Существующие методы биоэнергетической оценки сельскохозяйственных технологий

СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

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: статья посвящена существующим методам биоэнергетической оценки сельскохозяйственных технологий. Большой вклад в проблему биоэнергетической оценки с.-х. технологий сделан авторским коллективом ЦНИПТИМЭЖ под руководством члена-корреспондента РАСХНЮ.Ф. Новикова. Но, к сожалению, четкие критерии, определяющие взаимодействие энергетического и продуктивного потоков во времени и пространстве, не были разработаны и затрудняют с единых методологических позиций решение проблемы эффективного развития технологических комплексов с/х. производства. Установление прямых нормальных связей взаимодействия энергетического и продуктивного потоков и выведение на их основе энергетических принципов развития технологических комплексов оказались невероятно трудными и невыполнимыми, хотя попытки нахождения имели место в биоэкологических системах. Поэтому необходимо разработать и обосновать основную модель эффективного формирования структуры технологических комплексов растениеводства, позволяющих выявить и объяснить основные взаимосвязи энерго-экологических и антропогенных факторов развития и интенсификации технологических процессов увеличения производства с/х продукции. Ключевые слова: биоэнергетической оценка, энергетический и продуктивный поток, энерго-экологические и антропогенные факторы, интенсификация.

Большой вклад в проблему биоэнеpгетической оценки с.-х. технологий сделан автоpским коллективом ЦИИПТИМЭЖ под руководством член-корреспондента РАСХН Ю.Ф. Новикова [27, 28].

Разработаны в формализованном общем виде математические модели, позволяющие минимизировать функцию F(х), определяющую совокупный расход энергии овеществленного и живого труда при валовом производстве продуктов на с.-х. объекте, при одном явно существенном допущении: природные энергетические затраты, солнечная энергия при фотосинтезе растений и биохимическая энергия земли не подлежат прямому воздействию человека на интенсивность производственных процессов в сельском хозяйстве. Но к сожалению эти допущения оказывают самое существенное влияние на знергопродуктивность в с/х производстве. Эти основные факторы не могут быть допущениями.

При данном методологическом подходе полезное энергосодержание конечного продукта отрасли Еп определяется качественным составом органических соединений, входящих в конечный продукт, а биоэнергетическую эффективность выражают через

биоэнергетический коэффициент ^,равный отношению полезного энергосодержания продукта к удельным затратам совокупной энергии на его производств [7; 12; 22; 25; 26].

Наряду с биоэнергетической оценкой с.-х. технологий, аналогично применяется топливно-энергетический анализ Е! с включением прямых антропогенных энергозатрат (в основном нефтепродуктов) на производство единицы продукции по технологическим картам, на возделывание и уборку с. -х. культур и косвенных энергозатрат, имеющих место при производстве средств механизации, удобрений, ядохимикатов, гербицидов и т.д. Энергетический анализ Е!, по мнению авторов, не заменяет, а дополняет оценку технологий по другим экономическим показателям и позволяет оценивать существующие и планируемые технологии с точки зрения энергетической эффективности R,

численно равной отношению энергосодержания продукции с единицы площади к полным затратам энергии на получение этой продукции. (Рекомендуется для определения энергосберегающего варианта механизированных агрегатов на каждой технологической операции). Аналогично проводится биоэнергетическая оценка технологических процессов в работах .

Ио в отличие от предыдущих вводится дополнительный показатель технологической энергоемкости продукта, количественно равный отношению общих энергозатрат на производство к валовому объему конечного продукта, приводящий к технологической оценке по удельным затратам свободной энергии. Предложен методический подход к разработке энергетических эквивалентов на средства производства на основе данных биоэнергетической оценки. Показано, что в земледелии основную часть совокупной энергии дают минеральные удобрения (до 70...90%), и поэтому предлагается для снижения энергоемкости использовать органо-минеральные смеси или органические удобрения. Разработан пакет программ МЕХСХ - методика, оценивающая экономическую и энергетическую эффективность оптимального состава МТП и технологий для растениеводства.

Приводится сравнительный анализ экономического и энергетического критериев, соответственно по приведенным и энергетическим затратам, указывающий на несовпадение экономической и энергетической эффективности [17]..

