Энергетическая концепция развития систем технологий в земледелии доклад

Рис. 8 – Изменение первичной продукции в экосистемах при уменьшении числа видов растений [21]

По оси Х - уменьшение числа видов (в процентах от исходного), по оси Y - изменение производительности (логарифм отношения продукции при заданном числе видов в продукции при максимальном числе видов для данного сообщества). Красная линия в нижней части графика - результаты расчетов, серый фон - доверительный интервал 95%. Красная линия в верхней части графика - отражение расчетной кривой в область положительных значений (оценка абсолютных изменений по модулю). В правой части графика приведены оценки влияния на продукцию растениеводства различных глобальных факторов. Сверху вниз: совместное влияние обогащения азотом и фосфором, совместное влияние обогащения азота и увеличение концентрации CO2, воздействие чужеродных видов, обогащение кальцием, обогащения азотом, увеличение концентрации CO2, потепление климата, увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения, увеличение кислотности, засухи. Синие точки - положительный эффект, красные точки - отрицательный. Мера для оценки эффекта - логарифм отношения производительности в эксперименте к контролю - ln (Yexpt / Ycontrol)
В экспериментах было показано, что умеренное (на 21-40%) снижение видового разнообразия приводит к уменьшению первичной продукции растений на 5-10%. Уменьшение видового разнообразия вдвое приводит к снижению первичной продукции экосистем в среднем на 13%. Высшие уровни (уменьшение разнообразия на 41-60% от исходного) по воздействию на продукционный процесс можно сопоставить с результатами действия таких глобальных факторов, как повышение кислотности или увеличение концентрации углекислого газа. Установлено, что продукционный процесс существенно зависит от видового разнообразия - с уменьшением числа видов в экосистеме производительность снижается.  Данные метаанализа накопленной человечеством информации убедительно показывают, что снижение производительности экосистемы за счет уменьшения биоразнообразия ведет к глобальным изменениям в биосфере - потеплению за счет увеличения содержания СО2 в атмосфере, а также изменения химического состава атмосферы.

В связи с установленными новыми знаниями о роли биоразнообразия в биосферных процессах, особое внимание должно быть земледелию в зонах, где высокая выпаханность территории. Это полностью относится к Украине, где во многих областях степной зоны выпаханность превосходит 8% территории. Практически на этой территории уничтожено аборигенное биоразнообразие. И этот процесс не остался не замеченным природой. Природа уже адал реакцию на наши действия в земледелии. За последние 30-50 лет содержание гумуса в почвах с.-х. назначения утеряны по оптимистическим прогнозам, сократившись на 30%. Гумус является основным признаком состояния почвенной среды, основным показателем (табл. 4) средообразования.

Почти все, если не все физические, химические, морфо-генетические показатели зависят от показателя гумуса в почве [22].

Таблица 4.

Корреляционные зависимости между запасами гумуса в почве и её другими показателями [22]

№ п/п	Показатели	Коэффициент корреляции
1	Морфо-генетические	0,89…..0,95
2	Химические	0,74…..0,97
3	Физико-химические	0,70…..0,98
4	Агрохимические	0,56…..0,97
5	Водные	0,51…..0,98
6	Физические	0,52…..0,97

Для проверки этой гипотезы мы обработали фактический материал из атласа почв Украины [23]. Мы далее пополняем банк данных первичных наблюдений «плотность- содержание гумуса». В результате нами получена регрессионная зависимость между плотностью почвы и содержанием гумуса (рис. 9). Линейной корреляции естественно нельзя ожидать, так как даже «чистый» гумус имеет вполне конкретную плотность. А вот коэффициент детерминации получен более чем высоким – (η=-0,95).

Содержание гумуса, %

Рис. 9 – Зависимость «плотности почвы (г/см3) - содержание гумуса (%)»

Эта тенденция и ранее обнаруживалась в исследованиях почвоведов, но почему то выпадала из поля зрения. Вот пример, приведенный Шикулой Н.К.. Изменение содержания гумуса сопровождалось изменением плотности почв (рис. 10). Уменьшение содержания гумуса в почве ведет к пропорциональному увеличению её плотности. Следовательно снижение содержания гумуса и возрастание равновесной плотности - взаимосвязанные процессы [25].

Рис. 10 – Изменение свойств почв при длительном ее использовании

Простое увеличение количества одинаковых почвообразующих минеральных частиц сопровождается линейным накоплением информации, повторением существующих в системе детерминированных связей. Присутствие органического вещества в почве способствует созданию агрегатов, новых по качеству структурных формирований. А это уже переход на новый качественный уровень, ведущий к прогрессивному увеличению информации, появлению новых связей и соответственно новых свойств, расширению функциональных возможностей почв.

По такому пути и шел весь исторический процесс почвообразования.

