Факультет

Студентам

Посетителям

Залог успеха — в биоэнергетическом анализе

Наверное, у читателей этой книги уже накопилось немало вопросов к авторам. Можно даже «смоделировать» следующий диалог.

Читатель. Не пора ли от частностей перейти к обобщениям? От опыта передовиков — к теории. Может быть, есть научная концепция, позволяющая выявлять резервы?

Авторы. Накопление фактов, опытного материала для последующего анализа — один из главных путей познания.

Читатель. Но сельское хозяйство «поставляет» гору фактов, причем взаимосвязанных, отражающих некую тенденцию. Кто, как не ученые, должен предложить обобщающую модель поиска резервов?

Авторы. Правильно, ученые. От частного, отдельного они уже переходят к обобщениям. Но это нелегко. Тут-то и должна помочь наука агрозооэнергетика.

Читатель. Для растениеводства это, действительно, выглядит просто, но как быть с животноводством, где солнечная энергия используется косвенно, через корм? Тут, видимо, сложнее?

Авторы. Животноводство нельзя рассматривать в отрыве от кормопроизводства. Судите сами. Животные, питаясь кормом, потребляют не что иное, как аккумулированную в нем солнечную энергию в объеме. Некоторую ее часть животные запасают в своем организме в виде энергии конечного продукта. Назовем эту часть коэффициентом усвояемости. Но как учесть затраченное топливо? Поскольку кормопроизводство и животноводство следует рассматривать как единую, неразрывную систему, представляется разумным сложить расходы топлива при производстве кормов QK и на ферме.

Итак, для поиска агрозооэнергетических резервов нужно научиться управлять четырьмя параметрами. Значит, энергетическая модель растениеводства есть общий случай кормопроизводства. Если исходить из общих закономерностей, то значение коэффициента использования солнечной энергии тем выше, чем больше КПД фотосинтеза и число вегетаций, приходящихся на годовую солнечную радиацию. Однако при этом меняется значение у: летом доля расхода ископаемого топлива относительно невелика, но зимой, например, в тепличных комбинатах, она резко возрастает. Следовательно, в растениеводстве (как в энергоаккумулирующей отрасли) можно подобрать такие культуры (в частности, по продолжительности периода вегетации) и такие технологии возделывания, при которых можно добиться максимума эффективности в зависимости от географической широты и климата.

В животноводстве поиск резервов несколько усложняется, поскольку на коэффициент эффективности влияют сразу четыре фактора, имеющие между собой определенные связи. Например, при более высоком увеличивается коэффициент усвояемости кормов, поскольку большее их количество можно скармливать животным в течение более длительного времени. При этом сокращается доля р ископаемого топлива, расходуемого непосредственно на ферме, и возрастает доля у ископаемого топлива, затрачиваемые з сфере кормопроизводства. Могут быть и другие зависимости. Например, с совершенствованием способов приготовления корма увеличиваются параметр р и коэффициент а. Или такой вариант: чем больше в почву вносят органики, тем существеннее уменьшается доля у ископаемого топлива, расходуемого в кормопроизводстве, и повышается коэффициент использования солнечной энергии. Проще говоря, математическая модель работает на оптимум коэффициента эффективности при различных сочетаниях. Однако можно успешно реализовывать лишь те резервы, которые после ввода в модель обеспечивают максимум коэффициента эффективности, учитывающего фактор экологического равновесия через потерю органического вещества, о чем разговор будет дальше.

Читатель. Не слишком ли это обобщенно и схематично? Хорошо бы показать работу таких моделей на конкретных примерах.

Авторы. Конечно, опыт, практика — критерий научной истины. Давайте обратимся к реальным подтверждениям наших предположений. Поиск резервов, естественно, следует начать с определения коэффициента использования солнечной энергии.

В этой связи интересно обратиться к изысканиям признанного авторитета в области программирования урожаев академика ВАСХНИЛ И. С. Шатилова, под руководством которого в Московской области в течение многих лет при помощи специальных приборов фиксировался приход солнечной радиации. Было установлено, что на квадратный метр листовой поверхности поступает в среднем 1,5 МДж энергии. Из этого количества лист способен поглощать 0,825 МДж/м2, то есть 55%. Значит, таков его КПД? Нет. Он гораздо меньше. Ведь лист дышит, в нем идет процесс фотосинтеза. Влияют факторы, о которых мы говорили раньше, при рассмотрении механизма фотосинтеза. Кроме того, листья растений стареют и отмирают, да и не все они одинаково приспособлены к усвоению интенсивных потоков солнечной энергии. В итоге активно действующая листовая поверхность за период вегетации аккумулирует из 1,5 МДж/м2 лишь 0,022 МДж/м2, или 1,5% приходящей солнечной радиации. Это и есть максимальный коэффициент в условиях Подмосковья. Его увеличению препятствует короткий вегетационный период: ведь ранней весной, поздней осенью и, разумеется, зимой фотосинтез не протекает.

Но у различных культур вегетационный период не одинаков. Сколько же солнечной радиации получают они за это время? Академик И. С Шатилов называет следующие значения: озимые и яровые 19—21 миллион МДж/га, картофель и кормовая свекла от 21 до 25, а такие культуры, как кукуруза на силос, вико-овсяные смеси и многолетние травы, от 13,3 до 15 миллионов МДж/га. Получается немало, если пересчитать на условное топливо, содержащее в 1 кг 29,3 МДж энергии: 460— 860 т/га. Дальше расчет простой. Приход солнечной радиации умножим на 1,5%, поделим на 100% и на калорийность 1 кг сухого органического вещества, равную 19 МДж, и получим урожайность сухой биомассы за одну вегетацию: озимые и яровые — 150—168 ц, картофель и кормовая свекла — 168—200, кукуруза на силос, вико-овсяные смеси и многолетние травы — 100—120 ц. Переведем полученные значения в хозяйственный урожай по соответствующим коэффициентам, и вот, оказывается, на какие рубежи можно ориентироваться: зерновые — 60 ц/га (зерно), картофель — 700 (клубни), кормовая свекла — 500 (корнеплоды), кукуруза на силос — 480, вико-овсяная смесь — 120 (сено), многолетние травы— 150 ц/га (сено).

