Перспективы использования принципов "зеленой экономики" в сельском хозяйстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

26

ПEРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИНЦИПОВ «ЗЕЛЕНОЙ ЭКОНОМИКИ» В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Гусев Е.М.

Институт водных проблем Российской

академии наук, Москва, Россия



Аннотация

На основе теории диссипативных систем показано, что эволюция диссипативных структур на Земле, к которым относятся в том числе и живые организмы, и надорганизменные системы, на современном этапе голоцена подчиняется принципу минимума производства энтропии И. Пригожина, при действии которого человечество находится в ситуации необходимости и неизбежности рационального использования доступных ему ресурсов. Поэтому за последние десятилетия сформировалась так называемая «зелёная экономика» - направление в экономической науке, в рамках которого экономика выступает зависимым компонентом природной среды, в пределах которой она существует и является ее частью. Показано, что в разных регионах планеты в области сельского хозяйства и связанного с ним сектора водного хозяйства расширяется использование «зелёного земледелия», в значительной мере компенсирующего растущие вызовы продовольственной и водной безопасности населения. При этом его фундаментом служат ресурсосберегающие природоподобные (nature-based) технологии использования человеком природных ресурсов. В качестве иллюстрации к полученным теоретическим выводам продемонстрировано, что минимальная обработка почвы с мульчированием ее поверхности пожнивными остатками (являющаяся элементом “зеленой экономика” в земледелии) может рассматриваться в качестве наиболее перспективной агротехнологии при стратегическом планировании развития зернового земледелия в районах степного Крыма.

Ключевые слова: принцип Циглера, принцип Пригожина, зелёное земледелие, no-till технологии, мульчирование.

Based on the theory of dissipative systems, it is shown that the evolution of dissipative structures on Earth, which include living organisms and superorganism systems, at the present stage of the Holocene goes under the principle of minimum entropy production by I. Prigogine, under the action of which mankind is in a situation of the need and the inevitability of rational use of the available resources. Therefore, in recent decades, the so-called “green economy” has emerged - a direction in economic science, within which the economy acts as a dependent component of the natural environment within which it exists and is a part of it. It was shown that the use of “green farming” is expanding in different regions of the planet in the field of agriculture and the related water sector, which largely compensates for the growing challenges to food and water security of the population. At the same time, resource-saving nature-based technologies for human use of natural resources are its foundation. As an illustration of the theoretical findings, it was demonstrated that minimal tillage with mulching of its surface with crop residues (which is an element of the green economy in agriculture) can be considered as the most promising agricultural technology for strategic planning of the development of grain farming in the steppe Crimea.

Keywords: Ziegler principle, Prigogine principle, green farming, no-till technology, mulching.



Введение

Резкое ухудшение состояния окружающей среды, вызванное ускорившимся в последние десятилетия потреблением человеческим сообществом природных ресурсов, сказалась и на безопасности существования самого человека на Земле. Начиная с эпохи шумеров мир постепенно превращался в антропогенную, часто называемую «серой» [1], [2], инфраструктуру использования природных ресурсов и управления ими. В настоящее время проблемы экологической безопасности усугубляются многогранными последствиями изменения климата в различных областях взаимодействия человека с окружающей средой. Ухудшения состояния наземных экосистем является основной причиной роста проблем, связанных с управлением и использованием самых различных природных ресурсов планеты. Сказанное относится ко всем сферам хозяйственной деятельности человека, включая сельское и водное хозяйства. Хотя около 30% территории суши остается покрытой лесом, по крайней мере две трети этой территории находятся в деградированном состоянии [3]. В частности, состояние большинства почвенных ресурсов сельскохозяйственных угодий оценивается как посредственное, плохое или очень плохое, а нынешние оценки прогнозируют его дальнейшее ухудшение, что окажет серьезное негативное воздействие на круговорот воды в природе в результате роста интенсивности испарения, уменьшения запасов почвенных вод и увеличения склонового стока, сопровождаемого усилением эрозии [3].

Поэтому и в сельском хозяйстве, и в связанном с ним секторе водного хозяйства необходимы новые технологии использования природных ресурсов, уменьшающие отрицательное воздействие человека на окружающую среду. Эти технологии должны быть направлены на поддержание здоровых экосистем, что напрямую ведет к повышению экологической безопасности для всех организмов планеты, включая и человека.

В литературе (ряд работ приведен в [4]), многочисленных программных документах международных организаций [3], [5], на различных международных конференциях и симпозиумах (например, на XII Международном форуме «Зеленая экономика», проходившем 21-23 Мая 2018 г. в С.-Петербурге [6]) все чаще обсуждается необходимость перехода в различных областях человеческой деятельности от традиционных так называемых ”серых” технологий управления природными ресурсами, жестко ориентированным только на сиюминутную экономическую целесообразность, на нетрадиционные (природоохранные, природоподобные, nature-based, “green” [2]) технологии.

Ориентацию на максимизацию использования потенциала природы подтверждает и представленный в 2018 году Всемирный доклад Организации Объединенных Наций о состоянии водных ресурсов [3], в котором говорится, что человечеству нужны новые решения для управления водными и другими ресурсами, чтобы компенсировать растущие вызовы экологической безопасности в условиях роста населения и изменения климата, и эти решения должны ориентироваться на возможности использования естественных процессов, которые регулируют круговороты веществ на планете. «Это не просто хорошая идея (что, конечно, так и есть) [3, C. VI]», а важный шаг на пути преодоления растущих вызовов водной, продовольственной и энергетической безопасности человечества в условиях роста населения и изменения климата.

