Энергетическая концепция развития систем технологий в земледелии доклад

Доклад

Ученые и передовые мыслители предупреждают человечество о возможности наступления глобального экологического кризиса. В связи с этим возникла необходимость решения беспрецедентной задачи для человечества – выживания человеческого рода [1].

О наступлении биосферного кризиса было объявлено в 1992 году во время «встречи на высшем уровне» в Рио-де-Жанейро. Люди никогда не думали о таких задачах. Масштабы необходимых мер и ограниченность ресурсов требует, чтобы главные усилия были направлены на устранение основных причин глобального кризиса, а не на его частные проявления.

Однако, до сих пор деятельность в этом направлении (тематика научных исследований, экологическое образование и просвещение и т.д.) построены либо на крайне ограниченной, локальной картине глобального экологического кризиса, либо на мифическом представлении о нем.

Образовательное и просветительское пространство, средства массовой

информации, к сожалению, часто используют обвинение «в нарушении экологии» как козырь в политической или в конкурентной борьбе. Сегодня экология представлена как амбициозные претензии человечества к органическим ресурсам, находящимся в круговороте экосреды.

Наиболее уязвимым является почвенный покров земли, как ключевая составляющая всех процессов, происходящих в биосфере. В этом докладе мы попытаемся осветить проблемы анализа противоречий, возникающих между аграрной деятельностью человечества и свойствами, обеспечивающими устойчивость биосферы.

Аграрный сектор, по сути, представляет собой процесс использования агроценозов в интересах человечества. Агроценоз – вечный спутник человека. Он настолько же древний, настолько древнее человеческое общество. Тем не менее, эта весомая часть биосферы, увы, до сих пор не поддавалась серьезному изучению [2].

Между тем сейчас именно агроценозы занимают почти половину

эколандшафтов, а по геологическому влиянию на биосферные процессы существенно превышают роль природных растительных совокупностей.

Именно в связи с гегемонией агроценозов возникли такие угрожающие явления, как парниковый эффект, загрязнение окружающей среды,

исчезновение многих видов флоры и фауны и др.

Роль агроценозов настолько важна в отношении позитивного вмешательства в цивилизованные процессы, настолько и опасна по причине

пагубного (катастрофического) проявления в биосфере.

Очевидно, нужно привести серьезные исследования законов, по котором

строятся и развиваются агроценозы, найти рычаги, которые обуздали бы эволюцию агроценозов к позитивному, не угрожающему воздействию на биосферу и существование человека, как такового.

Воспользуемся содержанием понятия «биосфера» и ее свойствами,

предложенными Вернадским В.И. [3, 4, 5, 6].

«Биосфера – это планетарное явление космического характера, ее важной

особенностью, главной геологической силой является жизнь – «живое

вещество, не просто населяющее биосферу, а преобразующее облик земли».

Особенно важным свойством биосферы Вернадский В.И. считал

непрерывно идущие в ней круговорот веществ и поток солнечной энергии, регулирующие деятельность живых организмов. По сути, круговорот веществ (биогенного кругооборота) – это форма существования биосферы. В своем учении о биосфере Вернадский В.И. придает особое значение живым организмам. Совокупность всех живых организмов он назвал живым веществом, которое как нечто единое целое можно выразить численно в элементарном химическом составе, в единицах величин массы и энергии.

Специфические свойства живого вещества показывают, что в биосфере земли нет вещества, более мощного и активного в геологическом отношении.

По участию живого вещества в геологических процессах биосферы выделяются пять геохимических функций [7].

1. 
   Энергетическая
   
2. 
   Транспортирующая
   
3. 
   Концентрационная
   
4. 
   Средообразующая
   
5. 
   Деструктивная
   

Рассмотрим, как выполняются эти функции в естественных геобиоценозах и агроценозах.

Особое место, связывающее биосферу с космосом, занимают энергетические функции – поглощение солнечной энергии в процессе фотосинтеза, запасание энергии в химических связях органических

соединений растительного мира, передача ее по цепям питания и разложения.

