после чего начинает резко падать. Падение совпадает с началом тепловой денатурации белков, инактивации ферментов, т. е. началом гибели зерна [16].
Качество зерна также оказывает существенное влияние на энергию его дыхания. Чем ниже качество зерна, тем труднее его хра-
нить. Каким бы способом ни дышало зерно, этот процесс вызывает потерю сухого вещества (убыль массы) зерна. Расходуемая при дыхании глюкоза постоянно пополняется за счет ферментативного гидролиза крахмала.
При силосовании кормов с высоким содержанием сахара (свекла, кукуруза) происходит более активное выделение метана из силосуемой массы (чем при дыхании). Вклады отдельных химических веществ в формирование биогаза можно вычислить путем использования стехиометрических уравнений для безазотистых веществ [17]:
С аН„0с + (а-£-0н2о^
(!+Н)™4+(Н+(11)
Таблица 8. Расчет эмиссии метана и двуокиси углерода от хранения годового запаса кормов
Показатели Порядковые номера ферм
1 2 3 4
Комбикорма (зерно), т с. в. 380,0 314,9 1091,7 868,1
Естественная убыль зерна, % с.в. 0,023
Потери сахара в зерне, кг 87,40 72,43 251,1 199,7
Выделено СО 2 зерном, кг 128,2 106,2 368,3 292,9
Силос (кукуруза и свекла) т с.в. 139,7 306,3
Убыль сахара в силосе, % 17
Среднее содержание сахара в силосе, кг 27330 47268,4
Потери сахара в силосе, кг 4646,1 8035,6
Выщелено силосом СО 2, кг 3407,1 5892,8
Выщелено силосом СН 4, кг 1239,0 2142,8
Заложено сенажа, кг с.в. 86430 86430 184986 184986
Содержание сахара в сене и сенаже, кг/кг 0,067
Среднее содержание сахара в сенаже, кг 5790,8 5790,8 12394,1 12394,1
Убыль сахара в сенаже, % 11
Потери сахара в сенаже, кг 637,0 637,0 1363,3 1363,3
Выщелено сенажом СО2, кг 934,3 934,3 1999,5 1999,5
Заложено сена, кг с.в. 161406 89698 271932 153510
Среднее содержание сахара, кг 10814 6009,8 18219,8 10285,2
Потери сахара в сене, % 7
Потери сахара в сене, кг 757,0 420,7 1275,4 720,0
Выщелено сеном СО 2, кг 1110,3 617,0 1870,6 1056,0
Выщелено кормами СО 2, кг 2172,8 6303,6 4238,4 9241,2
Выщелено кормами СН 4, кг 1239,0 2142,8
Тогда для глюкозы это уравнение примет вид: СбН12Об+Н2О^3СН4+3СО2
(12)
Это уравнение позволяет определить, что при распаде одной кг-молекулы глюкозы образует три кг-молекулы метана и три кг-молекулы углекислого газа. В процессе преобразования 180 кг глюкозы будет получено 48 кг метана и 132 кг углекислого газа. Результаты расчетов по уравнениям 10-12 эмиссии метана и двуокиси углерода от хранения годового запаса кормов представлены в табл. 8.
Дыхательные и ферментативные процессы тесно связаны с содержанием сухого вещества в фураже. Подвергающийся силосованию фураж с низким содержанием влаги (не выше 65%) и в условиях изоляции от доступа воздуха дает низкую выработку органических кислот и аммиака с большим количеством оставшихся углеводов.
Поэтому респираторные и окислительные потери можно контролировать посредством удаления кислорода, потери, вызванные брожением, можно ограничить снижением влажности фуража [18].
Выбросы двуокиси углерода при стационарном сжигании топлива являются результатом высвобождения углерода из топлива в
ходе его сгорания и зависят от его содержания.
Содержание углерода в топливе является физико-химической характеристикой, присущей каждому конкретному виду топлива, и не зависит от процесса или условий сжигания топлива. Исходными данными для расчета выбросов в данном случае являются сведения о количестве и виде сожженного за год ископаемого топлива, израсходованного на осуществление данного технологического процесса, и химико-физические характеристики, воздействующие на процесс горения, такие, как теплотворное нетто-значение топлива (ТНЗ) и содержание углерода.
Содержание углерода в топливе может определяться в лаборатории на предприятии, что позволяет рассчитать собственный коэффициент выбросов двуокиси углерода и получить более точное значение выбросов. Использование собственных коэффициентов выбросов предпочтительнее усредненных коэффициентов, указанных в методике.
Расчет выбросов СО2 для каждого вида топлива для отдельных источников (установок для сжигания) производится по формуле: Е = МК-ТНЗ-К 2-44/12 (13)
где Е - годовой выброс СО2 в весовых единицах (т/год); М - фактическое потребление топлива за год (т/год); ТНЗ = 42,485 Дж/т - теплотворное нетто-значение дизельного топлива; К1=0,99 - для нефти и нефтепродуктов - коэффициент окисления углерода в топливе (показывает долю сгоревшего углерода); К 2 = 19,98 тС/ТДж - коэффициент выбросов углерода; 44/12 - коэффициент пересчета углерода в углекислый газ.
Расчет вредных выбросов при обслуживании животных, обработке почв и выращивании кормовых культур проводился на основании расчетного количества топлива по видам для производства всех рассмотренных кормовых культур согласно технологиям их выращивания [7,20].
Распределение выбросов парниковых газов (К20, СН4, С02) и аммиака для четырех рассмотренных технологий по основным технологическим процессам представлено в таблицах 9 и 10.