Однако потеря гумуса в почве, так сегодня прогрессирующая в почвах Украины, ведет к дезагрегатированию почв, к редукции информационных связей, установление системного равновесия на гораздо более низком уровне, т. е. потери почвенного плодородия.

В результате ухудшается водно-воздушный режим, равновесная плотность почвы в пахотном слое увеличивается, почва при вспашке приобретает глыбистость и требуется для разделки пашни применения дополнительных приемов разрушения глыб, дополнительных затрат энергоносителей.

Появляющиеся ухудшения фундаментальных свойств почвы приходится компенсировать возрастающими дозами удобрений, орошением, интенсивной обработкой почвы, которые лишь на некоторое время маскируют процесс деградации почв, т. е. нарушение воспроизводство их плодородия.

Наличие устойчивой связи между содержанием гумуса и плотностью почвы открывает совершенно другой путь и не только к построению системы обработки, но и к системам землепользования.

Так, почвы содержащие более 3,5-4%гумуса практически находятся в состоянии оптимальной плотности. Для таких почв равновесная и оптимальная плотность одинаковы. Системы земледелия, ведущие к потерям гумуса ведут к увеличению равновесной плотности со всеми вытекающими биосферными, экологическими, экономическими и др. последствиями. Утеряв гумус эти почвы требуют интенсивного механического воздействия на них для приведения их в состояние оптимальной плотности.

И магистральный путь земледелия, основанного на биосферном мышлении – это развитие системы земледелия, позволяющих поднять содержание гумуса в почве до уровня 3,5-4 % и более. Только такие почвы мы можем называть «культурными», а наша задача заключается в разработке эффективных технологий «окультургвания» почв – технологий наращивания содержания гумуса в почвах.

Таким образом сегодня появилась возможность обоснования системы обработки почвы в зависимости от распределения содержание гумуса по глубине в пахотном и подпахотном горизонтах, дающего основы для разработки не только энергосберегающих приемов обработки почвы, но и поддержания устойчивости климата на земном шаре, так как ископаемый гумус (гумус, хранившейся тысячелетиями в почве) в результате потерь при выращивании с.х. культур (а сегодня почвы Украины потеряли миллиарды тон гумуса) пополняет атмосферу углекислым газом. Потери гумуса почвами ведет к прямому пополнению земной атмосферы углекислым газом, увеличивая парниковый эффект.

Установленное знание о роли биоразнообразия в производстве органического является фундаментальной основой будущих агротехнологий. Вот несколько основных недостатков монокультур в агротехнологиях:

- солнечная энергия используется только одним ярусом наземной массы растений;

- питательные вещества, биогенные элементы и вода также используется из одного яруса, в котором располагаются корни возделываемой культуры.

- корневая система монокультуры втягивает в кругооборот веществ органическое количество биогенных элементов.

- скудность биоразнообразия создаёт низкий уровень синергетической организации системы. Живое вещество в монокультуре менее устойчиво к изменениям окружающей среды.

Поликультуры лишены этих недостатков, причем от некоторых культур и не требуется получение продовольствия – они играют транспортирующую, энергетическую, концентрационную и особенно, средообразующую функции. Процессы самоорганизации таких систем гораздо более высокого уровня и системы более устойчива к внешним воздействиям.

Опыты посевов совместно нескольких культур на одном поле сегодня ведутся во многих странах мира. Результаты однозначные. Совместные посевы сегодня дают большой выход энергии урожая, чем одновидовое. Отметим следующие особенности многовидовых посевов:

- Получение высоких урожаев двух культур. Так посев кукурузы на зерно + картофеля дал высокий урожай, кукуруза на зерно – 60 ц/га, картофеля – 250 ц/га [26].

- Увеличение выхода энергии с га. Совмещенные посевы козятника + кукурузы на корм дала 544 ГДж, вместо 485 ГДж на контроле.

- На ряду с высоким урожаем основной культуры соответствующие культуры обеспечивают поступление питательных веществ в почву.

Так смеси пшеницы + сборная - овсяница луговая дало 35-42 ц пшеницы, 145-214 ц. зеленой массы, а запаханная биомасса обеспечила поступление в почву 67,5 кг азота; 30 кг фосфора; 188 кг калия и 45 кг кальция на 1 га. На следующий год кукуруза на зерно на этом поле обеспечила прибавку урожая 8-14 ц/га [27].

- Двух и трех компонентные посевы (овес + подсолнечник + посев гороха) обеспечили

• 
  Снижение равновесной плотности на 0,015 г/см³;
  
• 
  Увеличение зеленой массы на 29,2 – 43,1 %;
  
• 
  Снижение водопотребления с 57,0 м³/т до 49,3 м³/т (на 15 %);
  
• 
  Увеличение качества урожая в злаково-гороховых посевах в 1,5-1,8 раза [28].
  