В своем глобальном, космическом проявлении живое вещество выступает как гигантский аккумулятор и уникальный трансформатор лучистой энергии солнца. Кругооборот веществ в экосистемах планеты поддерживается постоянным притоком все новых и новых порций энергии, посылаемых на землю солнцем. Солнечная энергия обеспечивает условия в синергетических (самоорганизующихся) процессах во всех элементах биосферы.

Как же используется энергия солнца геобиоценозами и агроценозами?

Структура использования солнечной энергии планетой Земля имеет

следующий вид [8, 9]:

- на поверхность Земли ежегодно поступает 21·10²⁰ КДж энергии солнца;

- примерно половина этой энергии идет на нагрев атмосферы, испарение воды, приводя в движение большой кругооборот;

- на создание органического вещества расходуется около 1% лучистой энергии.

Поступление энергии солнца на поверхность отдельных участков Земли зависит от широты, времени года, угла склона, времени суток и т.д. Так, на рисунке 1 представлены значения ежедневного поступления солнечной и лучистой энергии на квадратный метр по Киевской области.

а) б)

Рассмотрим, как энергия Солнца, природных и антропогенных ресурсов и деятельность живого вещества трансформируется в энергию продовольствия (рис. 2)

Рис.2 – Схема трансформация энергии живого вещества в продовольствие



Но, поскольку продукты животного происхождения являются физиологически необходимыми для жизнедеятельности и здоровья человека, нам в поле необходимо ещё произвести и корма для отрасли животноводства. Для удовлетворения нужд одного человека в день продовольствием растительного и животного происхождения, нам необходимо произвести

В результате деятельности отрасли животноводства получаем энергии в продуктах животного происхождения и () энергии в продуктах растительного происхождения. Полученое продовольствие должно храниться, перерабатываться, транспортироваться и в конечном итоге поступать в торговую сеть.

Этот этап назовем «хранение, переработка и торговля». На этом этапе не повышения энергосодержания в продовольствие, более того оно зачастую сопровождается потерями и отходами. Часть отходов может возвращаться в виде корма. Однако деятельность этой отрасли сопровождается затратами антропогенной энергии, расходуемой на строительство и содержание (отопление, освещение, энергообеспечение, трудовые ресурсы и т.д) объектов хранения, переработки, транспорта и торговли.

Но результатом работы этой отрасли не является ещё продуктом, напрямую потребляемым человеком. Замыкает трансформацию энергии домашний сектор продовольственного обеспечения (частично сектор общественного питания). Этот сектор также не обеспечивает повышение энергосодержания в продовольствии, а даже наоборот, при тепловой обработке продовольствие теряет часть содержащей в ней энергии.

Для приготовления и хранения продовольствия в домашних условия, необходимо оборудование в виде холодильников, газовых плит, микроволновых печей, посуды и др. Кроме того при приготовлении пищи и уборке посуды требуется горячая и холодная вода. Все эти процедуры связаны с использованием антропогенной энергии и только на обеденном столе должно в продуктах, съедаемых человеком, содержаться энергии в день.

Продовольственные потребности человечества (а сегодня уже и энергетические) реализуются за счет использования природных ресурсов для удовлетворения материальных и культурных потребностей, за счет использования созданной природой биомассы. Существующие системы земледелия в биосферном понимании можно разделить всего на две группы: системы созидательные и системы разрушительные. Системы созидательные могут быть развиты только на основе биосферных законов (законов исторического развития природы планеты).

Системы разрушительные развиваются на идеологии вседозволенности человечеству на планете.

Идеология развития разрушительных систем земледелия – это еще и недавно господствовавшее в науке и часто проявляющееся на практике представление о природе, в том числе о Земле, как о механической системе, в которой человек может произвольно совершать необходимые для себя манипуляции, может превратить Землю в сырьевой ресурс. Все внимание при этом сосредоточивается на полезном для человека эффекте. А «судьба» природы отступает на второй план. Но не следует забывать, что для того, чтобы предотвратить планетарные катастрофы, необходимо изменить образ мышления человека и перейти от идеологии использования природных ресурсов к идеологии рационального пользования природными ресурсами на основе достижений естественных, общественных и технических наук. Природопользование – это пользование человеческим сообществом только той частью природных ресурсов, которыми позволяют пользоваться законы развития биосферы.

