CC BY
12СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ОБОСНОВАНИЕ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ ЭФФЕКТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ АПК Цугленок Н.В.
Цугленок Николай Васильевич - член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, вице-президент и научный руководитель Восточно-Сибирской ассоциации биотехнологических кластеров, г. Красноярск.
Аннотация: в статье, на основании проведенного анализа теоретических подходов в энергетической оценке производства с/х продукции, приведено обоснование биоэнергетической концепции эффективного формирования технологических комплексов АПК. В разработанной биоэнергетической теории, для экономного ведения сельского хозяйства в математических моделях, предлагается соединить и оценить совокупную энеpгию в пеpесечении двух энеpгетических потоков: солнечного и дождевых осадков для конкретных климатических условий в зональных экосистемах любых территорий и любых антропогенных управляющих механизированных
энергетических воздействий на семена, почву, ее влагообеспеченность и на вегетирующие растения для установления роли их воздействия на энергопродуктивность и удельное энергосодеpжание с-х ^одукции. Если рассматривать сельскохозяйственные технологии, являющиеся открытыми системами, сопрягающими энергетические, продуктивные, временные и информационные потоки, с позиций теории интенсификации, то могут быть выделены два основных взаимосвязанных аспекта интенсификации сельскохозяйственного
производства: оптимизация энергосодержания
энергетических и продуктивных потоков в существующих циклических агросистемах и активизация развития разрабатываемых технико-технологических систем.
14
Ключевые слова: биоэнергетическая концепция, зффективное формирование, технологические комплексы АПК, влагообеспеченностъ почвы, вегетирующие растения, оптимизация энергосодержания, технико-технологические системы, продуктивные, временные и информационные потоки.
На основании проведенного анализа теоретических подходов в энергетической оценки производства с/х продукции, видно, что в энергетическом балансе сельского хозяйства как части живой природыпри его исследовании недостаточно частных критериев энергетической оценки. И очень важно разработать общую биоэнергетическую концепцию и биоэнергетическую теорию развития АПК и использовать комплексный биоэнергетическийкритерий энергетической оценки используемых и предлагаемых с/х культур и технологий.
В разработанной биоэнергетической теории, для экономного ведения сельского хозяйства в математических моделях, предлагается соединить и оценить совокупную энергию в пересечении двух энергетических потоков: солнечного и дождевых осадков для конкретных климатических условий в зональных экосистемах любых территорий и любых антропогенных управляющих механизированных энергетических воздействий на семена, почву, ее влагообеспеченность и на вегетирующие растения для установления роли их воздействия на энергопродуктивность и удельное энергосодержание с.-х. продукции[7;12;22;25;26]..
Всуществующихагроэкосистемах растениеводства
существует строгая иерархия циклов по уровню значимости и времени энергетического воздействия (рис.1). На циклограмме перечисленные циклы в текущем времени ? имеют разную периодичность, т.е. частоту оборота, по отношению друг к другу, и разный уровень энергетического насыщения[27;28].
Экологическая цикличность, в свою очередь, накладывает ограничения на основные временные показатели биологических и технологических циклов растениеводства, характеризующихся конкретными периодами. В системах растениеводства доминирующим циклом по уровню значимости является экологический, причем в процессе эволюции взаимосвязь экологического и биологического циклов в природных экосистемах была приведена в определенное соответствие, выразившееся в эволюционном подборе культур в зональных экосистемах. К сожалению, система жесткого планирования сверху структуры посевных площадей и отсутствие научно обоснованной методологии формирования рациональной структуры с учетом оптимального взаимодействия эколого-биологических циклов привела в первую очередь к нарушению соответствия биологических, экологических циклов. Наиболее оптимальное сопряжение этих двух циклов оценивается биоэнергетическим КПД растений п, для конкретной зональной экосистемы.
В свою очередь, технологические циклы встроены во временную структуру эколого-биологических циклов растениеводства, имеют меньшую периодичность и большую частоту по отношению к ним и характеризуются биотехнологическим КПД растений. Машинные циклы имеют в этой иерархичной последовательности циклов самое меньшее время действия и соответственно большую частоту циклов и характеризуются технико-технологическим КПД [27, 28].