• 
  Увеличивается водопрочность агрегатов [29].
  
• 
  Защиту растений от вредителей и болезней [30].
  

- Накопление зеленой массы в биомассе в 1,6-1,7 раза по сравнению с одновидовыми [32].

С увеличением компонентов в посевах имеется тенденция роста урожая. Урожай за 8 лет отдельных культур составляет до 10,6 т/га (житняк – 10,6, эспарцет – 3,40), совместный посев двух культур (житняк + донник) увеличил урожай до 13,26 и трехкомпонентный посев (житняк + эспарцет + донник) обеспечил урожай 14,83 т/га [33].

Посев многокомпонентных культур осуществляется по двум схемам:

- посев одновременно нескольких культур или подсев к основной культуре;

- посев культур несколькими рядами.

Первая схема называется в мировой практике как mixing cropping. Вторая схема носит название Intercropping.

С точки зрения механизации всех процессов возделывания представляет интерес система Intercropping. Но, при этом требуется определить эффективность количества рядов высеваемых культур. На рис. 11 приведены результаты повышения урожая в зависимости от количества рядков и количества культур [34].

Рис. 11 – Посевы полосами 2,3 и 4 видов культур

На наш взгляд будущее агротехнологий будет связано конструированием смесей культур, обеспечивающих эффективное выполнение всех функций живого вещества в агроценозах. При этом придется пересматривать идеологию разделения растений на «культурные» и сорные (сорняки). Открывается широкий фронт фундаментальных, поисковых и прикладных исследований, связанных с формированием эффективных агроценозов. Т.е. на окультуренных землях необходимо проведение агроприёмов, обеспечивающих исполнение функций живого вещества, выполняемых ранее геобиоценозами на этой территории. Т.е. принцип «экологической эквивалентности» является основой развития будущих агротехнологий – технологий, адаптированных к биосфере.

Концепция связывает общепринятые понятия – урожай, продовольственная корзина, нормы потребления с энергетическими понятиями - энергосодержание процента энергозатраты на производство продукта, биоэнергетический коэффициент, антропогенно-энергетический коэффициент, системный антропогенно-энергетический коэффициент, коэффициент энергетической эффективности корма, а так же коэффициент качества питания (доля продуктов животноводства в продовольственной корзине по энергосодержанию).

Вектор концепции: повышение эффективности трансформации солнечной энергии в продовольствии в условиях агроценозов за счёт:

- использования законов развития живого вещества в агроценозах в экологических нишах при их с.х. использовании. (Развитие биосферных основ земледелия при широком использовании принципа экологической эквивалентности);

- замены монокультурного земледелия на земледелие с биоразнообразной растительностью;

- рационального использования солнечной энергии растительным покровом агроценозов во время действия положительных температур почвы и воздуха.

По сути все три состовляющих концепции едины и представляют собой концепцию перехода земледелия на биосферные основы.

В концепции приведены все расчетные формулы, обеспечивающие энергетический аудит как агротехнологий, так и продовольственной корзины и нормативов потребления продовольствия.

1. Барцев С. И., Корни биосферного кризиса: технология и психология. http://modernproblems.org.ru/ecology/10-bartzev.html?showall=1

2. Агроценозы и их роль в биосферных процессах. http://agrokhimgrupp.ua/blog/zemledelie/464-agrocenozy-i-ih-rol-v-biosfernyh-processah.html.

3. Вернадский В. И. Биосфера// Избр. Соч. Т.V. М., 1960.

4. Вернадский В. И. Размышление натуралиста. Кн. 2/ Научная мысль, как планетное явление. М., 1977

5. Вернадский В. И.Несколько слов о ноосфере// Тр. биогеохим. лаборатории. – Т. 16. М., 1980.

6. Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера// Б-ка трудов акад. В. И. Вернадского. Живое вещество и биосфера. М. 1994.

7. Биосферный уровень жизни. http://school-collection.edu.ru/catalog/rubr/e49d5e33-1caf-4faf-89d0-45e7e83716b8/86663/

8. Роль микроорганизмов в круговороте основных элементов биосферы. http://b-energy.ru/biblioteka/46-biogeografiya-s-osnovami-ekologii/175-rol-organizmov-v-krugovorote-elementov-v-biosfere.html

9. Актинометрические данные как основа для оценки ресурсов солнечной энергии. http://gis-vie.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=92:-1-&catid=40:2012-01-21-12-42-25&Itemid=75

11. Energy Use in Agriculture. A modeling Approach to Evaluate Energy Reduction Policies/ Paper prepared for presentation at the 107 EAAE Seminar / Sevilla, Spain,2008

12. Energy Use in Agriculture. A modeling Approach to Evaluate Energy Reduction Policies. Paper prepared for presentation at the 107^th EAAE Seminar “Modelling of Agricultural and Rurar Development Policies”. Sevilla, Spain, January 29^th –February 1^st, 2008.

