Энергетическая концепция развития систем технологий в земледелии доклад

В основу решения поставленой задачи положим нормативы потребления продуктов питания или содержание продовольтвенной корзины. Эти нормативные документы, как правило, содержаться в концепциях продовольственной безопасности каждой страны. Более того, они сегодня разрабатываются для регионов, областей, городов и даже сел. Обычно это таблицы, содержащие набор продовольствия и норму потребления в год (день) в кг/чел. Однако, нам необходимо их перевести в энергосодержание.

Оценим потребность антропогенной энергии для обеспечения питания одного человека. ФАО отмечает [13], что сегодня потребность человека в энергии (ккал) в день оценивается по Евросоюзу в 3400 ккал, в Восточной Европе в 3100, по Кавказу и средней Азии в 2750, по России в 3300, а всего по миру 2760 ккал.

При этом необходимо предусмотреть долю продукции животноводства (в энергетическом эквиваленте) до 50 %.

Общее содержание энергии в дневном рационе питания можно оценить как:

, МДж/чел. с.

где _ - дневная норма потребления і продукта.

Сумарная потребность антропогенной энергии, обеспечивающее суточную норму потребления составит:

, МДж/чел.сутки

Тогда биоэнергетический коэффициент системы технологий в аграрном секторе, обеспечивающих нормативное потребление продовольства, будет выражаться так:

Системный биоэнергетический коэффициент _ оценивает не технологии производства отдельных культур, а систему технологий, обеспечивающих аграрным сектором производства продовольствия. Однако нам необходимо преодолеть различие в представлении данных в системах продовольственной безопасности и в системах земледелия.

Необходимо перевести по массе позиции продовольственной корзины в массу исходных с.-х. продуктов производимых в АПК:

муку, хлебобулочные изделия, крупа – в зерно;

сахар – в сахарную свеклу или другую культуру, (например в Бразилии и кубе и др. странах в сахарный тросник), используемую для производства сахара;

растительное масло – в подсолнух или другую используемую в данном регионе масляничную культуру;

молоко, творог, сыр, сливочное масло, молочно-кислые продукты и т.д. – в молоко;

мясо, колбасу и другие мясопродукты – в живой вес животного (крс, свиньи, птицы и т.д.). После такой трансформации содержания продовольственной корзины можно приступить к оценке системы технологий, обеспечивающей, продовольственную безопасность.

Проведем расчет типовой продовольственной корзины в форме суточной нормы потребления (без рыбы)
Таблица 2

Перерасчет суточной нормы потребления продовольствия по энергосодержанию

	Продукт	Суточная норма, кг.	, МДж/кг	МДж	, МДж/кг	, кг
1	Зерно	0,240	11,74	2,818	5,23	1,255
2	Подсолнечник	0,161	15,28	2,460	8,15	1,312
3	Картофель	0,27	2,74	0,740	1,62	0,434
4	Овощи, бахчевые	0,36	4,64	1,670	9,44	3,398
5	Фрукты, ягоды	0,26	1,7	0,442	1,3	0,338
6	Сахар	0,4375	2,38	1,043	0,43	0,188
7	Мясо	0,2	7,18	1,436	37,84	7,568
8	Молоко	0,9	2,0	1,800	4,91	4,419
9	Яйца	0,7	0,68	0,476	1,523	1,066
10	Рыба
11	Итого			12,885		19,978

В таблице 2 приведены результаты пересчета суточного объема элементов питания в энергию, необходимую на производство элементов питания, в результате имеем:

Энергия в суточном объеме питания составляет 12,885 МДж (без учета рыбной продукции), а на производство этой продукции аграрный сектор затрагивает 19,978 МДж антропогенной энергии. Таким образом, современные технологии производства с.х. продуктов обеспечивают БЭКч =0,6450 и требуется изыскать 19,978 МДж антропогенной энергии в каждые сутки на каждого жителя земли. Следовательно, продовольственная безопасность, обеспечивающаяся современными технологиями производства с.х. культур и продуктов животноводства, непосредственно срастается с энергетической безопасностью, что несет угрозы выживания человечества по мере исчерпания антропогенных ресурсов.