Данное обстоятельство подчеркивает необходимость перехода к принципам и технологиям так называемой «зеленой экономики» [6] ? направлению в экономической науке, сложившемуся за последние два десятилетия, в рамках которого считается, что экономика является зависимым компонентом природной среды, в пределах которой она существует и является ее частью. Теория «зелёной экономики» базируется на следующих постулатах: невозможно бесконечно расширять сферу влияния в ограниченном пространстве, невозможно требовать удовлетворения бесконечно растущих потребностей человека в условиях ограниченности ресурсов, в своей реализации эти технологии должны использовать принципы и закономерности, заложенные природой и доказавшие свою эффективность сотнями миллионов лет существования жизни на Земле.

Необходимость перехода человечества на nature-based технологии осознана им на эмпирической основе. В связи со этим цель настоящей работы ? теоретически подтвердить не просто необходимость, а неизбежность разработки человеком технологий “зеленой экономики”, рассмотреть перспективы их применения в сельскохозяйственных экосистемах («зеленое земледелие»), существование которых, в свою очередь, неразрывно связано с использованием водных ресурсов суши, показать степень применения этих технологий на планете и, в качестве примера, продемонстрировать перспективы использования подобных технологий в агроэкосистемах степного Крыма.

В статье решаются такие задачи как:

(а) обоснование на основе теории диссипативных структур неизбежности перехода от технологий природопользования, ориентированных на принцип Г.Циглера, на технологии, ориентированные на принцип И.Пригожина;

(б) обоснование связи “зеленой экономики” и природоподобных технологий;

(в) демонстрация наступления на планете нового этапа в земледелии ? развития no-till технологий;

(г) оценка эффективности применения различных агротехнологий при выращивании зерновых культур в степной части Крыма с использованием энергетических критериев.



Методы и принципы исследования

Используемые в работе методы исследований соответствовали указанным выше задачам. Для решения задач (а) и (б) использовались методы теории диссипативных структур. Эти методы, применимые для любых диссипативных систем (к которым относятся и живые структуры), позволили на физической основе провести анализ экологических процессов, связанных с технологиями природопользования, и показать неизбежность использования человеческой цивилизацией природоподобных (nature-based) технологий. Решение задачи (в) основывалось на анализе большого количества литературных материалов, посвященных эволюции технологий земледелия на планете. Данный анализ позволил подтвердить теоретические выводы. вытекающие из решения задач (а) и (б). Для решения задачи (г) использовалась созданная ранее авторами настоящей статьи концепция энергетической оценки эффективности различных приемов обработки почвы, а также разработанная авторами модель тепловлагобмена в агроэкосистемах MULCH, воспроизводящая процессы формирование водного режима на сельскохозяйственных полях, покрытых слоем соломенной мульчи. При этом для расчетов водного режима агроценозов были использованы данные стандартных метеорологических наблюдений и характеристик почвы на агрометеорологических станциях степного Крыма. В последующих разделах приведены согласно представленному выше списку задач полученные результаты и параллельно проведено их обсуждение.

Переход от технологий природопользования, ориентированных на принцип Г.Циглера, на технологии, ориентированные на принцип И.Пригожина

В [4] показано, что эволюция диссипативных структур на Земле, к которым относятся в том числе и живые организмы, и надорганизменные системы, подчиняется фундаментальному принципу - принципу максимального производства энтропии Г.Циглера [7]. Согласно этому принципу, те биологические виды или надорганизменные структуры, которые наилучшим образом (при прочих равных условиях) утилизируют порции потока доступной энергии для роста и существования, будут увеличивать распространение и численность, что приводит к увеличению потока энергии через систему. При этом, естественно, увеличивается и диссипация энергии, а значит, и производство системой энтропии. И пока запасы приходящей доступной энергии не истощаться, эволюция идет по пути максимизации производства энтропии [8], [9].

В этот период формируются наиболее конкурентоспособные диссипативные структуры (как, например, человеческая популяция на Земле в период голоцена). Но как только вся доступная энергия будет использована, относительно быстрые эволюционные изменения сменяются относительно медленными процессами оптимизации гомеостазиса возникших структур. Эти процессы будут ориентированы на снижение потерь при преобразовании приходящей энергии в энергию полезную для возникших структур. Соответственно, начнется минимизация и производства энтропии. На этом этапе главным становится частный случай MEPP ? принцип минимума производства энтропии И. Пригожина [8], [9], [10] ? кажущегося «антипода» MEPP. В действительности противоречий между двумя этими полярными формулировками не существует. Принцип Г. Циглера представляет собой более общее требование, справедливое для нестационарных систем, эволюционирующих к своему относительно стационарному состоянию, а принцип Пригожина сформулирован для систем, находящихся в стационарном неравновесном состоянии. «Когда система эволюционирует к своему стационарному состоянию, подчиняясь принципу максимума производства энтропии, величина этого максимума приращения энтропии с каждым последующим шагом уменьшается. Минимум производства энтропии И. Пригожина, по существу, означает - минимакс в цепочке уменьшающихся максимумов ее приращений на каждом последующем шаге эволюции» [9, C. 16].

Человечество на современном этапе голоцена оказалось именно в ситуации действия принципа И. Пригожина ? ситуации необходимости и неизбежности рационального использования им доступных ресурсов, включая области сельского хозяйства и связанного с ним сектора водного хозяйства.

«Зеленая экономика» и природоподобные технологии

Указанная ситуация ведет к переходу от традиционных так называемых «серых» (“gray”) технологий управления природными ресурсами, ориентированных только на сиюминутную экономическую целесообразность, на нетрадиционные (природоохранные, природоподобные, nature-based) технологии (“green technology” [2]). Технологии, основанные на использовании природных или близких к ним процессах, обеспечивают меньшее производство энтропии, чем созданные разумом человека техногенные «серые» технологии, поскольку природные процессы с точки зрения минимума производства энтропии И. Пригожина уже были оптимизированы Природой в конце предыдущего шага эволюции Земли (в отсутствии человека). Поэтому на данном этапе голоцена, когда ресурсы доступной человечеству (в настоящее время наиболее активной диссипативной структуры планеты) энергии истощаются и на первый план выходит рационализация использования этих ресурсов, неизбежно появление технологий, ориентированных на постулат классика экологии Б. Коммонера - «природа знает лучше» [11, C. 29].