В настоящее время идеология ведения сельского хозяйства находится в глубоком противоречии с природным биосферным процессом. Нам требуется пересмотреть взгляды на технологии выращивания сельскохозяйственных культур и землепользования с точки зрения законов биосферных процессов.

В процессе своего развития, часть территории суши человечество изъяло из природного естественного состояния (геобиоценоза) для удовлетворения собственных потребительских нужд, в основном для обеспечения человечества продуктами питания. На этой территории произошла замена естественной растительности на отобранные человеком культурные растения.

В естественных геобиоценозах, созданных в процессе развития биосферы, источником энергии для производства органического вещества является только солнце. В агроценозах наряду с этим естественным источником энергии, человек вносит удобрения, без которых высокая биологическая продуктивность не может быть реализована, появилась необходимость обрабатывать почву, бороться с «сорняками» и вредителями. Агроценозы существуют и дают высокую биологическую продуктивность только благодаря непрерывному повседневному вмешательству человека, без участия которого они существовать не могут. Таким образом, для поддержания агроценоза человечество вынужденно использовать энергию, накопленную ранее биосферой в недрах земли в виде топлива (газ, уголь, нефть и т.д.), технику и химикаты (удобрения, гербициды, средства защиты и т.д.)

Возникает вопрос. Какой энергетической (антропогенного происхождения) ценой обеспечиваются питание одного человека, сегодняшние тенденции, прогноз дальнейшего развития продовольственного обеспечения и поиск путей существенного снижения затрат антропогенной энергии на производстве продуктов питания. Приступим к более детальному рассмотрению этих вопросов. В данном докладе рассмотрим два первых этапа – производство продуктов растениеводства и животноводства, напрямую обеспечивающиеся агоротехнологиями. Только в растениеводстве происходит создание органического вещества из неорганических элементов благодаря процессу фотосинтеза, реализуемого притоком энергии солнца.

Энергия солнца используется на формирование природных ресурсов и обеспечивает развитие растений на территории. Схему использования ресурсов в современных агротехнологиях можно представить в виде схемы (рис. 3).

Рис. 3 – Схема использования ресурсов в современных технологиях производства продуктов растениеводства

Антропогенные и природные ресурсы есть не что иное как аккумулируемая и трансформируемая энергия солнца в предыдущее время. Почва, как одна из природных ресурсов, является результатом также аккумуляции и трансформации солнечной энергии в биогенном кругообороте веществ.

В результате технологического процесса производства той или иной і культуры полученный урожай (т/га) содержит энергии (энергосодержание полученного продукта). На производство этого урожая человек использует антропогенной энергии. Природную энергию, полученную на производство урожая, сегодня практически оценить невозможно. Однако оценит её можно косвенно безразмерной величиною, так называемым биоэнергетическим коэффициентом .

Энергетическая эффективность технологии характеризуется двумя показателями:

биоэнергетическим коэффициентом БЭК и размерным коэффициентом расхода антропогенной энергии на единицу полученной продукции, МДж/Т .

В коэффициенте БЭК заложен косвенно смысл адаптации технологии к экологической нише и уровень использования природных (не антропогенных) ресурсов. В естественной природе для производства органического вещества в том числе и используемого человеком в качестве продуктов питания, антропогенная энергия не востребована. Органическое вещество производится в процессе биогенного круговорота. Следовательно, уровень адаптации агротехнологии к биосфере можно и нужно оценивать коэффициентом БЭК.