Процесс формирования эффективного структурно-организованного энергоэкономичного комплекса производства продукции растениеводства по совокупности энергетических, продуктивных и временных показателей можно представить разработанной функциональной схемой взаимодействия энергетических и продуктивных потоков в годовом сельскохозяйственном цикле (Рис. 1), позволяющей логически рассмотреть функциональные взаимосвязи трех условных подсистем (подсистема энерготехнологических
воздействий, подсистема энерготехнологических воздействий, подсистема почвенного плодородия).
12
Рис. 1. Взаимосвязь временных циклов в АПК
В существующих агроэкосистемах растениеводства существует строгая иерархия циклов по уровню значимости и времени энергетического воздействия (рис. 1). Ш циклограмме перечисленные циклы в текущем времени ? имеют разную периодичность, т.е. частоту оборота, по отношению друг к другу, и разный уровень энергетического насыщения.
Зональная экологическая цикличность, в свою очередь, накладывает ограничения на основные временные показатели биологических и технологических циклов растениеводства,
характеризующихся конкретными периодами выращивания с/х культур [2;4;11;20;30;] .
В свою очередь, технологические циклы встроены во временную структуру эколого-биологических циклов растениеводства, имеют меньшую периодичность и большую частоту по отношению к ним и характеризуются эколого-биотехнологическим КПД растений. Машинные циклы имеют в этой иерархичной последовательности циклов самое меньшее время действия и соответственно большую частоту циклов и характеризуются технико-технологическим КПД.
На рис.2 годичного хода основных эколого-энергетических и продуктивных показателей и хозяйственной периодичности в существующих системах растениеводства прослеживается распределение во времени основных характеристик годового сельскохозяйственного цикла - ФАР, температуры, суммарных антропогенных затрат (энергонагрузка), рассредоточенных по периодам: подготовка семян к посеву Ъ, вегетация tв, уборка и обработка урожая tyИtо, при накоплении биомассы, и подтверждается наличием нескольких взаимосвязанных энергопродуктивных циклов -экологического Еэ, биологического Еп, технологического Еаи машинного Ем, расположенных с определенной иерархией и последовательностью энергетических взаимодействий в строгом соответствии с временем циклов: экологического tэ, биологического ^и машинного^. Е^-энергия почвенного питания растений.
Рис. 2. Циклограмма годичного хода основных эколого-энергетических показателей и хозяйственной периодичности в растениеводстве
Явная неравномерность нагрузки (рис. 2.) во времени основного годового сельскохозяйственного цикла в существующих региональных эколого-биологических системах также отражает несовершенство организационно -технологической структуры современного производства и переработки сельскохозяйственной продукции и указывает на экстенсивный путь развития машинно-технологических комплексов сельскохозяйственного производства.
На рис. 2 годичного хода основных эколого-энергетических и продуктивных показателей и хозяйственной периодичности в существующих системах растениеводства прослеживается распределение во времени основных характеристик годового сельскохозяйственного цикла - ФАР, температуры, суммарных антропогенных
19
затрат (энергонагрузка), рассредоточенных по периодам: подготовка семян к посеву вегетация уборка и обработка урожая ^и^, при накоплении биомассы, и подтверждается наличием нескольких взаимосвязанных энергопродуктивных циклов - экологического Еэ, биологического Еп, технологического Еаи машинного Ем, расположенных с определенной иерархией и последовательностью энергетических взаимодействий в строгом соответствии с временем циклов: экологического tэ, биологического ^и машинного^. Ефар - фотосинтетическая активная радиация (МДж); Ен - суммарные технологические энергозатраты; t - изменение температуры; ^ - период вегетации; ^ - период подготовки семян к посеву; ^ - период посева; ty - период уборки и обработки урожая
Явная неравномерность нагрузки (рис.2) во времени основного годового сельскохозяйственного цикла в существующих региональных эколого-биологических системах также отражает несовершенство организационно-технологической структуры современного производства и переработки сельскохозяйственной продукции и указывает на экстенсивный путь развития машинно-технологических комплексов сельскохозяйственного производства.
Причины подобной экстенсивной тенденции во многом определяются технологической структурой современного сельскохозяйственного производства, которая все в большей степени обнаруживает свое несоответствие задачам повышения эффективности данной отрасли.