Развитие no-till технологий в земледелии

Таким образом, в XX в. начался новый этап в эволюции такой диссипативной структуры на планете как человеческая популяция. Произошел закономерный переход стратегии ее развития, основанной на принципе максимума производства энтропии Циглера, к стратегии минимума производства энтропии Пригожина, в основе которого лежит рационализация использования диссипативной структуры доступных ресурсов. Фундаментом указанной рационализации служат природоподобные (nature-based) [3], [4] технологии использования человеком природных ресурсов. В частности, в земледелии начался переход на так называемые нетрадиционные (природоподобные, адаптивные, почвозащитные, природоохранные, минимальные, нулевые, зеленые (“green”), no-till технологии обработки почвы) [12], [13].

Традиционные технологии энергозатратной плужной обработки почвы связаны с оборотом ее пласта, но почва - это в первую очередь разнородные слои земли. При обороте пласта те бактерии (аэробные), которые могут жить только в верхнем слое, оказываются внизу, а те бактерии, которые существуют в глубине почвы (анаэробные), попадают наверх и также гибнут. А ведь все эти бактерии своей жизнедеятельностью обеспечивают плодородие почвы, накопление в ней гумуса [14]. Великий русский аграрий Иван Евгеньевич Овсинский еще в 1899 году сравнивал разрушительный эффект от плуга для отвальной вспашки с разрушением от артиллерийских снарядов: «Знаменитый Крупп своими снарядами военного разрушения не принес столько вреда человечеству, сколько принесла одна фабрика плугов для глубокой вспашки» [15].

В отличие от плужной обработки почвы no-till технологии характеризуются более экономичными способами ее обработки: частичным или полным отказом от отвальной вспашки, отсутствием вертикального перемешивания пахотного слоя, минимальным нарушением почвенного покрова сельскохозяйственными машинами и обязательным мульчированием почвы (no-till или mulch tillage) с целью сохранения почвенной влаги и уменьшения эрозии почвы. Эти технологии основаны на воспроизведении природных или близких к ним процессов, поскольку связаны с минимальной обработкой почвы (без несвойственного биосфере оборота пласта) в сочетании с мульчированием ее поверхности растительными остатками (заменяющими присутствующий в естественных степных экосистемах растительный войлок, уменьшающий непродуктивное испарение с почвы и ее эрозию [16], [17].

Здесь необходимо отметить, что развитие природоподобных технологий неизбежно связано с достижениями в науке, получаемыми на стыке различных научных дисциплин. Приоритетом научных исследований предыдущих столетий развития человечества был анализ природных процессов, что неизбежно привело к формированию научного мышления, ориентированного на разделение знаний о Природе на множество часто совсем не связанных друг с другом научных направлений. Накопилось множество знаний, которые существуют отдельно друг от друга, что плохо отражает суть Природы. которая едина (она не знает научных дисциплин). Здесь уместно напомнить слова классика квантовой механики Э.Шредингера, который уже более полувека тому назад написал: «Мы унаследовали от наших предков острое стремление к цельному, всеобъемлющему знанию. <…> Но расширение и углубление разнообразных отраслей знания в течение последних 100 с лишним лет поставило нас перед странной дилеммой. С одной стороны, мы чувствуем, что только теперь начинаем приобретать надежный материал для того, чтобы свести в единое целое все до сих пор известное, а с другой стороны, становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем одной небольшой специальной частью науки. Я не вижу выхода из этого положения (чтобы при этом наша основная цель не оказалась потерянной навсегда), если кто-то из нас не рискнет взяться за синтез фактов и теорий, хотя наше знание в некоторых областях неполно и получено из вторых рук, и хотя мы можем подвергнуться опасности показаться невеждами» [18, C.13].

Таким образом подошло время приоритета синтетического мышления как в науке, так и в практике. Развитие природоподобных технологий (ориентированных на целостность Природы) ? неизбежность будущего взаимодействия человека с окружающей средой.

Система нулевой обработки почвы (no-till - «не пахать» ? отсутствие вмешательства в естественные процессы почвообразования) - современная система земледелия, при которой почва не обрабатывается, а её поверхность укрывается своеобразным «одеялом» специально измельчённых остатков растений -- мульчей. В различных регионах планеты внедряется технология прямого посева “no-till” и мульчирования, при этом используют мелкое, поверхностное рыхление или даже полный отказ от обработки почвы [13], [16].

Сегодня no-till технология (рис. 1) применяется в хозяйствах от северного полярного круга (Финляндия) до 50^оС южной широты (Фолкленские и Мальдивские острова); на равнинах и на высоте до 3000 м над уровнем моря (Колумбия, Боливия); от территорий повышенной влажности (Бразилия, Чили) до крайне засушливых зон (Западная Австралия). Но в разных странах степень ее применения различна.

Рис. 1 - Пример ресурсосберегающей no-till обработки почвы: посев без вспашки по мульче (- URL: http://www.quazoo.com/q/Strip-till)



В наибольшей мере в настоящее время природоподобная no-nill технология используется фермерами-механизаторами в Южной Америке: на 45% посевной площади в Бразилии, 80% -- в Аргентине и 60% -- в Парагвае, а также в Австралии, где на нулевую систему перешли 70% фермеров [13], [19]. Аргентина, Парагвай и Австралия -- лидирующие страны в мире по проценту внедрения метода no-till. В США лишь около 17% общей посевной площади занято под no-till обработку почвы [19], [20].