Но ведь в формуле фотосинтеза присутствует элемент Н2О. Действительно, без воды никак не обойтись. Поэтому важно сбалансировать приход солнечной радиации и влагообеспеченность растений. И вновь советуемся с И. С. Шатиловым, как лучше энергетически оценить водопотребление. Очень просто. Энергия солнечной радиации, участвующая в фотосинтезе, как мы уже знаем, составляет 0,825 МДж/м2, а из школьного курса физики известно, что на испарение грамма воды расходуется 0,0025 МДж. Следовательно, за счет фотосинтетической энергии можно испарить 330 г воды. Если вспомнить, что в органическом веществе запасается 0,022 МДж/м2 энергии, то при известном энергосодержании одного его килограмма это означает получение 1,16 г сухой биомассы. Опять делим — только теперь 330 г воды на 1,16 г — и находим теоретический коэффициент водопотребления — 284. Таков норматив, посредством которого рассчитывается требуемая влагообеспеченность. Выходит, для успешного хода реакции фотосинтеза, дающей, скажем, 100 ц/га многолетних трав (в сухой биомассе), необходимо 2840 т воды на гектаре, или 284 мм продуктивной влаги. Таким же образом данный показатель можно подсчитать и для других культур. Казалось бы, ошибки нет?.. Значит, требуется влагообеспеченность большая, чем по нормативу.

Читатель. И все-таки в ваших расчетах концы с концами не сходятся. Ведь если из 1,5 МДж/м2 вычесть 0,825 МДж/м2, то останется какая-то «лишняя» энергия.

Авторы. Верно. Только энергия эта отнюдь не лишняя. Отражаясь от поверхности почвы, она превращается в тепло и, когда растению «холодно», обогревает его. Она же способствует испарению влаги и, если растению «жарко», охлаждает листовую поверхность. Конечно, с энергетической точки зрения процесс гораздо сложнее. Однако ясно, что норматив требует поправки. Причем существенной. При поглощении листовой поверхностью 1% солнечной радиации его следует увеличить вдвое, при 1,5% — в 1,5 раза, при 2,5% — уменьшить на 20%. Проще говоря, с увеличением коэффициента использования поглощаемой фотосинтетически активной энергии расход воды снижается. Отсюда напрашивается очень важный вывод: процессом фотосинтеза можно управлять, используя поливную воду.

Читатель. То есть нужно запасать влагу в почве или орошать поля, или то и другое. Истина, известная еще древним земледельцам. Что тут нового?

Авторы. А новое в том, что мы можем вычислить, сколько нужно влаги, найти оптимум. Это главное, как в любой задаче, которую решает агрозооэнергетика. И потом: вода воде рознь. В ней можно, например, растворить нужные растениям питательные вещества, микроэлементы. Результат получается интереснейший. Так, в опытах И. С. Шатилова было установлено, что без удобрений урожай зерна составил 13,2 ц/га, при внесении обычных агрономических доз — 29,2 ц/га, а когда внедрили интенсивную технологию — 30,5 ц/га. Водопотребление соответственно было следующим: 2873, 2786 и 2764 т/га. Смотрите, как менялся норматив: 535, 293 и 255 кг на килограмм сухой биомассы. Разница в 2,1 раза! Вроде бы и продуктивная влага одна и та же, но отличие в урожаях существенное. Ученые предлагают не только «сдабривать» оросительную воду питательными веществами и элементами, но и подогревать, воздействовать на нее электрическим током, ионизировать, омагничивать, словом, активировать. Пусть пока не во всем ясна природа подобных воздействий. Главное — результат, повышение урожая при сокращении поливной нормы. Понятно, что в итоге это положительно сказывается на балансе совокупной энергии.

А как важно оптимизировать энергетическую мощность листового аппарата бобовых культур! Ведь они сами себе и последующим посевам служат фабрикой удобрений. Скажем, при хорошем клеверном травостое растения на 1 га усваивают из воздуха около 150 кг азота, половина которого остается в поле с корневыми и пожнивными остатками. Исследования, проведенные на Александровской опытной станции Владимирской области, показали, что клевер первого года пользования накапливал в пахотном горизонте на гектаре 30 ц корней, 50,7 кг азота, 20,1 фосфора и 36,2 кг калия, а после уборки следующего года в почве всего этого осталось почти вдвое больше. Если б удалось за счет «самообеспечения» растений существенно сократить применение минеральных удобрений, то как выиграли бы от этого и экономика и экология!

И поскольку речь зашла о кормовом поле, скажем, что в большинстве зон страны температурный режим в продуктивный период позволяет получать по два (а в южных районах — и по три) урожая в год. В самом деле, показатель ресурсов тепла — сумма годовых температур, превышающих +10 °С, в Московской области составляет более 2000 °С, в Тамбовской — 2400, в Краснодарском крае — свыше 3000, в Новосибирской области — до 2000, на юге Красноярского края — 1600, а для формирования урожая многолетних бобовых трав требуется сумма около 1000°С.

Читатель. Значит, во многих регионах страны можно существенно повысить коэффициент использования солнечной энергии?

Авторы. Несомненно. При двух урожаях бобовых трав этот коэффициент возрастает до 3%. Управляя параметрами фотосинтеза, мы добиваемся оптимизации энергетического баланса.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: