Енергетична оцінка господарсько-екологічної ефективності технологій вирощування сільськогосподарських культур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний універсиситет водного господарства та природокористування

ЕНЕРГЕТИЧНА ОЦІНКА ГОСПОДАРСЬКО-ЕКОЛОГІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ТЕХНОЛОГІЙ ВИРОЩУВАННЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ КУЛЬТУР

Клименко М.О., д. с.-г. н., професор,

Колесник Т.М., к. с.-г. н., доцент

м. Рівне

Анотація

Проведено аналіз сучасних методик розрахунку енергетичної ефективності вирощування сільськогосподарських культур та рекомендовано два універсальних показники для енергетичної оцінки господарсько-екологічної ефективності вирощування сільськогосподарських культур.

The methods of agricultural crops energetic analysis were took and two universal coefficients were recommend for energetic valuation of agriculture technologies enterprises ecology and economic affectivity.

Одними з пріоритетних напрямків концепції стійкого розвитку є відтворення родючості ґрунтів, забезпечення екологічної стабільності агроекосистем на фоні високої продуктивності. Управління родючістю ґрунтів досягається комплексом організаційних та агротехнічних заходів, важливе місце серед яких належить збалансованій структурі сільськогосподарських угідь та забезпеченню бездефіцитного балансу гумусу та елементів живлення в орних ґрунтах. Тому в сучасних умовах розвитку деградаційних процесів ґрунтового покриву і необхідності переходу на збалансовані системи землеробства оцінку технологій вирощування сільськогосподарських культур слід проводити з врахуванням двох аспектів: господарського та природоохоронного. Якщо врахувати пріоритетність політики енергозбереження у всіх галузях народного господарства, то оцінка технологій і формування цін на продукцію повинно базуватися саме на показниках енергетичної ефективності.

Стан вивченості питання. Розробкою методик енергетичної оцінки технологій в сільськогосподарському виробництві займались такі вчені як Медведовський О.К., Іваненко П.І., [4], Тараріко Ю.О., [5], Смаглій О.Ф. [1] та ін., які запропонували декілька показників оцінки енергетичної ефективності систем землеробства і технологій сільськогосподарських культур та розробили детальні методики такої оцінки. Але зазначені показники не оцінюють в цілому екологічну та господарську ефективність, а показують окремі аспекти цієї проблеми, дещо дублюють один одного, тому не є універсальними і часто не дають потрібної інформації щодо господарського і екологічного ефекту технології.

Актуальність та наукова новизна. Пріоритетність політики енергозбереження у всіх галузях народного господарства, поширення процесів деградації ґрунтового покриву та необхідність комплексної господарсько-екологічної оцінки ефективності технологій та систем землеробства змушують проводити аналіз нових технологій саме за енергетичними показниками. Існуючі на даний час методики такого аналізу не є універсальними і потребують доопрацювання, що стало нашим завданням. Нами запропоновано два нових показники енергетичної оцінки господарсько-екологічної ефективності вирощування сільськогосподарських культур, які в достатній мірі враховують як природоохоронний, так і господарський ефект технології у функціонуванні агроекосистеми. Ці показники оцінено за реальними даними продуктивності польової зерно-траво-просапної дев'ятипыльної сівозміни на дерново-карбонатних ґрунтах.

Методика досліджень. Польові дослідження проводилися в період 2000-2002 р.р. в дев'ятипільній зерно-траво-просапній польовій сівозміні на осушуваних дерново-карбонатних ґрунтах Степанського науково-дослідного стаціонару, розміщеного в Сарненському районі Рівненської області, досліди якого закладено в 1964 р. к. с.-г. н. А.Г. Баланом. Вміст гумусу визначали методом "мокрого" спалювання за І.В.Тюріним в модифікації В.Н. Сімакова [2]. Облік врожайності сільськогосподарських культур проводили методом суцільного обліку. Всі аналізи виконувалися в трикратній повторності. Статистична обробка результатів досліджень проведена за методиками Б.А. Доспєхова [3].

Результати досліджень. Аналіз існуючих та рекомендованих нами методик енергетичної оцінки ефективності технологій в землеробстві та рослинництві проводили на основі реальних даних про середню за третю ротацію сівозміни врожайність сільськогосподарських культур в умовах Західного Полісся. Схему сівозміни та норми добрив по варіантах досліду наведено в таблиці 1.