Перспективы применения «зеленого земледелия» в России

В Европе, Африке и Азии по сравнению с американскими континентами устойчивая производственная система по сбережению природных ресурсов no-till пока применяется в небольшой степени. На постсоветстском пространстве относительно широко технология no-till применяется лишь в Казахстане, обеспечивая его качественным зерном твердых сортов пшеницы. В России в настоящее время темпы перехода на no-till технологии весьма скромные. Для указанного перехода необходима или централизованная государственная программа, или оперативная реакции самих сельскохозяйственных производителей (включая работу ученых, фермеров, представителей бизнеса и создателей оборудования для no-till). По разным причинам (в первую очередь в силу сырьевой стратегии социально- экономического развития страны) ни того, ни другого в России нет. Поэтому в России технология no-till используется лишь фрагментарно в Башкортостане, Зауралье, на Алтае, в Южной Сибири, тем не менее демонстрируя в большинстве случаев неплохие результаты [21], [22].

Несмотря на небольшой опыт применения в России no-till технологий, многие специалисты в области земледелия считают, что использование nature-based технологий в ней все же неизбежно будет расширяться [12], [21], [30]. В связи с отсутствием в стране длительных полевых исследований (~ 20 ? 30 лет) по использованию нулевой технологии, перспективы использования no-till в России можно оценить лишь теоретически.

В частности, в [23], [24] было показано, что экологически более обоснованная и более природоподобная агротехнология, связанная с минимальной обработкой почвы в сочетании с мульчированием ее поверхности растительными остатками, в районах степной и лесостепной зон Европейской части России оказывается дешевле использования агрессивной по отношению к биосфере традиционной агротехнологии, основанной на глубокой вспашке (связанной, как правило, с оборотом пласта) и применении орошения (приводящего к нарушению естественных структур гидрологического цикла).

Энергетические критерии эффективности применения различных агротехнологий при выращивании зерновых культур в степной части Крыма

В данной работе рассмотрен еще один пример эффективности использования ресурсосберегающей природоподобной технологии в степной части Крымского полуострова. При этом критерием качества оценки технологии служила ее энергетическая эффективность. В силу специфики водообеспеченности Крыма, обусловленной тем, что в настоящее время бульшая часть посевных площадей степной части полуострова находится на богаре в силу перекрытия 2014 г. Украиной поступления днепровской воды в Северо-Крымский канал, были рассмотрены технологии обработки почвы только в отсутствии орошения.

Объектом исследования явились посевы озимой пшеницы в степной части Крымского полуострова [25]. Была проведена сравнительная оценка двух типов обработки почвы: традиционной отвальной вспашки и no-till технологии с мульчированием в сочетании с мульчированием поверхности почвы растительными остатками. Эффективности агротехнологий оценивались для посевов озимой пшеницы с использованием данных метеорологических наблюдений за 1970?1989 гг. четырех агрометеорологических станций (Ишунь, Черноморское, Клепилино, Нижнегорск) (рис.2). Физико-географические условия как по климату, так и по типам почв в районах этих станций достаточно близки..

Следует отметить, что методы расчета водного режима посевов с использованием мульчирования рассматриваются и в ряде зарубежных работ. Однако, эти работы, как правило, основаны на концептуальных или эмпирических подходах, не позволяющих систематизировать полученные результаты и обобщать их для разных природных условий. В отличие от указанных работ, в настоящем исследовании основным методическим инструментом исследования водного режима посевов являлась разработанная авторами модель физико-математическая тепловлагобмена в агроэкосистемах MULCH [26]. Подробное описание модели MULCH, воспроизводящей процессы формирование водного режима на сельскохозяйственных полях, покрытых слоем соломенной мульчи, представлено в работе [17]. Модель позволяет рассчитывать динамику составляющих водного баланса в корнеобитаемом слое почвы (его глубина была принята равной 1 м), а также урожайность посевов с суточных временным шагом для периода от таяния снежного покрова до момента возникновения отрицательных температур воздуха.

Рис. 2 - Расположение агрометеорологических станций Крыма (серые кружки), данные наблюдений которых использованы в работе [25]



Что касается эффективности того или иного технологического приема, то обычно основой ее оценки служит отношение получаемого на выходе эффекта к приложенным затратам. В принципе для этой цели могут быть использованы экономические оценки, при которых как выходные, так и затратные характеристики выражены в денежных единицах. Однако, экономические показатели в силу антропоцентристской основы субъективны, конъюнктурны и нестабильны. С нашей точки зрения при оценке эффективности тех или иных приемов земледелия более приемлемым является общеэкологический энергетический подход, развитый в работах [17], [27], [28]. Здесь мы используем разработанный авторами подход, описанный в [17].

При его использовании автотрофные растительные сообщества Земли рассматриваются в качестве преобразователей солнечной энергии в энергию химических соединений их тканей. Земледелие при этом выступает одновременно как в качестве потребителя поступающей в агроэкосистему энергии (связанной с приходящей солнечной радиацией E_sn и с различными источниками антропогенной энергии E_in), так и в качестве ее производителя в форме химической энергии продуктов питания и органического сырья E_out. Указанная выше совокупная антропогенная энергия E_in складывается из энергетических затрат, израсходованных на технологические процессы по выращиванию и сбору урожая, на производство и эксплуатацию техники и оборудования, их амортизацию, капитальные вложения, ирригацию, получение топлива, минеральных удобрений и т. п.