Зависимость продовольственной безопасности от антропогенных энергетических ресурсов может быть снижена только путем поиска и разработки агротехнологий производства с.х. культур, обеспечивающих существенное увеличение БЭК до 5-10 в растениеводстве и повышение конверсии энергии корма в животноводстве.

Исходной энергетической базой производства продовольствия является растениеводство.

Растениеводство обеспечивает напрямую производство продовольствия растительного происхождения, но косвенно, (путем обеспечения животноводства кормами) продуктами животного происхождения. Практически кормопроизводство (не кормоприготовление) неотрывно связано с растениеводством.

Следовательно для полного обеспечения человека в продовольствии, ифакт с энергетической точки зрения. Пусть k (ранее мы его называли коэффициентом качества питания) – доля продуктов питания животного происхождения (в энергетическом эквиваленте). Тогда

,

где - суточная норма энергии в продуктах питания для человека (2800-3400 ккал/день)

Для того, чтобы произвести продукцию животноводов в объеме , необходимо животных обеспечить растительным кормом в объеме

где - суточная норма потребления j продукта животноводства, кг;

Определим суммарную энергию продукции растие норму потребления продовольствия человека ( )

пр условии:

Это и есть математическая модель основного энергетического задания для отрасли растениеводства, связанное с физиологическими нормативами потребления продовольствия человека. А составляющие - задание для животноводства. «К» определяет количество питания, сбалансированность питания продуктами животноводства.

При производстве продуктов животноводства, оп данным исследователей [14,15]

для молока – 0,23 - 0,38;

мясо говядины – 0,1 – 0,13

мясо свинины – 0,15 – 0,35

мясо птицы – 0,20 – 0,25

яиц – 0,25 – 0,31

Определим усредненный коэффициент энергетической эффективности корма для производства продуктов животноводства по нормативам табл. 3

Таблица 3

Энергосодержание и энергозатраты на производство суточной нормы продовольствия одним человеком

	Продукты животноводства	Суточная норма, кг	Энергсод. продукт, МДж/кг	Коэф. испол. энергии корма Сі	Суточная норма потребляемой в энергии, МДж	Затраты антропогенной энергии на сут. норму. МДж
1	2	3	4	5	6	7
1	Говядина	0,07	5,73	0,12	0,4025	3,352
2	Свинина	0,04	8,43	0,30	0,3372	1,121
3	Птица	0,08	5,65	0,22	0,4520	2,05
4	Баранина	0,003
5	Молоко	0,9	2	0,30	1,8	6,00
6	Яйцо	0,7	5,89	0,30	0,457	1,523
					3,4487	13,990

Для производства по типовым технологиям продуктов животноводства при уровне потребления продуктов животного происхождения R =0,3 нам необходимо произвести 13,990 МДж продукции растениеводства, для производства продуктов животного содержащих 3,4487 МДж.

Таким образом при норме потребления человеком 3000 ккал в день, уровне качества K = 0,3 нам необходимо произвести на поле продукцию растениеводства, содержащее 5100-6300 ккал. энергии.

Вышеизложенное позволяет поставить следующие группы задач: целевые, методологические, научные.

Целевые задачи.

- Основной задачей энергосбережения в растениеводстве, является повышение БЭК при выращивании і культур. И оценкой технологий должна производиться по этому параметру.

- Основной задачей энергосбережения в животноводстве, есть повышение энергетического коэффициента использования кормов и оценке технологии производства продукции животноводства должна производиться как по коэффициенту Сj так и по БЭКj (без учета энергии кормов)

- основная задача определения норм питания человека – при выполнении всех условий физиологических потребностей человека минимизировать затраты антропогенной энергии на производство полной нормы суточного питания по q_i составляющим.