Оцінка еколого-енергетичної ефективності застосування того чи іншого агротехнічного заходу чи цілого комплексу заходів проводиться на основі коефіцієнта енергетичної ефективності К_ее. Одними із перших вчених, які вивчали питання енергетичної оцінки технологій сільськогосподарського виробництва, є Медведовський О.К., Іваненко П.І. [4]. Згідно їхніх робіт К_ее розраховується за залежністю:

, (1)

де - енергія, акумульована в урожаї, МДж/га;

- витрати антропогенної енергії на вирощування і збирання врожаю, МДж/га.

Агротехнічний захід або технологію вирощування сільськогосподарських культур можна вважати енергоощадною, якщо дотримується умова: К_ее>1. Такий підхід до енергетичного оцінювання технологій в сільському господарстві отримав значного поширення через свою простоту і універсальність (на відміну від економічних показників, які змінюються залежно від світової і державної цінової політики щодо енергоносіїв і т.п.).

Таблиця 1. Схема польового досліду на дерново-карбонатних ґрунтах

Оцінимо енергетичну ефективність вирощування сільськогосподарських культур дев'ятипільної зерно-траво-просапної польової сівозміни на дерново-карбонатних ґрунтах без застосування добрив (контроль) та за умов застосування мінеральної (N₆₀P₆₀K₁₂₀) та органічної (гній - 8,9 т/га) систем удобрення згідно залежності (1). Так, результати розрахунків К_ее (див. табл. 2) показують, що сівозміна та досить висока потенціальна родючість дерново-карбонатного ґрунту забезпечують достатню енергетичну ефективність вирощування сільськогосподарських культур (К_ее = 4,60) навіть без застосування добрив. В той же час застосування мінеральних добрив підвищує енергетичну ефективність вирощування культур на 6,7%, а застосування гною, який вноситься в нормах 40 т/га під цукрові буряки та картоплю, дозволяє підвищити енергетичну ефективність вирощування культур на 24,8% відносно контролю. Отже, в даному випадку Кее є свідченням енергоощадливості впровадження сівозміни та застосування добрив.

Таблиця 2. Коефіцієнти енергетичної оцінки ефективності вирощування сільськогосподарських культур в сівозміні на дерново-карбонатних ґрунтах

Такий підхід дозволяє досить точно оцінити господарську ефективність виробництва продукції, але не враховує особливостей впливу такого виробництва на зростання чи зменшення ефективності функціонування самої агроекосистеми. В той же час для стійкого розвитку сільськогосподарського виробництва і високоефективного функціонування агроекосистем в майбутньому важливим є відтворення родючості ґрунту. Але даний метод не враховує впливу сільськогосподарських технологій на показники родючості ґрунту і зміну його енергопотенціалу. Отже, залежність (1) оцінює енергоощадливість технологїі чи окремого агротехнічного заходу і доцільність його застосування в якості акумулятора енергії Сонця через використання антропогенної енергії технічних засобів.

Враховуючи те, що агроекосистеми є відкритими термодинамічноми системами, функціонування яких тісно пов'язане з потоком сонячної фотосинтетично активної радіації (ФАР), вчені зробили наступний крок в оцінці енергетичної ефективності виробництва сільськогосподарської продукції [5], запропонувавши оцінювати енергетичну ефективність за К_ее^*:

, (2)

де - запас енергії в ґрунті, МДж/га;

- сумарна ФАР за період вегетації, МДж/га.