Кроме того, использование той или иной технологии обработки почвы, меняет ее энергетическое содержание, приводя к уменьшению или увеличению в зависимости от используемой технологии содержания органического вещества (гумуса) в почве. Именно содержание гумуса, в значительной мере определяя плодородие почвы и, соответственно, условия фотосинтетического использования растительным покровом солнечной радиации и производства первичной органической продукции, напрямую связано с почвенной энергетикой.

В этом случае оценка эффективности используемой технологии производится на основе учета не только выхода продукции в данный момент, но и перспектив рассматриваемой технологии в отношении сохранения почвенного плодородия. Один из вариантов такого критерия оценки эффективности соответствующей технологии K может быть представлен в виде [17]:

(1)

где ? изменение за соответствующий временной интервал (например, за год) энергии почвенного покрова.

Суммарные затраты антропогенной энергии E_in при производстве различных сельскохозяйственных культур определяются многими факторами, как природными, так и экономико-технологическими, что приводит к значительной изменчивости этих затрат в разных районах мира. В российских исследованиях затраты антропогенной энергии в сельскохозяйственном производстве часто подразделяют на прямые и косвенные [27]. К прямым затратам (непосредственно связанным с осуществлением сельскохозяйственных работ) относятся трудовые затраты, расходы топлива и смазочных материалов, затраты, связанные с эксплуатацией и ремонтом автотранспорта и сельскохозяйственной техники, внесением удобрений, посевом семян, расходы на проведение ирригационных работ. К косвенным ? энергетические затраты, связанные с изготовлением сельскохозяйственных машин и оборудования, получением посевного материала, производством топлива, удобрений и т.д. По оценкам [27] косвенные затраты составляют 30-50% от прямых.

Как было указано выше, антропогенные затраты зависят как от природных условий, так и от применяющейся агротехники. Замена отвальной вспашки почвы безотвальной обработкой с мульчированием поверхности почвы позволяет экономить энергетические затраты на технологический комплекс работ по выращиванию урожая. Разные источники [29], [30], [31] приводят различные оценки такой экономии. Например, расход дизельного топлива за сезон при возделывании зерновых культур (в среднем по Республике Башкортостан), равен: для традиционной технологии 55-70 л/га, для минимальной технологии 35-50 л/га [22].

Внедрение новых технологий предполагает использование более современной техники, что меняет затраты на приобретение машин при различных системах земледелия. Рассмотрим реальный пример. В сельскохозяйственном предприятии «Агро-Союз» (Украина) при традиционной обработке 10?тыс.?га использовалось 56 тракторов и 88 сельхозмашин, на приобретение которых затрачено 3,32?млн US. При сберегающей технологии на обработку аналогичной площади понадобились лишь один трактор и один посевной комплекс, а инвестиции в расчете на 1?га составили всего 55 US на 1 га, при сберегающей технологии ? 6 долларов на 1 га. В сумме прямые годовые расходы (на ГСМ, с/х технику) ~ равны при традиционной обработке 95 US на 1 га. Полагая, что (как указано выше) косвенные затраты антропогенной энергии в сельскохозяйственном производстве составляют ~ 40 % от прямых расходов при традиционной обработке почвы, получаем, что общие годовые антропогенные расходы ? 135 US на 1 га при сберегающей технологии. Эти значения и были приняты при оценке антропогенных затрат при производстве зерновых на четырех агрометеорологических станций степного Крыма. Полученные значения затрат в долларах/га были с использованием энергетического эквивалента барреля нефти и стоимость нефти, принятой равной 50 $US/баррель, переведены в энергетические расходы E_in в ГДж/га (табл. 1).



Таблица 1 - Энергетические составляющие и энергетическая эффективность при выращивание пшеницы на агрометеорологических станциях степного Крыма при использовании разных технологий обработки почвы

Используемая в уравнении (1) энергия E_out, связанная с выходом конечной продукции, может быть оценена следующим образом:

(2)

где q - калорийность зерна, ГДж/т; Y - хозяйственная урожайность, т/га.

Калорийность зерна, характеризующая удельное содержание энергии в единице массы пшеницы, по различным источникам также колеблется от 12 до 16 ГДж/т [33], [34], [35]. В связи с этим было принято q=15 ГДж/т. Полученные для выбранных станций значения E_out приведены в табл.1.

Перейдем к оценке энергии почвы. Как отмечают исследователи энергетики почвообразовательных процессов [36], [37], основная часть энергии сосредоточена в органическом веществе. Количественные оценки энергии почвы связываются именно с содержанием гумуса в различных типах почв [38]. При этом в литературе имеются сведения об изменениях содержание гумуса при возделывании различных сельскохозяйственных культур в различных районах [39], [40]. Поэтому в данных расчетах учитывалась та часть энергии почвы, которая сосредоточена в гумусе. Эта энергия непосредственно не расходуется на продукционный процесс, но определяет условия связывания растением солнечной энергии.

В естественных экосистемах, находящихся в условиях динамического равновесия, содержание гумуса и, следовательно, энергии почвы, достигает своего максимально возможного в этих условиях значения. При сельскохозяйственном производстве условия формирования почвенного покрова меняются: многообразие растительных сообществ заменяется на монокультуру, часть растительной продукции в виде урожая выносится из экосистемы. В результате сложившееся в естественных условиях равновесие содержания гумуса нарушается, и интенсивность убыли гумуса часто начинает преобладать над интенсивностью его восполнения [27], [30], [40].

Общий баланс количества органического вещества в почве зависит от разности между его поступлением в почву и убылью вследствие его минерализации и выноса (в частности, в результате почвенной эрозии). Таким образом, годовое изменение энергии в почве Д E_s можно оценить в соответствии со следующим уравнением:

(3)

где Q - удельное содержание энергии в тонне гумуса, ГДж/т; M_g - интенсивность восполнения гумуса пожнивными остатками и корнями, т/га год; M_m - интенсивность минерализации гумуса, т/га год; M_er - интенсивность потери гумуса в результате эрозионного смыва почвы.