13. Материалы региональной конференции ФАО для Европы. Баку, Азербайджан, 19-20 апреля 2012 п.7 повестки дня. Меры политики по обеспечению продовольственной безопасности в регионе: проблемы и перспективы –продовольственный прогноз до 2050 г.

14. Тагиров Х. Х. Конверсия энергии кормов в энергию пищевых продуктов в скотоводстве. Весник ОГу (Оренбург) № 2 2003г. с.82-83.

15. Суханова С. Ф. и др. Энергетический обмен и конверсия питательных веществ в организме молодняка гусей, потребление различные формы сена./ Суханова С. Ф., Малахов А. Г., Курганский Г. С. ж. Аграрный вестник Урала, № 7 (73), 2012. с. 41-42. www/viktoriy/ru/page010.2072011.

16. Алпатьев А. М. О принципиальных основах охраны природы Земли// Вопросы охраны природы и рационального использования природных ресурсов. – Л., 1998.

17. Глобальные тенденции в научно-технологическом развитии.

18. Ковальчук М. В. Конвергенция наук и технологий – прорыв в будущее // Российские технологии: № 1-2. М. – 2011.

19. Совмещенные посевы. http://www.ya-fermer.ru/sovmeshchyonnye-posevy.

20. Что с чем можно совмещать при уплотненных посевах в огороде. http://sadimvmeste.ru/ogorod/31-chto-s-chem-mozhno-sovmeshhat-pri-uplotnennyx-posadkax-na-ogorode.html

21. David U. Hooper, E. Carol Adair, Bradley J. Cardinale, Jarrett E. K. Byrnes, Bruce A. Hungate, Kristin L. Matulich, Andrew Gonzalez, J. Emmett Duffy, Lars Gamfeldt, Mary I. O’Connor. A global synthesis reveals biodiversity loss as a major driver of ecosystem change // Nature. 2012. V. 486. P. 105–109. Doi:10.1038/nature11118.

22. Совмещенные посевы кукурузы на зерно и картофеля в условиях Волгоградского Заволжья. Тема диссертации и автореферата по ВАК 06.01.02., 06.01.09., кандидат сельскохозяйственных наук Таранов Игорь., Волгоград, 2003.

23. Атлас почв Украинской ССР. К.: Урожай, 1979.– 159 с.

24. Почвоведение. Типы почв, их география и использование / под ред. В.А. Ковда, Б.Г. Розанов.– М.: Высшая школа, 1988.– 368 с.

25. Кушнарев А.С. Методические предпосылки выбора способа обработки почвы / А.С. Кушнарев, В.В. Погорелый // Техника в АПК.– 2008.–№ 1.– С. 17-21.

26. Шикула Н.К. Минимальная обработка черноземов и воспроизводство их плодородия / Н.К. Шикула, Г.В. Назаренко.– М.: Агропромиздат, 1990.– 319 с.

27. http://www.ideasandmoney.ru/Ntrr.вуефшды.148364

28. Использование смешанных и поукосных посевов как фитомелиорантов для повышения плодородия почвы и продуктивности орошаемых кормовых культур в Заволжье : Дис. ... канд. с.-х. наук Чепрасов Иван Васильевич: 06.01.02, 06.01.09 : Саратов, 2004 150 c. РГБ ОД, 61:04-6/862.

29. Использование смешанных видов кольев управлять вредителями и заболеваниями. Биргитта Ramert. Департамент наук экологии и растениеводства, Шведский университет сельскохозяйственных наук. Вох. 7043, SE750 07 Уппсала, Швеция.

30. EFFECTS OF MIXED CROPPING FARMING SYSTEMS ON CHANGES IN SOIL PROPERTIES ON THE CANTERBURY PLAINS. R.J. HAYNES and G.S. FRANCIS MAF Technology, Canterbury Agriculture and Science Centre, P.O. Box 24, Lincoln, Canterbury, New Zealand..

31.https://translate.google.ru/?hl=ru&tab=wT#en/ru/ramert_mixed_species_pests_diseases.

32. Азотфиксирующая активность и продуктивность совместных посевов вики с овсом при разных уровнях азотного питания : 06.01.09 Малахова, Елена Ивановна Азотфиксирующая активность и продуктивность совместных посевов вики с овсом при разных уровнях азотного питания (в условиях Нечерноземной зоны) : дис. ... канд. с.-х. наук : 06.01.09 Москва, 2007 137 с. РГБ ОД, 61:07-6/255.

33. Структура посевных площадей, эффективность земледелия и восстановления кормовой базы животноводства области А. М. Беляков, д. с.-х. н., директор ГНУ НВ НИИСХ, В. И. Буянкин, к. с.-х. н. зав. лаборатории инновационных технологий.