Системный анализ современных агротехнических приемов, направленных на увеличение продуктивности, показывает, что из-за отсутствия системного подхода в единой методологии формирования цельного структурно -организованного энергоэкономичного комплекса производства сельскохозяйственной продукции по совокупности энергетических, продуктивных, временных и социально-стоимостных показателей приводит к многократному дублированию и параллелизму в разработке технологических приемов, имеющих одинаковое назначение;
не устанавливает последовательность их использования и не определяет структурный вклад каждого из них в увеличение приращения урожая (биоэнергетический КПД) или его качественных показателей при снижении
энергоматериальных затрат.
Причины, порождающие двойное увеличение потребления энергоматериальных ресурсов, заключаются не только в многократном дублировании технологических операций и их энергетическом перенасыщении, но и в организационной структуре современного сельского хозяйства, функционирующего в жестком взаимодействии энергетических и продуктивных потоков, в существующих циклических и региональных системах растениеводства.
Если рассматривать сельскохозяйственные технологии, являющиеся открытыми системами, сопрягающие энергетические, продуктивные, временные и информационные потоки, с позиций теории интенсификации, то могут быть выделены два основных взаимосвязанных аспекта интенсификации сельскохозяйственного
производства: оптимизация энергосодержания
энергетических и продуктивных потоков в существующих циклических агросистемах и активизация развития разрабатываемых технико-технологических систем.
Исследованиями последних лет была показана важная роль энергетических критериев эффективности агросистем [27]. Однако для целей исследования стратегий интенсификации такой подход, ограничивающийся оценкой урожайности или энергосодержания различных структур
сельскохозяйственных систем, является уже недостаточным. Системный анализ энергосопряжения как ведущего фактора стратегии интенсификации требует рассмотрения сельскохозяйственных технологий в динамике на основе анализа временных и скоростных показателей.
Структурной предпосылкой, обусловливающей эффективность динамического подхода, является цикличность сельскохозяйственных технологий,
представляющих из себя совокупность связанных между
собой экологических, биологических и технологических процессов, имеющих циклическую зависимость в текущем времени годового периода (рис. 1).
Рассогласование основных циклов во временном периоде приводит к возникновению "узких" мест, увеличению материальных, энергетических, трудовых затрат и потерь сельскохозяйственной продукции.
В случае нарушения оптимального сопряжения временных и энергетических параметров вышеперечисленных циклов резко возрастают энергоматериальные затраты, что и наблюдается в современных технологических комплексах растениеводства.
Игнорирование соответствия экологических и биологических циклов путем планирования сверху по структуре и размещению объема производства продукции растениеводства без научно обоснованной системы привело к тому, что 40% площадей, например, в Красноярском крае занято под пшеницу. Наши исследования и разработки предполагают для этих территорий другие биоэнергетически совершенные культуры и другие энергоэффективные технологии [2;4;11;20;30;]
На рис. 3 приведены зависимости экологической энергии по среднемесячным температурам по Краснодарскому и Красноярскому краям и соответственно прироста биомассы пшеницы. При производстве пшеницы общая ориентация на увеличение урожайности путем увеличения сроков вегетации tвпривела к повсеместному внедрению сортов с увеличенным периодом tв^
Ц/га),
г,град 2 ^
месяц
Рис. 3. Сопряжение экологической, биологической и технологической цикличности при производстве пшеницы
Для Краснодарского края это, возможно, и оправдано, а для районов с относительно коротким циклом положительных температур (Красноярский край и другие аналогичные районы РФ) это оборачивается сокращением возможного периода уборки /у, чрезмерным пропорциональным увеличением технологических средств уборочного комплекса и резким увеличением потерь урожая из-за невозможности проведения комбайновой уборки в летний бездождевой период.
1,2 - изменение среднесуточных температур соответственно для Красноярска и Краснодара; 1',2' -зависимости прироста биомассы; ^п, - периоды
подготовки семян к посеву; 1^, - периоды сева; 1:2в -
12 12 периоды вегетации; 1: у, 1 у - периоды уборки урожая; t о, 1: о -
периоды обработки урожая
Причем ввиду явного несоответствия эколого-биологических циклов выращивания пшеницы в Краснодарском и Красноярском краях уровень урожайности резко отличается друг от друга еще и из-за недостаточной
влагообеспеченности почвы в вегетационный период на полях Красноярского края(120-400мм.) и Краснодарского края до 800 мм.