Результаты определения удельного содержания энергии в единице массы гумуса Q немного различаются в различных исследованиях. В данной работе было принято значение Q, равное 23 ГДж/т [41], [42].

Интенсивности гумификации и минерализации органического вещества почвы, зависящие от климатических, биологических, геологических условий, различны и под разными культурами и при различных способах обработки почвы [30], [43], [44]. В частности, при отвальной вспашке на разного типа черноземах и каштановых почвах под культурами сплошного сева, например под пшеницей, в пахотном слое минерализуется гумуса 0.5-1.0 т/га год и восполняется 0.4-0.6 т/га год [40]. Безотвальная обработка почвы с мульчированием снижает скорость минерализации гумуса на ~ 30% [30].

Использование приведенных в отмеченных выше литературных источниках данных об интенсивности процессов минерализации M_m и гумификации M_g для различных почв и агротехнических приемов, позволило оценить суммарные изменения энергии почвы, происходящие в результате указанных процессов при производстве пшеницы для выбранных агрометеорологических станций степного Крыма.

Что касается эрозионных потерь гумуса, то в настоящей работе расчет смыва почвы, необходимый для оценки эрозионного выноса гумуса под воздействием талого стока, проводился по методике [45], [46]. В частности, для расчета стока наносов в период весеннего половодья использовалась зависимость:

(4)

где M_Т - модуль стока наносов за период половодья т/га; h - слой склонового стока за половодье, мм; a, j - параметры, зависящие от типа ручейковой сети; b, k - коэффициенты, учитывающие влияние предшествующей сельскохозяйственной культуры и уклон пашни, соответственно, (согласно [46] для зерновых культур b=0.9, а при уклонах пашни < 10% k=1). К_er - коэффициент, учитывающий влияние противоэрозионных мероприятий.

Для расчета дождевого смыва использовалось так называемое Универсальное уравнение Вишмайера и Смита [47]:



(5)

где M_Д - модуль ливневого смыва, т/га год; D_Э - эрозионный потенциал осадков (ЭПО); ? функция от длины склона L, м, и уклона I, %; П_э - смываемость, эродируемость почвы, т/га на ЭПО; А - безразмерный коэффициент, учитывающий почвозащитные свойства агрофона.

Описанная методика оценки эрозионного почвы применяется достаточно широко, и для нее на экспериментальном материале получены и обобщены основные [48].

Не останавливаясь подробно на всех параметрах уравнений (4) и (5) отметим, что в настоящей работе расчет эрозионного смыва проводился для средних уклонов посевных площадей районов степного Крыма (2-5%). Значения параметра К_er, учитывающего уменьшение эрозии при безотвальной обработке почвы и мульчировании почвы растительными остатками, можно найти в литературных источниках [47], [49], [50]. При использовании мульчирования более 20 лет, когда на почве создается «одеяло» из пожнивных остатков, достигается идеальная ситуация для почвы: высокий круговорот питательных элементов, высокий коэффициент содержания углерода, минимизация непродуктивного испарения почвой, минимизация использования минеральных удобрений для получения урожая и практически полное исключение почвенной эрозии [21], [22]. Поэтому в настоящей работе было принято, что при использовании сберегающей технологии эрозия отсутствует (К_er=0).

Интенсивность потери гумуса в результате эрозионного смыва почвы M_er оценивалась как СM_С, где M_С - суммарный годовой смыв почвы под действием эрозии, являющейся суммой дождевого M_Д и талого M_Т смыва, С - относительное содержание гумуса в почве. Данные по последней характеристике для различных типов почв были взяты из [51] и принимались равными в диапазоне 2-3% для выбранных агрометеорологических станций.

После оценки составляющих годового изменения энергии в почве для используемых агротехнологий в районах выбранных станций Крыма были рассчитаны характерные значения суммарной величины Д E_s (табл.1).

Полученные для выбранных станций данные по статьям энергетического баланса E_in, E_out и Д E_s для рассмотренных агротехнологий, применяемых при производстве пшеницы, позволили на основе уравнения (1) рассчитать энергетическую эффективность К этих технологий при их использовании на агрометеорологических станциях степного Крыма. Необходимые данные по среднему урожаю пшеницы при оптимальной толщине мульчирующего покрытия (? 4-5 см) при этом были также были получены на основе модельных расчетов [25]. Результаты расчетов К приведены на рис.3. Анализ этих результатов позволяет сделать следующие заключения.

Как видно из табл. 1, антропогенные затраты энергии при использовании минимальной обработки почвы с мульчированием на треть ниже антропогенных затрат при традиционной отвальной вспашке. Энергетический выход с урожаем зерна в среднем на 10% выше для минимальной обработки почвы. Изменение за год энергии почвенного покрова значительно отличается для двух технологий, прежде всего за счет различия в эрозионных потерях. При использовании традиционной отвальной вспашки плодородие почвы уменьшается, при сберегающей технологии обработки почвы, наоборот, увеличивается. Все это приводит к тому, что для степных районов Крыма энергетическая эффективность К минимальной обработки почвы с мульчированием в 2?3 раза выше энергетической эффективности использования традиционной отвальной вспашки (рис. 3). Отметим однако, что полученные результаты прогнозируются для долговременного (15 ? 20 лет) использования технологии минимальной обработки почвы с мульчированием. Таким образом, минимальная обработка почвы может рассматриваться в качестве наиболее перспективной при стратегическом планировании развития зернового земледелия в рассмотренном регионе.