Потребность затрат антропогенной энергии на единицу энергии в продовольствии растительной продукции зависит от БЭК (рис. 5)


Рис. 4 – Доля затрат антропогенной энергии на единицу энергии в продуктах растениеводства в зависимости от значения БЭК

Введем понятие «антропогенный энергетический коэффициент» (АЭК). Антропогенно энергетический коэффициент (АЭК) дает информацию – сколько единиц антропогенной энергии необходимо затратить для производства одной единицы энергии в продовольствии. Так, при производстве массы овощей, содержащих 1 МДж энергии, нужно затратить 2 МДж антропогенной энергии, а при производстве массы зерновых требуется всего 0,3 МДж энергии.

Развитие современных агротехнологий к сожалению сопровождается повышением затрат антропогенной энергии.

Так удвоение урожайности с.х. культур в первой половине ХХ столетия в США потребовалось увеличить вложения антропогенной энергии в 10 раз.

Расход энергии с ростом индустриализации и интенсификации аграрного сектора растет (рис. 5) быстрее, чем темпы произведенной продукции. Одновременно растут и удельные энергозатраты на единицу сельхозпродукции[10, 11].

годы

а) б)

а) удельный расход энергии на производство 1 т. зерна, баррелей нефтяного эквивалента (н.э.);

б) затраты энергии в млн. баррелей нефтяного эквивалента и сбор урожая зерна, в млн. т.
При энергетическом подходе появляются возможности кадастровой оценки земли по содержанию энергии в получаемых урожаях.



- урожайность и культуры, т/га;

- энергосодержание продуктов и культур, ГДж/т;

_- энергия производимая на 1 га i-ой культуры, ГДж/га.

Однако различные культуры имеют различный срок вегетации, т.е. имеют различную длительность процесса фотосинтеза для своего развития. Поэтому целесообразно усреднено определять уровень конверсии энергии солнца в продовольствии, в виде уравнения, включающего время вегетации Т, в сутках.

По величине БЭК можно определить потребность в антропогенной энергии при производстве і продукции. Энергетической оценкой і технологии может быть коэффициент ві – энергозатраты на единицу массы произведенной продукции. Для производства массы продукта (тон) необходимо затратить МДж антропогенной энергии.

Величина может обеспечить сравнение плодородия земельных участков по способности трансформировать природную и антропогенную энергию в энергию, содержащую в_і продовольствие. Чем выше значение БЭК_і и тем выше плодородие земли. Во всяком случае при адекватной оценке коэффициента для земельных участков, есть реальная возможность ранжирования плодородия земельных участков и использовать этот показатель в основе кадастровой оценки земли и уровня адаптации различных культур к ней. В тоже время по величине БЭК_і можно сравнивать технологии возделывания с.-х. культур на данном участке, уровень затрат антропогенной энергии, прогнозировать пути её экономии и выбора направления энергосбережения.

Эффективность использования современными технологиями потенциала биосферы БЭК на производство продукции разных культур составляет по:

- зерновым 2-6;

- кукурузе 1,5-2,5;

- гречихе 2,8-3;

- картофелю 1-2;

- сахарной свекле 2,2-4,3.

Тенденции развития систем земледелия показывают, что более прогрессивные технологии с точки зрения человечества являются менее эффективными с точки зрения использования потенциала биосферы.

Так, при использовании различных систем земледелия отношение заключенной в урожае, затраченной энергии к энергии полученной, следующее:

- подсечно-огневая в бассейне р. Конго 1/65

- подсечно-огневая в Новой Гвинее 1/20

- выращивание кукурузы с применением удобрений в Нигерии 1/10,5

- выращивание кукурузы с применением удобрений и с

использованием сельхозмашин в Филиппинах 1/5

- производство кукурузы в США 1/2,5.

Более удобно пользоваться соотношением:

Методологией определения коэффициентов и в_і является важнейшей фундаментальной научной и практической задачей иследований в агропромышленном комплексе. Некоторую информацию о примерных занчениях этих коэффициентов приведена в табл. 1. Для продуктов растениеводства это позиции 1-22, а для продуктов животноводства позиции 23-28 [21].

Таблица 1.

Энергосодержание, энергозатраты и БЭК при производстве основных с.х. продуктов., МДж/кг [12]