- Провести аудит трансформации энергии от поля до стола, вскрыть позиции потерь энергосодержания в продукте и уровень антропогенных затрат энергии в различных схемах (технологиях) переработки, транспортировки, торговой и домашней переработке производства.
Методологические задачи.

- Методики по определению а_і – энергосодержание і продукта.

- Методики по определению в_і энергозатраты на производства і продукта.

- Методика определения энергетической эффективности использования кормов в животноводстве при производстве і продукта животного происхождения.

- Методика энергетической оценки продуктивности земли (полей), поиск путей использования этой информации для кадастровой оценки земли.
Научные задачи.

- Поисковые и фундаментальные работы, направленные на повышение БЭКі при производстве различных культур.

- Поисковые и фундаментальные работы, направленные на повышение Cj и БЭКі при производстве различных продуктов в секторе животноводства.

-Прогнозирование объема потреблений антропогенной энергии при росте качества питания до уровня среднеевропейских при использовании различных технологий производства с.х. продуктов.

- Разработка методов кадастровой оценки земли, базирующаяся на энергетической оценке продуктивности полей.

Вернемся еще раз к рассмотрению противоречий в агроценозах основным законам существования биосферы. Особенно это важно в связи c увеличением территорий, используемых человечеством для своих нужд.

Пашня и многолетние насаждения в составе сельскохозяйственных угодий планеты занимают около 1,3 млрд га (11% всей поверхности суши), сенокосы и пастбища — 3,7 млрд. га (23% поверхности суши).

Oбщaя площадь пригодных для пахоты земель oценивaется экспертами в различных источниках — от 2,з до 3,2 млрд га (т.е. от 18 до 24% от общей поверхности суши).

На этой территории человек воздействует на экoсистeмы , отторгая часть вещества и энергии в цикл обеспечения человека питанием, нарушая биотические круговороты, что неминуемо сказывается на состоянии окружающей среды.

Как правило, она становится неблагоприятной не только для биосферы, но и для жизни человека. Однако вторичные биогеоценозы, возникающие на месте коренных в результате антропогенного воздействия, не всегда ущербны с точки зрения поддержания функций биотического круговорота. По мнению А.М. Алпатьева [16], для человека главное, чтобы живое вещество, независимо от того, какими формами оно представлено (например, коренным лесом или вторичным лугом), выполняло свои разнообразные функции так, чтобы среда обитания в данном месте оставалась благоприятной. Поэтому состояние природы можно оценивать, исходя из принципа экологической эквивалентности.

Из принципа экологической эквивалентности: следует что в антропогенно-измененных экосистемах геохимические круговороты должны быть эквивалентны циклам биогенных элементов естественных экосистем и выполнять те же средообразующие функции. К сожалению, практической и теоретической трансформации принципа экологической эквивалентности на современную аграрную деятельность мы практически не обнаруживаем.

Гармонические отношения человеческого общества с природой возможны только лишь при условии, если люди будут действовать в ней по

ее законам, понимая уникальную ценность жизни и ориентируясь на устойчивое развитие биосферы. Пути адаптации агротехнологий к выполнению функций «живого вещества» и механизмов устойчивости биосферы вытекают из анализа функций «живого вещества» в естественной (геобиоценоз) и искусственной (агроценоз) среде. Прежде всего необходимо перестроить менталитет аграрной науки. Сегодня аграрной науке представлена рядом научных дисциплин, к сожалению, не всегда имеющих единую методологическую основу.

Проявляется ряд противоречий, не разрешимых в рамках отдельных дисциплин. В наукознании сегодня стало очевидным [17, 18], что ни в одной из известных отраслей нет прогресса без информационных технологий. Информационные технологии стали неким «обручем», который объединяет все науки и технологии. Информационные технологии стали принципиально новым с методологической точки зрения – они не добавились еще одним звеном к существующему ряду дисциплин, а объединили их, став их общей методологической базой. Все науки и научные дисциплины, обеспечивающие нужды аграрного сектора, сегодня должны быть объединены также другим обручем, обеспечивающим общую методологическую базу – наукой о «биосфере» (рис. 6).