Залежність (2) показує рівень продуктивності сільськогосподарського виробництва в розрахунку на одиницю сукупного енергетичного ресурсу агроекосистеми. Результати розрахунків за залежністю (2) доцільно аналізувати, якщо потрібно порівняти ефективність впровадження технології та функціонування агроекосистем в різних грунтово-кліматичних умовах. Слід відмітити, що за кращих грунтово-кліматичних умов можливе зменшення антропогенних енергозатрат для отримання тієї ж продуктивності агроекосистеми, що в гірших грунтово-кліматичних умовах. Так, за рахунок добрих агрохімічних показників ґрунту (високого вмісту гумусу, оптимального рН ґрунтового розчину, достатнього вмісту рухомих форм елементів живлення, агрономічно цінного гранулометричного і структурно-агрегатного складу ґрунту і т.п.) для отримання середнього врожаю зерна пшениці озимої можна зменшити норми добрив, тоді як в гірших умовах слід дотримуватися розрахункових норм. Відповідно в гірших умовах витрати антропогенної енергії на вирощування і збирання врожаю зростатимуть порівняно з кращими. Тому залежність (2) не може в повній мірі об'єктивно оцінити господарську ефективність впровадження тої чи іншої сільськогосподарської технології.

Проведені нами розрахунки для тих же варіантів досліду показали, що рівень продуктивності сільськогосподарського виробництва в розрахунку на одиницю сукупного енергетичного ресурсу агроекосистеми сівозміни на дерново-карбонатних ґрунтах без застосування добрив є найнижчим і складає 0,0031, тоді як при застосуванні мінеральних добрив цей показник зростає на 119%, органічних - на 90% відповідно відносно контролю. Нижчий рівень продуктивності вирощування сільськогосподарських культур при застосуванні органічних добрив порівняно з мінеральними пояснюється передусім нижчою врожайністю основної та побічної продукції, а також вищим запасом енергії в ґрунті, тоді як затрати антропогенної енергії тут нижчі відносно варіанту мінеральної системи удобрення, а надходження ФАР - однакове. Звідси витікає висновок про вищу продуктивність застосування мінеральних добрив. Але не враховується дія добрив на показники родючості ґрунту і рівень організації і стійкості самої агроекосистеми, в якій грунт виступає базисом розвитку і перетворення енергії. Підвищення родючості ґрунту збільшує рівень його організації як екосистеми, що в свою чергу забезпечує високу стійкість в умовах різного роду техногенних навантажень. Отже, за залежністю (2) можна зробити висновок про ефективність перетворення сукупної енергії, яку отримує і містить в собі агроекосистема, у енергію сільськогосподарської продукції. В той же час не враховується та частина енергії, яку акумулює в собі агроекосистема і яка забезпечує стабільність її функціонування. Крім того, щоб оцінити, чи величина акумуляції енергії продукцією агроекосистеми перевищує величину затраченої антропогенної енергії, потрібно мати мінімальне значення К_ее, як у залежності (1), де К_ее>1 свідчить про енергетичну ефективність, а К_ее<1 говорить про те, що технологія не є енергетично ефективною і енергоощадною.

Проміжним варіантом в оцінці господарсько-екологічної ефективності технологій і заходів сільськогосподарського виробництва є визначення біологічного коефіцієнта використання енергії:

, (3)

Цей показник свідчить про те, яка частка затрат сумарної антропогенної енергії та енергії ФАР акумулюється і перетворюється агроекосистемою на сільськогосподарську продукцію. Так, проведені розрахунки для варіантів нашого досліду показали, що мінімальний біологічний коефіцієнт використання енергії створюється на контролі і складає 0,0032, тоді як відповідні показники мінеральної та органічної систем застосування добрив перевищують величину контролю на 116% та 88% відповідно. Як бачимо, залежність (3) фактично відображає ті ж закономірності, що і залежність (2). Крім того, в даній залежності відмічено ті ж недоліки, що і в попередній. Ця залежність, як і попередня, може застосовуватися для порівняння енергетичної ефективності сільськогосподарського виробництва в різних грунтово-кліматичних зонах, але вона знову ж таки не має абсолютної точки, яка розмежовувала б енергетично ефективні і неефективні технології.

Важливим кроком в оцінці енергетичної ефективності функціонування агроекосистеми є коефіцієнт енерговіддачі агроекосистеми [1], який розраховують за залежністю:

, (4)

де - витрати антропогенної енергії на відновлення родючості ґрунту та підтримання його енергопотенціалу, МДж/га.

