Взаимодействие энергетических и продуктивных потоков в сельскохозяйственном цикле производства семян

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

И ПРОДУКТИВНЫХ ПОТОКОВ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ЦИКЛЕ ПРОИЗВОДСТВА СЕМЯН Цугленок Н.В.

Цугленок Николай Васильевич - член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, вице-президент,

научный руководитель, Восточно-Сибирская ассоциация биотехнологических кластеров, г. Красноярск

Аннотация: в статье приводится теория и практика взаимодействия энергетических и продуктивных потоков в сельскохозяйственном цикле производства семян. Необходимо отметить, что, начиная с периода уборки полученного урожая, все операции послеуборочной обработки зерновых (сушка, сепарация и др.) направлены на увеличение удельного энергосодержания массы семян или зерна е уд. Чем выше энергосодержание семян е0, подготовленных к посеву, тем больше вероятность получения максимальной биомассы растений Мб в процессе их прорастания и вегетации. К сожалению, термин энергосодержания у агрономов определяется в процентах, а не в физической величине, что не позволяет в отобранной пробе семян более точно определить содержание энергии в Джоулях в отдельно каждом семени. Это упущение серьезно влияет на последующую энергопродуктивность при выращивании с/х культур и не позволяет эффективно развивать семеноводство и проводить селекционный отбор каждого наиболее энергетически совершенного семени для последующей их селекции и получения более высоких урожаев в АПК России. Предложенная аналитическая зависимость по определению удельного энергосодержания семян позволяет проанализировать действие двух энергопотоков -экологического и антропогенного - в любом технологическом процессе при их воздействии посредством системы машин

на имеющуюся массу семян Мтахи соответственно ее удельное энергосодержание в любой момент времени цикла. Ключевые слова: энергетические и продуктивные потоки, сельскохозяйственный цикл, производство семян, удельное энергосодержание семян, время цикла.

Для сельских территорий в результате неправильного распределения с/х культур по зональным таежным и подтаежным территориям РФ серьезно пострадала социально-трудовая сфера села [17]. Наши исследования и разработки предполагают для этих территорий другие биоэнергетически совершенные культуры и другие энергоэффективные технологии для того чтобы поднять уровень жизни сельского населения [2; 4; 11; 20; 30].

Наши подходы по разработке биоэнергетической теории и концепции формирование и развитие структуры АПК, ее информационного обеспечения и устойчивого развития растениеводства позволяет в любой зоне сформировать экономически эффективный комплекс производства растениеводческой продукции [7; 12; 22; 25; 26]. Теория энерготехнологического прогнозирования структуры технологических приемов в АПК, позволяет подобрать из них самые энергоэффективные для любых агроэкологических зональных условий [27, 28]. Наши исследования и разработки предполагают для этих территорий другие биоэнергетически совершенные культуры [2; 4; 11; 17; 20; 30] и другие энергоэффективные технологии [3; 5; 8; 9; 10; 15; 16; 17; 29].

Для того чтобы рассмотреть с/х технологии и их взаимодействие с семенами и растениями, слагаемых из экологической энергии Еэ, антропогенной энергии Еа, и энергии питания растений Еи,в годовом сельскохозяйственном цикле имеется продуктивный поток, состоящий из формируемой биомассы растений Мб = /(1) для кормовых культур для зерновых массы зерна или семян Мз, и выращенной биомассы соломы Мс, т.е. зернового вороха,

предназначенного для дальнейшей обработки и использования в хозяйственных целях [23; 24].

Продуктивный поток массы на всех этапах ее движения в годовом сельскохозяйственном цикле характеризуется энергосодержаниемегпри /=1...п, которое под действием энергетического потока за счет потерь энергии дыхания К семян или растений с течением времени уменьшается или увеличивается.

В последние годы резко снизилось качество высеваемых семян. Так, около 50% семян, необходимых для посева в 2007 году, признаны некондиционными по всхожести и чистоте. Из-за неплатежеспособности хозяйств спрос на семена элиты и первой репродукции сократился в 2-3 раза. Во столько же раз, если не больше, возросли площади под массовыми репродукциями. В настоящее время удельный вес таких посевов превышает одну треть общей площади посевов зерновых культур. К их числу отнесены и не апробированные в 2005-2007 годах посевы в организациях, не оплативших роялти за использование сортов научно-исследовательским учреждениям. Возделываемые сорта постепенно теряют свои первоначальные качества, потому что хозяйства, купив один раз элиту, пересевают ее много лет, не обновляя семена. Элитопроизводящие хозяйства часто сами, не привлекая селекционеров (даже в момент апробации), ведут первичное семеноводство сортов, не имея возможности дорого купить в научно-исследовательских институтах питомники испытания потомств I, II года или размножения 1-2-го года. Кроме того, отсутствие плановой системы сортосмены, сортообновления и слабой изученности коньюнктуры рынка привело к тому, что элитные семена одних сортов сельскохозяйственных культур производятся в недостаточном количестве, а другие - в чрезмерном и поэтому остаются нереализованными. Практически прекращено семеноводство зернобобовых культур, многолетних трав, гречихи, ржи.

Ведущее место среди зерновых культур отводится яровой пшенице. Значительные площади занимает овес (второе место после пшеницы благодаря повышенной устойчивости к

недостатку тепла и избытку влаги), особенно в подтаежных и таежных районах края. Кроме фуражного и продовольственного назначения он используется в смешанных посевах с другими культурами для получения зерносенажного корма для жвачных животных. Овес хорошо произрастает на кислых почвах, поэтому его посевы идут далеко на север, в зону серых лесных и дерново-подзолистых почв.

Третье место в посевах зерновых культур занимает ячмень. Разностороннее использование этой культуры в сочетании с такими биологическими свойствами, как скороспелость, устойчивость к повышенному засолению почв, высокая пластичность, обуславливает целесообразность

повсеместного размещения данной культуры. Вместе с тем повышенная чувствительность к кислотности почв ограничивает возможности расширения посевов данной культуры на подзолистых и серых лесных почвах, приуроченных к подтаежным и таежным районам.

В районах тайги и подтайги, а также залесенной части лесостепи хорошо произрастает озимая рожь, формирующая наравне с пшеницей довольно высокую урожайность зерна.

Таким образом, стабильные и хорошие урожаи могут быть достигнуты только в случае размещения каждой культуры в наиболее благоприятных для нее условиях, обеспечивающих достаточную согласованность между потребностями растений на каждой фазе их развития и местными почвенно-климатическими факторами. В случае культивирования видов и сортов без учета особенностей их экологической устойчивости значительно возрастает опасность гибели посевов вследствие поражения морозами, засухами и другими экстремальными факторами среды. Это приводит к неэффективному использованию данных почвенно-климатических условий конкретных территорий и росту затрат невосполнимой энергии на каждую дополнительную единицу продукции.

В современных условиях сорт становится объектом рынка. Поэтому значительно возрастают и получают новое содержание отношения производителей и потребителей

семян. Очень важным условием для этого является объединение в единый комплекс селекции, производства и маркетинга семян. Правильно подобранный сорт ослабляет отрицательное воздействие почвенно-климатических факторов и усиливает возможность эффективного рассредоточения культуры по зонам и административным районам. Так, в зонах тайги и подтайги с коротким безморозным периодом возделываются раннеспелые сорта. В центральной лесостепной зоне возможно выделение и среднеспелых, потенциально более урожайных сортов зерновых культур. Удельный вес раннеспелых сортов в этой зоне составляет 40-45% посевных площадей зерновых культур, среднеспелых - 55-60%. В южной лесостепной зоне, где более благоприятные условия, основные площади отводятся под среднеспелые сорта, удельный вес которых достигает 80-85%. Здесь же можно выращивать и среднепоздние сорта. В степной, засушливой зоне края целесообразно половину посевных площадей отвести под среднеспелые, а вторую - под среднепоздние сорта.

Важнейшим условием повышения эффективности растениеводства является хорошо развитая система семеноводства. По данным ФГУ «Россельхозцентр» по Красноярскому краю, в среднем за 2002-2007 годы элитопроизводящими учреждениями края производилось ежегодно около 7 тыс. тонн семян, из них только 60-70% кондиционных, такое же количество реализовано. Спрос на семена элиты и первой репродукции сократился в 2-3 раза по сравнению с 90-ми годами прошлого века из-за неплатежеспособности хозяйств, из-за нежелания директоров и специалистов хозяйств обновлять семена. Поэтому более трети посевной площади зерновых культур засевается семенами массовых репродукций. Практически прекращено семеноводство зернобобовых культур, многолетних трав, гречихи, ржи.

Ежегодно для 100%-госортообновления необходимо производить 13000 т элитных семян. Чтобы увеличить объем семян, необходима коренная модернизация материально-

технической базы первичного семеноводства и элитопроизводящих хозяйств.

Повышенный спрос на семена в текущем году увеличился в связи с тем, что агентство и департаментом сельского хозяйства администрации края разработали соглашение с главами районов о предоставлении субсидий на приобретение средств химизации и минеральных удобрений только тем хозяйствам, которые приобретут на посев элитные семена в количестве, равном 2% от общей занимаемой сортом площади. Это в значительной мере стимулировало приобретение семян рядовыми хозяйствами. В то же время из других областей было завезено 4 тыс. т сортовых семян.

Таким образом, анализ состояния семеноводства в крае показывает, что радикальное улучшение дел в этой области растениеводства возможно лишь при оптимальном сочетании государственной поддержки научных учреждений, семеноводческих хозяйств, осуществляющих размножение новых сортов и гибридов, при развитии договорных отношений между патентообладателями селекционных достижений и потребителями семян, а также организации системы семеноводства с учетом агроэкологического и эколого-энергетического районирования

[1;6;8;10;13;14;18;19;21;23;24].

Рис. 1. Модель управления энергопродуктивностью

Необходимо отметить, что, начиная с периода уборки полученного урожая, все операции послеуборочной обработки зерновых (сушка, сепарация и др.) направлены на увеличение удельного энергосодержания массы семян или зерна е уд.

После зонального выбора культур и сортов, проведенного на основе анализа энергопродуктивности, необходимо проверить второй технологический уровень энергетического совершенства используемых агротехнических приемов и применяемой системы машин.

Руководствуясь разработанной с учетом иерархии подсистем (рис. 1), аправленных от высшего уровня к низшему, по вертикалям и горизонталям, необходимо сформировать структурно-организованный,

энергоэкономичный технологический комплекс,

обеспечивающий максимальное постадийное приращение энергосодержания полученной продукции от принятых доз

энергетических воздействий отдельных агроприемов при последующей оптимизации величины их энергетических воздействий.

Продуктивный поток массы семян Мо представляет из себя замкнутую систему, определяемую наличием постоянных посевных площадей, условно характеризующуюся постоянством массы семян Мо и их удельном энергосодержаниеме0 [23; 24].

В этот период биомасса под действием эколого-энергетических факторов солнечной энергии, осадков, почвенной структуры, ее влагообеспеченности и т.д. практически формируется от семян к молодым растениям, от молодых растений к зрелым и от зрелых к семенам.

Чем выше энергосодержание семян е0, подготовленных к посеву, тем больше вероятность получения максимальной биомассы Мб в процессе их проростания и вегетации растений. К сожалению термин энеогосодержания у агрономов определяется в процентах, а не в физической величине, что не позволяет в отобранной пробе семян более точно определить содержание энергии в Джоулях в отдельно каждом семени. Это упущение серьезно влияет на последующуюзнергопродуктивность при выращивании с/х культур и не позволяет эффекктивно развивать семеноводство и проводить селекционный отбор каждого наиболее энергетически совершенного семени для последующей их селекции и получения более высоких урожаев в АПК России.

Наряду с энергетическим и продуктивным потоками имеет место информационный поток, характеризующий состояние информации о циклическом взаимодействии энергетического и продуктивного потоков в годовом сельскохозяйственном цикле.

Начало замкнутого цикла при производстве семян и их подготовки к посеву включает основные технологические операции сушки, выделения биологически ценных семян, обеззараживания от различных инфекций, активизации ростовых процессов в семенах, насыщение их питательными

веществами. На его входе мы имеем определенное количество бункерного зерна Мз, а на выходе массу семян Мс, подготовленных к хранению и дальнейшему посеву.Это один из основопологающих антропогенных факторов усиления фотосинтетической активности будущих растений и увеличения их знергопродуктивности.

Необходимо отметить, что в блоке 1 при послеуборочной обработке семян из конкретной популяции отбираются семена с использованием различных технологических приемов по определенным признакам с большой энергией прорастания и силой роста в последующем процессе вегетации, имеющем повышенную фотосинтетическую активность растений.