Рис. 3 - Энергетическая эффективность использовании разных технологий обработки почвы .при выращивании пшеницы на агрометеорологических станциях степного Крыма (результаты усреднены по периоду проведения расчетов: 1970-1989 гг.)



Выводы

1. Показано, что человечество на современном этапе голоцена оказалось в ситуации действия принципа И. Пригожина ? ситуации необходимости и неизбежности рационального использования им доступных ресурсов, включая области сельского хозяйства и связанного с ним сектора водного хозяйства. Данное обстоятельство неизбежно ведет к использованию человечеством стратегии «зеленого земледелия». Проявляется это в переходе в сельском хозяйстве от традиционных, так называемых «серых» технологий управления природными ресурсами, жестко ориентированных только на сиюминутную экономическую целесообразность, на нетрадиционные (ресурсосберегающие, природоохранные, природоподобные, “nature-based”, “green”) технологии.

2. Продемонстрировано, что в XX в. начался новый этап в эволюции такой диссипативной структуры на планете как человеческая популяция. Уже в настоящее время использование в земледелии природоподобных no-till технологий становится все более широким. No-till земледелие является долгосрочным видом ресурсосбережения. При грамотном его осуществлении существенно повышается эффективность производства, удается достичь максимальных показателей минимизации затрат, сокращения ущерба экономике и экологии.

3. В качестве иллюстрации к полученным теоретическим выводам представлены результаты модельной оценки энергетической эффективности использовании разных технологий обработки почвы при выращивании пшеницы на агрометеорологических станциях степного Крыма. Проведено сопоставление двух агротехнологий: традиционной отвальной вспашки и минимальной обработки почвы с мульчированием ее поверхности пожнивными остатками. Показано, что антропогенные затраты энергии при использовании минимальной обработки почвы с мульчированием на треть ниже антропогенных затрат при традиционной отвальной вспашке. При этом энергетический выход с урожаем зерна примерно в среднем на 10% выше для минимальной обработки почвы. Изменение за год энергии почвенного покрова значительно отличается для двух технологий, прежде всего за счет различия в эрозионных потерях. При использовании традиционной отвальной вспашки плодородие почвы уменьшается, при сберегающей технологии обработки почвы, наоборот, увеличивается. Это приводит к тому, что для степных районов Крыма энергетическая эффективность долговременного применения минимальной обработки почвы с мульчированием в 2 ? 3 раза выше энергетической эффективности использования традиционной отвальной вспашки. Таким образом, минимальная или no-till обработка почвы с мульчированием может рассматриваться в качестве наиболее перспективной при стратегическом долгосрочном планировании развития зернового земледелия в рассмотренном регионе.

диссипативная структура ресурсосбережение зеленая экономика



Список литературы

1.Building a Green Infrastructure for Europe / European Commission. ? Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2013. ? 24 p.

2.Palmer, M.A. Water security: Gray or green? [Текст] / M.A. Palmer, J. Liu, J.H. Matthews, M. Mumba, P. D'Odorico // Science. ? V. 349. ? P. 584?585. doi: 10.1126/science.aac7778.

3.The United Nations World Water Development Report 2018: Nature-Based Solutions for Water [Текст] / WWAP (United Nations World Water Assessment Programme)/UN-Water. ? Paris: UNESCO, 2018. ? 139 p.

4.Gusev E.M. Inevitability and Prospects of the Use of the “Green Farming” Strategy by Humanity E.M. Gusev // Arid Ecosystems. ? 2019. V.9. ? N.3. ? P.143-149. doi: 10.1134/S2079096119030041.

5.Sustainable Management of Water Resources in Agriculture [Текст] / Paris: OECD publishing, 2010. ? 120 p.

6.XII Международный форум «Зеленая экономика». 21-23 Мая 2018 г. РФ, С.-Петербург [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://biotech2030.ru/21-23-maya-2018-xii-mezhdunarodnyj-forum-zelenaya-ekonomika/ (дата обращения: 05.08.2019).

7.Циглер, Г. Экстремальные принципы термодинамики необратимых процессов и механика сплошной среды [Текст] / Г. Циглер. ? М.: Мир, 1966. ? 136 с.

8.Мартюшев, Л.М. Принцип максимальности производства энтропии в физике и смежных областях [Текст] / Л.М. Мартюшев, В.Д. Селезнев. ? Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. ? 83 с.

9.Делас, Н.И. Принцип максимальности производства энтропии в эволюции экосистем: некоторые новые результаты [Текст] / Н.И. Делас // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. ? 2014. ? V.6. ? N.4(72). ? C.16-23. doi: 10.15587/1729-4061.2014.31345.

10.Пригожин, И. Введение в термодинамику неравновесных процессов [Текст] / И. Пригожин // М.: Издательство иностранной литературы, 1960. ? 127 с.

11.Коммонер, Б. Замыкающийся круг [Текст] / Б. Коммонер // Л.: Гидрометеоиздат, 1974. ? 274 с.

12.Мареев М.А. No-till - время пришло [Электронный ресурс] / - URL: http://www.tambov-apk.ru/articles/3519/ (дата обращения: 25.08.2019).

13.Hall A. The greening of agriculture. Agricultural innovation and sustainable growth [Текст] / A. Hall, K. Dorai. - Brighton. United Kingdom: Link Limited, 2010. - 60 p.

14.Шпаковский Н.А. Эволюция технологии обработки почвы [Электронный ресурс] / - URL: www.loplosh.ru/article/articles-about-agriculture/evolution-of-technologies-of- tillage.html (дата обращения: 27.06.2019).

15.Крылов C. Почему не надо пахать землю [Электронный ресурс] / - URL: https://lavkagazeta.com/otvetstvennost/pochemu-ne-nado-pahat-zemlyu/ (дата обращения: 17.09.2019)..