Попытки экстенсивного энергонасыщения
биотехнологических циклов антропогенной энергией увеличивают систему машин и энергоматериальные затраты и, как правило, не приводит к пропорциональному увеличению урожайности. Аналогичная тенденция наблюдается и в овощеводстве.
Следует отметить, что опережающее возрастание ресурсного обеспечения по сравнению с ростом валовой продукции сельского хозяйства за период с 1960 года наблюдается во многих странах с развитым сельским хозяйством [17].
Увеличение разницы в темпах роста между ресурсным обеспечением и продуктивностью показывает, что технико-технологический комплекс сельскохозяйственного производства развивается в основном экстенсивным путем из-за отсутствия теоретических предпосылок оптимального сопряжения экологических продуктивных энергетических и временных параметров производства растениеводческой продукции в различных зональных экосистемах России.
Таким образом, при производстве зерновых и овощных культур эколого-биологическая цикличность, особенно с коротким циклом положительных температур, накладывает свои жесткие ограничения на эффективность использования основных технологических агроприемов, таких, как период подготовки семян и почвы к посеву (У,[1;6;8;10;13;14;18;19;21;23;24].период вегетации и ухода за растениями ^в), период уборки (Ц) и обработки урожая ^о)\Ъ;5;8;10] и их взаимосвязь. Это можно выразить примерно так: увеличение периода вегетации на 5-10 дней сокращает на этот же период время уборки и приводит к пропорциональному увеличению количества техники и людей на уборке, что в конечном итоге увеличивает себестоимость продукции.
Поэтому временные параметры в циклических процессах растениеводства являются основой сельскохозяйственной структуры, во многом определяющие его эффективность. Уже сейчас очевидно, что при введении оптимального регулирования целостной структуры по совокупности экологических продуктивных, энергетических, временных, стоимостных и социальных показателей можно обеспечить значительный прорыв в интенсификации
сельскохозяйственного производства.
Таким образом, наряду с другими показателями, временная цикличность сельскохозяйственной структуры во многом определяет эффективность производства растениеводческой продукции.
Оптимальное сопряжение циклических подсистем с.-х. производства лежит в основе стратегии интенсификации и открывает перспективу снижения энергетических, материальных, трудовых и денежных затрат, в том числе и при тепличном выращивании растений [9-15,16 29].
Основными факторами такого сопряжения выступают энергетические, продуктивные и временные показатели, тесно связанные между собой. Например, существующий коэффициент сопряжения экологической и биологической цикличности в растениеводстве - коэффициент энергетического использования ФАР (КФАР), для зерновых культур в большинстве районов страны менее 1% при теоретически достижимом значении 5% и более процентов. Среди причин низкого уровня КФАРсущественную роль играет несоответствие сопряжения биологических и экологических циклов при низкой влагообеспеченности почвы в районах Сибири и в других климатических зонах нашей страны в период вегетации сельскохозяйственных культур.
Проведенный анализ влияния целостной структуры производства растениеводческой продукции по совокупности экологических продуктивных, энергетических, временных, стоимостных и социальных показателей производства растениеводческой продукции и существующей структуры машинно-технологического комплекса при производстве
растениеводческой и животноводческой продукции ставит перед с/х наукой следующие задачи:
1. Разработать биоэнергетическую теорию и методику отбора с/х культур с высоким биоэнергетическим КПД ФАР для их правильного и эффективного зколого-географического размещения в зональных экосистемах.
2. На основе биоэнергетической теории разработать методику отбора знергоэффективныхагроприемов и системы машин к ним, для прогнозирования и создания эффективной структуры сельскохозяйственных технологий и их оптимального распределения в годовых циклических процессах современного растениеводства и животноводства.
3. Разработать энергетическую теорию создания энергоэффективных с/х машин и обосновать их эффективное использование по стоимостным показателям производства растениеводческой и животноводческой продукции, зависящей от уровня регулируемости временных параметров в агроэкосистемах.
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 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 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. ВестникКрасГАУ, 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 электротеплоснабженияГорелов 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 ее регулированию. 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 структурыэлектротермических 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 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.