Учитывая важность воздействия на фотосинтетическую активность будущих растений различными приемами подготовки семян к посеву привело к разработке большого количества методов (более 250) активизации ростовых процессов, и все разработанные методы, несмотря на их различия в энергоматериалоемкости машин, рекомендованы НТС Госагропрома СССР к использованию по месту их разработки. Необходимо отметить, что при большом многообразии методов обработки семян до настоящего времени в нашей стране и за рубежом не разработаны эффективные методы обеззараживания семенного материала от вирусных инфекций, приемлемых для с.-х. производства, т.е. практически на сегодняшний день нет единого научно обоснованного технологического комплекса,

соответствующего по структуре и назначению требованиям эффективной подготовки семян к посеву, включающего в себя операции по оздоровлению семян от вирусных, грибных и бактериальных болезней, по активизации в них ростовых процессов и по насыщению семян биологически активными веществами, фитогормонами и др., в конечном итоге увеличивающего фотосинтетическую активность растений.

Процессы послеуборочной обработки семян достаточно хорошо изучены в теоретическом и практическом плане, и в последнее время на основе новых критериев, методов,

способов и средств стабилизации работы технологических систем разработаны схемы машин и семяобрабатывающих комплексов, имеющие минимум технологических операций при некотором снижении их энергоматериалоемкости, при достаточно стабильном увеличении технологического эффекта повышения урожайности за счет увеличения фотосинтетической активности в растениях.

Процессы предпосевной подготовки семян к посеву, выполняемые в весенний период, и другие технологические агроприемы несмотря на их большое многообразие в теоретическом и практическом плане, с точки зрения биоэнергетики изучены недостаточно, и, как отмечалось ранее, нет научно обоснованной методологии формирования технологического комплекса с учетом оптимального сопряжения энергетических, продуктивных и временных параметров при минимальном количестве операций и стабильном повышении урожайности за счет увеличения фотосинтетической активности растений.

Используя энергетические характеристики

последовательно в первом приближении, энергетическую эффективность работы технологического комплекса переработки полученной продукции, в том числе и технологического комплекса подготовки семян к посеву, существенно влияющих на удельное энергосодержание семян и затем растений, можно записать эту зависимость в следующем виде:

Е п + V Е . • 77

э 1э / ' т 1а

е =_

^тах

где Еэ - экологическая энергия;

- биоэнергетический КПД растений, определяемый в каждой зоне конкретных территорий;

Е^ - суммарная антропогенная энергия отдельно каждого агроприема;

- энергетический КПД антропогенного энерговоздействия.

Данная зависимость позволяет проанализировать действие двух энергопотоков - экологического и антропогенного - в любом технологическом процессе при их воздействии посредством системы машин на имеющуюся массу семян Мтахи соответственно ее удельное энергосодержание в любой момент времени цикла.

Список литературы

1. Влияние электромагнитного поля высокой частоты на энергию прорастания и всхожесть семян томата. Юсупова Г.Г., Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Бастрон А.В., Бастрон Т.Н. Вестник КрасГАУ, 2002. С. 21.

2. Высокоэнергетическая кормовая культура топинамбур в кормопроизводстве Красноярского края. Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Аникиенко Т.Н. Вестник КрасГАУ, 2007. № 4 С. 127-130.

3. Влияние импульсной инфракрасной сушки на сохранность активно действующих веществ. Алтухов И.В., Цугленок Н.В., Очиров В.Д. Вестник Ставрополья, 2015. № 1 (17). С. 7-10.

4. Имитационные модели пространственно распределенных экологических систем. Лапко А.В., Цугленок Н.В., Цугленок Г.И. Ответственный редактор: д.т.н., профессор А.В. Медведев. Новосибирск, 1999.

5. Использование СВЧ энергии при разработке технологии диетических сортов хлеба. Цугленок Н.В., Юсупова Г.Г., Цугленок Г.И., Коман О.А. Ж. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2004. № 2. С. 16-17.

6. Исследование температурных полей при предпосевной обработке семян масленичных культур ЗМПСВЧ. Бастрон А.В., Исаев А.В., Мещеряков А.В., Цугленок Н.В. Вестник КрасГАУ, 2011. № 2-1. С. 4-8.

7. Концепция информатизации аграрной науки Сибири. Гончаров П.Л., Курцев И.В., Донченко А.С., Кашеваров Н.И., Чепурин Г.И. и др. СО РАСХН; отв. за выпуск А.Ф. Алейников, А.И. Оберемченко. Новосибирск, 2003.

8. Комплексная система обеззараживания зерна и продуктов его переработки. Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Юсупова Г.Г. М-во сел. хоз-ва РФ. Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2004.