Таблица 9. Структура выбросов парниковых газов (в эквиваленте СО 2) и аммиака по четырем
Ферма №
1 2 3 4
Потери в виде: М20, % 44,3 43,8 44,2 42,1
СН 4' % 23,0 23,6 24,6 25,9
СО 2, % 32,7 32,6 31,2 32,0
Удельные выбросы МН3, г/кг молока 20 19 24 22
Таблица 10. Структура потерь азота органических удобрений по основным технологическим
п роцессам, %
Наименование Ферма №
технологического 1 2 3 4
процесса
Утилизация навоза 61 61 75,8 75,7
(56,1)* (56,3) (72,0) (71,9)
Выращивание 39 39 24,2 24,3
кормов (17,3) (17,3) (10,6) (10,7)
* В скобках представлены потери азота в виде аммиака
Выводы.
1. Рост интенсивности ведения хозяйства (увеличение продуктивности с 5 до 6 тыс. кг молока на корову в год) и изменение системы содержания животных сокращает эквивалент удельной эмиссии парниковых газов с 3,0 до 2,63 кг/кг молока (12,3%), а удельную эмиссию аммиака увеличивает с 0,19 до 0,024 кг/кг молока (26,3%).
2. Удельные суммарные потери азота органических и минеральных удобрений возрастают незначительно с 31,0 до 31,6% при введении в севооборот пропашных культур для использования в рационе сочных кормов и примерно на 4% за счет роста потерь при удалении и подготовке навоза к использованию.
3. Возрастание потерь азота при утилизации навоза в виде компоста (с 25 до 40%) вызвано повышением концентрации азота в компосте из-за сокращения доли соломы при содержании животных. Использование прогрессивных методов уборки навоза (многократное в течение суток удаление навоза скреперами с автоматизированным приводом) и компостирование в канале позволит сократить потери на стадии утилизации
навоза, увеличить производство продукции и улучшить экологическую ситуацию в целом.
4. Увеличение потерь азота при утилизации навоза ведет к пропорциональному повышению выбросов аммиака. Выбросы закиси азота зависят от количества азота, произведенного животными.
5. Существующие представления об эффективности производства при росте продуктивности животных подтверждены и снижением экологической опасности от ее производства.
Литература:
1. Trunk W., Zeddies J. Ökonomische Beurteilung von Schadgasemission bei der Milcherzeugung // Agrar-wirtschaft 45. 1996. Heft 2. С. 111-128.
2. Морозов Н.М., Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Технологические и научно-технические проблемы эффективного функционирования технических систем подготовки навоза к использованию в качестве органических удобрений. Подольск: ВНИИМЖ, 1998. 54 с.
3. Васильев В.В, Филиппова Н.В. Справочник по органическим удобрениям. М.: Росагропромиздат, 1988.
4. Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота (НТП 1-99). М., 1999.
5. Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов не регулируемых Монреальским протоколом за 1990-2009 гг. Ч.1. М., 2011. 386 с.
6. Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета (НТП 17-99). М., 1999. 69 с.
7. Мишуров Н.П. Биоэнергетическая оценка и основные направления снижения энергоемкости производства молока. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010.
8. Нормы и рационы кормления сельскохозяйственных животных: Справочное пособие. М., 2003. 455 с.
9. Влияние Сен-Плекс на обмен азота и энергии у коров в период раздоя // Кормление с.-х. животных и кормопроизводство. 2012. №9. С. 1-3.
10. Гриднев П.И., Колесникова Т.Н., Гриднева Т.Т. Оценка экономического ущерба окружающей среде при производстве и использовании удобрений // Доклады РАСХН. 1998. №6. С. 32-34.
11. Жученко А.А. Стратегия адаптивной интенсификации растениеводства // Сельская биология. 2010. №5. С. 123-126.
12. Усвоение растениями питательных веществ из удобрений. 2013. 24 декабря. URL: Okade ru>... pita-telnyh-veschestv-iz-udobreniy.html.
13. Романовская А.А. Основы мониторинга антропогенной эмиссии и стоков парниковых газов (СО2, N2 O, СН4) в животноводстве при сельскохозяйственном землепользовании и изменении землепользования в России: автореф. дис. д. б. н. М., 2008. 47 с.
14. Левин Ф.И. Вопросы окультуривания, деградации и повышения плодородия пахотных почв. М., 1983.
15. Левин Ф.И. Количество растительных остатков в посевах полевых культур и его определение по урожаю основной продукции // Агрохимия. 1977. №8. С. 36-42.
16. Биохимические процессы, происходящие в зерновой массе. 2014. 31 января. http: // www.edka.ru/ arti-kle/vred/edbe/biohimi4eckie_proceccy_proichodagie_v_z ernvoi_mac.htm
17. Вайсбах Ф. Будущее силосования кормов (Эль-менхорст, ФРГ). Аграрное обозрение. 2013. 20 декабря. http://agroobzor. ru/korm/a-120. html
18. Хранение силоса. 2013. 20 декабря. http: // bivax. com.ua/bivaxeko/eko/a05r.htm
19. Методика расчета выбросов парниковых газов. 2014. 23 июня. www.ekolog.ucoz.kz
20. Технологические карты возделывания сельскохозяйственных культур: справочник. Тамбов: ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. 96 с.
21. Пат. РФ 2198152. Способ получения гранулированного органоминерального удобрения / П.И. Гриднев [и др.].
22. Гриднев П.И. Технологии утилизации навоза // Зоотехния. 1989. №9. С.62-65.
Approaches to the evaluation of environmental pollution on the example of milk production on four technologies animals in dairy farms 100 and 200 cows with different productivity and system content using a feed silo without it. Considered harmful emissions from manure management, production and storage of feed and fertilizers, use of non-renewable energy sources. Keywords: pollution, greenhouse gas emissions, animal welfare, the loss of nitrogen, soil washes.