Оскільки головним чинником зміни родючості ґрунту є баланс гумусу, то витрати антропогенної енергії на її відновлення визначаються величиною балансу гумусу. Отже, величина свідчить про здатність агроекосистеми віддавати вкладену в неї енергію у вигляді енергії сільськогосподарської продукції. Якщо >1, то сільськогосподарська технологія є енергетично ефективною, і якщо <1, то дана технологія є енергетично неефективною і затрати енергії на функціонування агроекосистеми і вирощування продукції не покриваються акумульованою у цій продукції енергією. Проте, в цій залежності є одне протиріччя: врожайність сільськогосподарських культур не зростає лінійно вмісту гумусу в грунті. Тому якщо енергія, акумульована в гумусі, є високою, то можливе істотне зменшення величини аж до <1, що говорить про неефективність такої технології з господарсько-енергетичної точки зору. Таке припущення підтверджують і отримані нами дані, згідно яких найвищий коефіцієнт енерговіддачі агроекосистеми відмічається на контролі (=8,68), тоді як на варіанті мінеральної системи удобрення цей показник менший на 46%, а на варіанті органічної системи удобрення - менший на 49% відносно контролю відповідно. Отже, показник не може відігравати роль універсального в енергетичному аналізі господарсько-екологічної ефективності технологій землеробства.

Отже, з метою проведення енергетичної оцінки господарсько-екологічної ефективності технологій землеробства потрібно ввести такий показник, який враховував би наступні особливості сільськогосподарського виробництва і функціонування агроекосистем:

1) джерелами енергії, яка надходить в агроекосистему і спрямовують в ній процеси, є: Сонце (ФАР) і антропогенні джерела енергії (добрива, насіння, енергія людей і машин, що затрачається на вирощування і збирання сільськогосподарської продукції тощо);

2) в агроекосистемі енергія не втрачається, а перетворюється з однієї форми в іншу;

3) агроекосистема перетворює і частково акумулює затрачену на її функціонування енергію у вигляді продукції рослинництва та органічної речовини грунту, а частково - енергія виходить з агроекосистеми у вигляді теплового випромінювання ґрунту, енергії транспірованої води, газів, які виділяє грунт тощо;

4) грунт є базисом розвитку агроекосистеми і невід'ємною ланкою трансформації енергії;

5) рівень енергопотенціалу ґрунту, який бере участь в саморегуляції агроекосистеми, визначається запасами гумусу, із зростанням величини яких агроекосистема підвищує свою стійкість в умовах техногенних навантажень;

6) підвищення стійкості агроекосистеми не завжди супроводжується зростанням її ефективної продуктивності (врожайності сільськогосподарських культур), але забезпечує стабільність її функціонування і усталену продуктивність;

7) завданням сільськогосподарського виробництва є отримання продукції, яка акумулює в собі істотно вищу величину енергії порівняно із тою, яка витрачена із невідновних антропогенних джерел енергії за умови непорушення стабільності функціонування агроекосистеми;

8) оскільки енергія, яка акумулюється в гумусі, затрачається на стабілізацію функціонування агроекосистеми, то вона є корисно затраченою і акумульованою агроекосистемою, тому повинна оцінюватися відповідно;

9) екологічно та енергетично вигідним вкладенням антропогенної енергії є таке, яке дозволяє акумулювати енергію у сільськогосподарській продукції та гумусі (забезпечує позитивний баланс гумусу в ґрунті);

10) енергетичний коефіцієнт господарсько-екологічної ефективності технології сільськогосподарського виробництва повинен враховувати господарську і екологічну вигоду від затрат антропогенної енергії і чітко розмежовувати своєю величиною ефективні і неефективні технології.

З огляду на зазначені особливості функціонування агроекосистем та потоки енергії в них для порівняльної оцінки ефективності технологій вирощування сільськогосподарських культур в різних грунтово-кліматичних умовах ми рекомендуємо застосовувати коефіцієнт біологічної акумуляції природної енергії агроекосистеми, який встановлюється за залежністю:

, (5)