Таким образом, выполненные работы показывают, что био-энергетический анализ в какой-то степени позволяет оценить статическую эффективность использования антропогенной энергии в с.-х. технологиях и определить общие характеристики внешнего энергетического потока, в котором производится технологический процесс или формируется биомасса. Влияние антропогенного энергетического потока на некоторые характеристики продуктивного потока (биомассы) определяется с помощью разработанных энергетических эквивалентов.

К сожалению, четкие кpитеpии, определяющие взаимодействие энеpгетического и пpодуктивного потоков во вpемени и пpостpанстве, не pазpаботаны и затpудняют с единых методологических позиций подход к pешению проблем эффективного pазвития технологических комплексов с/х. производства.

Установление пpямых ноpмальных связей взаимодействия энеpгетического и пpодуктивного потоков и выведение на их основе энеpгетических пpинципов pазвития технологических комплексов оказались невеpоятно тpудными и невыполнимыми, хотя попытки нахождения имели место в биоэкологических системах. К чему же должно приводить постоянное действие энеpгетического потока или энеpгетических потоков на любую ограниченную по веществу и объему систему? В условиях ограниченности вещества единственным "выходом" pеакции системы может быть оpганизация собственного потока энеpгии (пpинцип Ле Шателье) на основе кpуговоpота вещества. Необходимо отметить,что отбытые с/х системы также хаpактеpизуются pазвитием кpуговоpота вещества в годовом с/х цикле.

Наибольшее pазвитие в приложении к анализу живых систем энеpгетический подход получил в экологических исследованиях. Одной из пеpвых можно считать pаботу А. Лотки (1922) о том, что эволюция экосистемы при ее pазвитии напpавлена на увеличение суммаpного потока энеpгии чеpез нее, а в стационаpном состоянии этот поток достигает максимума. Это в какой-то меpе объясняется способностью всего живого к pаспpостpанению, к pазвитию, во "всюдности жизни", по выражению В.И. Веpнадского.

По мнению Г. Одума [28], максимализируется не поток энергии в системе, а мощность. Ю. Одум же обосновывает экстремальный принцип саморазвития экосистем, заключающийся в поддержании биомассы на единицу доступного потока энергии. К этому положению сводится и гипотеза Р. Маргалефа об эволюции экосистем, согласно которой энергетическая эффективность ее со временем возрастает.

Кажущееся противоречие между этими двумя принципами на самом деле не является противоречием. Так, если А. Лотка и Г. Одум рассуждают о захвате внешней энергии, то Р. Маргалеф и Ю. Одум рассуждают о распределении внутренней энергии экосистемы.

К сожалению, развитие и применение этих принципов на природных биологических системах наталкивается на сложности строгой экспериментальной проверки ввиду невозможности точных измерений и учета внутренного распределения энергии в сложных биологических объектах, еще более трудно произвести измерения эволюционных переходов в них.

Специфика экологических исследований приводит к необходимости понимания "цены" свободной энергии, влияния внешних энергопотоков на формирование биомассы и выработки соответствующих оценочных критериев.

Экспериментальная возможность получения стационарных состояний в живых системах (и даже изучение этих состояний в процессе эволюции) впервые появилась при непрерывном культивировании микроорганизмов в контролируемых условиях. Появились экспериментальные модели популяционной динамики в открытых системах [7;12;22;25;26].

Применение непрерывных методов позволило изучить и количественно описать с помощью математических моделей многие закономерности развития и уничтожения микробных ассоциаций, в том числе эволюционные и энергетические [1;6;8;10;13;14;18;19;21;23;24].

При исследовании энергетических элементов развития эффективных ассоциаций предложены уравнения энергетического баланса, позволяющего разделить падающий энергетический поток Нпод на неиспользованную Ннеиш и использованную энергию дыхания Нисп. В результате экспериментальных исследований установленно: стратегия возрастания Иисп при образовании смешанных культур в открытых системах может быть различной в зависимости от

скорости потока D, режима культивирования особенно в тепличных условиях и т.д [9-15,16 29].

В зависимости от этих факторов она может быть связана с увеличением скорости роста, более полной или более экономичной утилизацией субстрата, продуктов метаболизма. По данным авторов, Нисп является интегральным критерием, отражающим принципиальную особенность, характеризующую смешанные культуры, их способность более эффективно использовать поток субстрата (энергии), особенно в тепличных условиях [9-15,16 29].