16.Сельскохозяйственные экосистемы [Текст] / под ред. Л.О. Карпачевского. - М.: Агропромиздат, 1987. - 224 с.

17.Гусев Е.М. Ресурсы почвенных вод и экология наземного растительного покрова. Концепции, эксперимент, расчеты [Текст] / Е.М. Гусев // Saarbrьcken: Palmarium Academic Publishing, 2012. - 116 с.

18.Шредингер Э. Что такое жизнь? [Текст] / Э. Шредингер // М.: Атомиздат, 1972. - 88 с.

19.Так что же было раньше: обработка или «ноль»? [Электронный ресурс] / - URL: http://agrotehnology.com/no-till/teoriya/tak-chto-zhe-bylo-ranshe-obrabotka-ili-nol (дата обращения: 10.08.2019).

20.Прямой посев: южноамериканская и австралийская модель. [Электронный ресурс] / - URL: http://agropraktik.ru/blog/Direct_seed/1029.html (дата обращения: 18.07.2019).

21.Сафин Х.М. Технология Nо-till в системе сберегающего земледелия: теория и практика внедрения [Текст] / Х.М. Сафин, Л.С. Шварц, Р.С. Фахрисламов // Уфа: Мир печати, 2013. - 72 с.

22.No-till сберегает почву и деньги крестьянина [Электронный ресурс] / - URL: https://apc-intech.ru/no-till-sberegaet-pochvu-i-dengi-krestyanin (дата обращения: 17.08.2019).

23.Гусев Е.М. Влияние различных агротехнологий на формирование водного режима, урожайность, эколого-энергетическую и экономическую эффективность посевов пшеницы в степной и лесостепной зонах Русской равнины [Текст] / Е.М. Гусев, Л.Я. Джоган // Природообустройство. - 2018. - №.3. - C.81-87. doi: 10.26897/1997-6011/2018-3-81-87.

24.Gusev Y.M. Modelling the impact of mulching the soil with plant remains on water regime formation, crop yield and energy costs in agricultural ecosystems [Текст] / Y.M. Gusev, L.Y. Dzhogan, O.N. Nasonova // Proceedings of the International Association of Hydrological Sciences. 2018. - V.376. - P.77-82. doi: 10.5194/piahs-376-77-2018.

25.Gusev Ye.M. Soil Mulching as an Important Element in the Strategy of Using Natural Water Resources in Agroecosystems of the Steppe Crimea [Текст] / Ye.M. Gusev, L.Ya. Dzhogan // Eurasian Soil Science. 2019. - V.52 - N.3. - P.313-318. doi: 10.1134/S1064229319010058.

26.Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2019618725 MULCH. [Текст] / Гусев Е.М., Джоган Л.Я. - Правообладатель: ФГБУ науки Институт водных проблем Российской академии наук (RU); заявл. 14.06.19; опубл. в реестре программ для ЭВМ 03.07.19. Уведомл. о положительном результате проверки заявки на гос рег. програмы для ЭВМ от 10.07.19. - 1 с.

27.Булаткин Г.А. Эколого-энергетические аспекты продуктивности агроценозов [Текст] / Г.А. Булаткин // Пущино: Ин-т почвоведения и фотосинтеза АН СССР, 1986. - 210с.

28.Odum, H.T. Simulation and evaluation with energy system blocks [Текст] / H.T. Odum, N. Peterson // Ecological modelling. 1996. - V.93. - N.1-3. - P.155-173.

29.Гридасов И.И. Технологические и экономические преимущества минимальной обработки почвы [Текст] / И.И. Гридасов // Земледелие. 1997. - №1, - С.6-7.

30.Картамышев Н.И. Принципы создания экологически безопасных технологий обработки почвы [Текст] / Н.И. Картамышев, И.Т Бардунова // Aгроэкологические принципы земледелия / под ред. И.П. Макаровой, А.П. Щербаковой. - М.: Колос, 1993. C.130-167.

31.Максютов Н.А. Когда эффективна минимальная обработка почвы? [Текст] / Н.А. Максютов // Земледелие. 1998. - №1. - С.24-25.

32.Вороновский И.Б. Срок службы сельскохозяйственной техники с учетом экологического фактора [Текст] / И.Б. Вороновский // Збірник наук. праць / ВНАУ. Серія: Економічні науки. - 2012. - №3(69). - Том 2. - С. 56-59.

33.Казаков Е.Д. Биохимия зерна и продуктов его производства [Текст] / Е.Д. Казаков, В.Л. Кретович // М.: Агропромиздат, 1989. - 368 с.

34.Пиментел Д. Затраты энергии в агроэкосистемах [Текст] / Д. Пиментел // Сельскохозяйственные экосистемы / под ред. Л.О. Карпачевского. - М.: Агропромиздат, 1987. - С.119?132.

35.Сельскохозяйственный энциклопедический словарь (ст. Зерно) [Текст]. - М.: Советская энциклопедия, 1989. - С.163?164.

36.Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования [Текст] / В.Р. Волобуев // М.: Наука, 1974. - 128 с.

37.Волобуев В.Р. Оценка продуктивности агропрогнозов с использованием энергетических критериев [Текст] / В.Р Волобуев, Л.А. Бабабекова, Ю.А. Зейналов, Д.Г. Пономарев, З.К. Расулова, П.А. Самедов // Почвоведение. 1982. - №7. - С.83?88.

38.Володин В.М. Экологические основы оценки и использования плодородия почв [Текст] / В.М. Володин // М.: ЦИНАО, 2000. - 334 с.

39.Афанасьева Е.А. Черноземы Средне-Русской возвышенности [Текст] / Е.А. Афанасьева // М.: Наука, 1966. - 224 с.

...