В чисельнику залежності (5) показано величину енергії, яка акумулюється в агроекосистемі (менша частина енергії зосереджується в органічній речовині ґрунту, а більша частина - в продукції рослинництва. Якщо не вилучати господарську цінну продукцію, то вся сума цієї енергії буде забезпечувати функціонування агроекосистеми і підвищувати її стабільність, що є позитивним фактором відтворення родючості ґрунту. В знаменнику показано величину сукупної природної енергії, яку використовує агроекосистема для свого функціонування. В різних грунтово-кліматичних зонах ця величина буде суттєво відрізнятися. Так, відповідні розрахунки показали, що величина для варіанту контролю становить 0,0028, тоді як на варіанті N₆₀P₆₀K₁₂₀ цей показник сягає 0,0069 і перевищує контроль на 146%, а на варіанті (гній - 8,9 т/га) відповідно 0,0062, що більше контролю на 121%. В даному випадку величина тісно пов'язана з врожайністю сільськогосподарських культур та показниками природно-кліматичних умов. Тому залежність (5) рекомендується саме для порівняння ефективності вирощування тої чи іншої сільськогосподарської культури в різних грунтово-кліматичних умовах.

Щоб оцінити ефективність впровадження якоїсь агротехнології чи агрозаходу при вирощуванні певних сільськогосподарських культур слід використовувати додатково коефіцієнт біологічної акумуляції антропогенної енергії агроекосистеми, який розраховується за залежністю:

, (6)

Величина вказує на ефективність використання одиниці антропогенної енергії агроекосистемою. Якщо >1, то технологія характеризується як екологічно та енергетично ефективна. Якщо <1, то технологія є екологічно та енергетично невигідною. Даний показник може оцінювати як технології вирощування сільськогосподарських культур з метою отримання продукції, так і природоохоронні технології, головним завданням яких є відтворення родючості ґрунту, що не дозволяли робити наведені вище показники. При цьому найбільш енергетично вигідним варіантом є той, який поєднує в собі як господарську, так і екологічну ефективність. Це підтверджується нашими розрахунками.

Так, встановлені величини показали, що вирощування сільськогосподарських культур в сівозміні на дерново-карбонатних ґрунтах є екологічно та енергетично вигідним. На контролі величина становила 4,13, тоді як при застосуванні мінеральних добрив даний показник зріс на 20%, а органічних - на 46% відповідно. В останньому випадку таке високе значення показника забезпечив позитивний баланс гумусу в сівозміні, який сягнув 2,14 т/га за ротацію сівозміни.

Висновки

1. Аналіз енергетичної ефективності вирощування сільськогосподарських культур польової дев'ятипільної сівозміни на дерново-карбонатних ґрунтах за існуючими показниками енергетичної ефективності показав, що для одночасної енергетичної оцінки господарської та екологічної ефективності сільськогосподарських технологій цих показників недостатньо, тому існує потреба у пошуку нових універсальних показників.

2. З метою енергетичної оцінки господарсько-екологічної ефективності впровадження сільськогосподарських технологій та природоохоронних заходів рекомендуємо застосовувати коефіцієнт біологічної акумуляції антропогенної енергії агроекосистеми, який оцінює одночасно ефективність вирощування сільськогосподарських культур та відтворення родючості ґрунту.

3. Для порівняння ефективності технологій вирощування сільськогосподарських культур в різних грунтово-кліматичних умовах рекомендуємо застосовувати коефіцієнт біологічної акумуляції природної енергії агроекосистеми. В залежності від поставленого завдання запропоновані нами коефіцієнти можуть використовуватися окремо, а можуть і доповнювати один одного, не дублюючи результатів.

Література

агроекосистема ґрунт родючість продуктивність

1. Агроекологія: Навч. посібник / О.Ф. Смаглій, А.Т. Карда шов, П.В. Литвак та ін. - К.: Вища освіта. - 2006. - 617 с.

2. Агрохимические методы исследования почв / АН СССР. Почвенный институт им. В.В. Докучаева. - 4-е изд. - М.: Наука. - 1965. - 436 с.

3. Доспехов Б.П. Методика полевого опыта. -М., Колос, 1973, -322 с.

4. Медведовський О.К., Іваненко П.І., Енергетичний аналіз інтенсивних технологій в сільськогосподарському виробництві. - К.: Урожай. - 1988 . - 208 с.

5. Тараріко Ю.О. Енергетична оцінка систем землеробства і технологій вирощування сільськогосподарських культур: Методичні рекомендації. - К.: Нора-прінт. - 2001. - 60 с.

Размещено на Allbest.ru