Данный подход в соответствующем приближении позволяет оценить некоторый оптимальный уровень использования поступающего энерге-тического потока и подтверждает существование двухстадийных признаков в общей стратегии развития экосистем, разработанных Ю.Одумом и указывающих на развивающие стадии, когда отношение энергии валовой продукции P к энергии дыхания R больше единицы Р/R > 1. Зрелые стадии характеризуются большим значением энергии дыхания R по отношению к энергии валовой продукции и отмечаются соотношением R/P>1. Таким образом, данное соотношение приводится в качестве критерия оценки относительной зрелости экосистемы, указывающей на уровень ее развития.

К сожалению, наличие антропогенных энергетических факторов в технологиях с.-х. производства не позволяет определить по данному критерию совокупную степень зрелости данной экосистемы. В данном критерии учитывается только энергия экосистемы (экологическая), антропогенная энергия не учитывается, а измерения энергии дыхания представляют в с. -х. производстве известные трудности. Даны также два энергетических принципа развития: экстенсивный и итенсивный по оценке общего энерго-потока и по удельному энергопотоку без формулировки единого количественного подхода в оценке основ стратегии развития.

В свою очередь, И.И. Свентицкий предложил использовать

коэффициент световой энергии , позволяющий оценить

фотосинтетическую эффективность по отношению к использованной свободной энергии на входе энергии биологического происхождения и использование свободной энергии фотосинтеза при выращивании растений [27].

В этом плане заслуживают внимание разрабатываемые методы оценки плодородия земель на основе биоэнергетического системного подхода и в решении задач получения энергии из биомассы с учетом солнечного энергетического потока.

Важнейшее практическое следствие закономерности заключается в необходимости количественного учета потоков свободной энергии на каждом географическом уровне.

Указывается на то, что для обеспечения энергетических воздействий на растения требуется затрачивать значительное количество энергии оптического излучения, а для осуществления управляющих - во много раз меньше, т.е. управляющие воздействия характеризуются пороговой дозой воздействия низкоэнергетического уровня, и на то, что фотосинтезная энергия солнечного излучения, приходящаяся на поверхность земли, представляет собой теоретический предел продуктивности естественных экосистем и агроценозов, что свидетельствует об исключительной важности ее количественного учета, как при решении с.-х. задач, так и экологобиосферных проблем в целом. Поэтому антропогенная энергия, составляющая около 2% суммарного количества энергии всех видов, используемых при выращивании растений, представляется энергией технологического управления биологическим преобразованием солнечного излучения при формировании продуктивности.

На основании проведенного анализа теоретических подходов в энергетической оценки производства с/х продукции, видно, что в энергетическом балансе сельского хозяйства как части живой природы при его исследовании недостаточно частных критериев энергетической оценки. И очень важно разработать общую теорию биоэнергетического развития АПК и использовать комплексный биоэнергетический критерий энергетической оценки

используемых и предлагаемых с/х культур и технологий. В разрабатываемой биоэнергетической теории, для экономного ведения сельского хозяйства в математических моделях, необходимо соединить и оценить совокупную энергию в пересечении двух энергетических потоков: солнечного для конкретных зональных территорий и антропогенных управляющих механизированных энергетических воздействий, для установления роли их воздействия на энергопродуктивность и удельное энергосодержание с.-х. продукции [3;5;8;10;27, 28].

Для обоснования энергетической системы интенсификации технологических процессов и научных методов формирования и развития структуры энергоэкономичных технологических комплексов растениеводства, улучшения продуктивных и качественных показателей получаемой с/х продукции и снижения энерго-материалоемкости, с/х производства, предусматривается решение следующих основных задач:

1. Разработать аналитическую модель динамики причинных и функциональных взаимосвязей между явлениями, возникающими при взаимодействии энергетических и продуктивных потоков в технологических процессах растениеводста.

2. Разработать и обосновать основную модель эффективного формирования структуры технологических комплексов растениеводства, позволяющих выявить и объяснить основные взаимосвязи энерго-экологических и антропогенных факторов развития и интенсификации технологических процессов увеличения производства с/х продукции.

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 зкологических 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 огбработке 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 информотизации 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 Ян.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. 314319.

16. Резисторы в схемах электротеплоснабжения Горелов С.В., Кислицин Е.Ю., Цугленок Н.В. КрасГАУ. Красноярск, 2008

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 концепции формированиятехнологических 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.