Рис. 6 – Над отраслевые технологии: информационные и биосферные

Такое преобразование, объединение наук и научных дисциплин носит название конвергенция наук и технологий и является сегодня технологией прорыва в будущее.

В настоящее время в западной научной литературе закрепился термин конвергенция технологий» или «конвергентные технологии», под которым понимается широкий круг процессов — как конвергенция отдельных областей наук, так и непocpедственнo технологий. Следует отметить, что при этом высказываются две крайние точки зрения на существо самого процесса конвергенции:

- простая междисциплинарная конвергенция на основе горизонтального влияния нанотехнологии на другие технологии;

- появление полностью новых направлений науки и технологии, которые в будущем будут развиваться по своим собственным траекториям.

Пути «конвергенции агротехнологий» должна пройти и аграрная наука. Сегодня наметились ряд приемов переориентации технологий на биосферное русло. Это:

- совместные и совмещенные посевы. Совмещенные посевы обеспечивают повышение БЭК (рис. 7). Имеются многочисленные исследования совместных и совмещенных посевов овощных культур [19, 20];

Рис. 7. Положительное воздействие смешанных посевов сказывается на:

а) приросте урожая; б) приросте энергетического коэффициента
- получение двух-трех урожаев в год (эти исследования должны идти в направлении перекрытия времени посева или посадки последующей культуры и уборки урожая текущей культуры);

- насыщение сидератных посевов биоразнообразием;

- организация мульчирования поверхности поля;

- максимально возможное возвращение биологического урожая в почву;

- биологизция земледелия – обогащение почвы системой микроорганизмов;

- мониторинг видов растений и проектирование структуры биоразнообразия для сидератных посевов;

- использование геоботанических свойств растений как

средообразователей;

- мониторинг круговорота основных элементов в экологических нишах.

Одним из магистральных направлений повышения эффективности растениеводства является возврат к биоразнообразию взамен монокультур.

В 2012 году группа учёных ( Hooper и др. ) провели исследование по методу мета-анализа по оценке влияния видового разнообразия на фундаментальные свойства любой экосистемы - производительности экосистемы и разложения органического вещества. Эти два процесса являются основой круговорота органических веществ в природе - продукция зеленых растений , которая является важнейшим показателем энергетической эффективности , связанным с производством экосистемой органического вещества , и обратный процесс - разложение органического вещества, в которой участвует остальные члены сообщества. В процессе исследований производительности были использованы базы данных, содержащие результаты 574 отдельных экспериментов, а для оценки скорости деструкции в двух вариантах - изменение скорости деструкции с уменьшением числа видов - деструкторов , и изменение скорости деструкции опавших листьев в зависимости от разнообразия видов растений. Число наблюдений в каждой из баз - от нескольких сотен до нескольких тысяч. Результаты анализа результатов экспериментов приведены на рис. 8 [21]. Как мера оценки были использованы логарифмы отношения величины продукции или деструкции при заданном числе видов ( YS ) до той же величины при максимально возможном числе видов в сообществе данного типа ( Ymax ) : ln ( Ys / Ymax). Положительные значения этого показателя означают увеличение продукции или деструкции при снижении видового разнообразия, отрицательные - уменьшение .Для сравнения , чтобы оценить масштаб изменений, происходящих при уменьшении видового разнообразия сообществ, авторы приводят оценки воздействия на продукционный процесс других глобальных факторов. Для этого они использовали базы данных , содержащие результаты наблюдений и экспериментов по действию таких факторов, как изменение климата (в частности - засухи), увеличение концентрации углекислого газа, увеличение концентрации доступного для растений азота, фосфора и других биогенных элементов в воде и почве, увеличение кислотности среды и др.. Данные включают результаты наблюдений и экспериментов в наземных, пресноводных и морских условиях.