9. Лабораторный практикум и курсовое проектирование по освещению и облучению. Долгих П.П., Кунгс Я.А., Цугленок Н.В. Учебное пособие для студентов. М-во сел. хоз-ва РФ. Краснояр. гос. аграр. ун-т. / Красноярск, 2002.

10. Методы и математические модели процесса обеззараживания продовольственного зерна. Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Юсупова Г.Г. Учеб. пособие для студентов вузов. М-во сел. хоз-ва РФ. Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2004.

11. Мелкоплодные яблоки Сибири в функциональном питании. Типсина Н.Н., Цугленок Н.В. Вестник КрасГАУ, 2009. № 1 (28). С. 152-155.

12. Оценка влияния оптимальных показателей работы машинно-тракторных агрегатов на энергозатраты технологического процесса. Цугленок Н.В., Журавлев С.Ю. Вестник КрасГАУ, 2010. № 10 (49). С. 146-152.

13. Обеззараживание и подготовка семян к посеву. Цугленок Н.В. Вестник КрасГАУ, 1984. № 4. С. 4.

14. Обеззараживающее действие электромагнитного поля высокой частоты на семена томата. Юсупова Г.Г., Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Бастрон А.В., Бастрон Т.Н. Вестник КрасГАУ, 2002. С. 33.

15. Резисторы из композитов в системах энергообеспечения агропромышленных комплексов. Горелов С.В., Кислицин Е.Ю., Цугленок Н.В. Вестник КрасГАУ, 2006. № 6. С. 314-319.

16. Резисторы в схемах электротеплоснабжения. Горелов С.В., Кислицин Е.Ю., Цугленок Н.В. КрасГАУ. Красноярск, 2008 (2-е издание, переработанное и дополненное).

17. Состояние социально-трудовой сферы села и предложения по еерегулированию. Ежегодный Доклад по результатам Мониторинга 2006 г. / Ответственные за подготовку доклада: Д. И. Торопов, И.Г. Ушачев, Л.В. Богдаренко. Москва, 2007. Том Выпуск 8.

18. Способ обработки семян и устройство для его осуществления. Цугленок Н.В., Шахматов С.Н., Цугленок Г.И. Патент на изобретение RUS 2051552 22.04.1992.

19. Система защиты зерновых и зернобобовых культур от семенных инфекций. Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Халанская А.П. М-во сел. хоз-ва Рос. Федерации. Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2003.

20. Технология и технические средства производства экологически безопасных кормов. Цугленок Н.В., Матюшев В.В. М-во сел. хоз-ва РФ, Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2005.

21. Технология и технические средства обеззараживания семян энергией СВЧ-поля. Бастрон А.В., Мещеряков А.В., Цугленок Н.В. Вестник КрасГАУ, 2007. № 1. С. 268-271.

22. Цугленок Н.В. Формирование и развитие технологических комплексов растениеводства. Вестник КрасГАУ, 1997. № 2. С. 1.

23. Цугленок Н.В. Формирование и развитие структуры электротермических комплексов подготовки семян к посеву. Авт-т дис...докт. техн. наук / КрасГАУ. Барнаул, 2000.

24. Цугленок Н.В. Формирование и развитие структуры электротермических комплексов подготовки семян к посеву. Диссерт. на соискание док-ра техн. наук / Красноярск, 2000.

25. Цугленок Н.В. Концепция устойчивого развития АПК Красноярского края. Вестник КрасГАУ, 1996. № 1. С. 1.

26. Цугленок Н.В. Биоэнергетическая концепция формирования технологических комплексов АПК. Вестник КрасГАУ, 1998. № 3. С. 9.

27. Цугленок Н.В. Энерготехнологическое прогнозирование структуры АПК. Вестник КрасГАУ, 2000. № 5. С. 1.

28. Цугленок Н.В. Энерготехнологическое прогнозирование. Учеб. пособие для студентов вузов по агроинженер. специальностям; М-во сел. хоз-ва РФ, КрасГАУ. Красноярск, 2004.

29. Энерготехнологическое оборудование тепличных хозяйств. Цугленок Н.В., Долгих П.П., Кунгс Я.А. Учебное пособие для вузов / КрасГАУ. Красноярск, 2001.

30. Эколого-энергетические и медико-биологические свойства топинамбура. Аникиенко Т.И., Цугленок Н.В. М-во сельского хоз-ва РФ. КрасГАУ. Красноярск, 2008.