рослинництво

5.5. Біоенергетичні основи рослинництва

Основою виробництва рослинницької продукції є перетворення сонячної енергії в енергію макроенергетичних зв’язків органічної речовини харчових продуктів через фотосинтез зелених рослин. Екологоенергетичний аналіз сучасних агроекоситем свідчить, що антропогенна енергія в значній мірі визначає величину продуктивності агрофітоценозів. Однак, у випадку значних втрат органічної речовини в агроландшафтах, внаслідок дегуміфікації, а також ерозії ґрунтів, знижується запас вільної енергії, рухомих форм біогенних елементів, зменшується біологічна інформативність або біорізноманіття. В результаті агроекосистеми еволюціонують у бік деградації та нестабільності.

При аналізі потоків антропогенної енергії в рослинництві необхідно врахувати не тільки витрати енергії на вирощування окремих культур, але й енергоємність відтворення ґрунтової родючості.

У сучасному сільськогосподарському виробництві велике значення має врахування енергозатрат в системі технологій вирощування сільськогосподарських культур, заготівлі, переробки, зберігання кормів при різних способах і раціонах годівлі тварин. Враховують також вміст валової та обмінної енергії (BE і OE) в одиниці врожаю зерна, кормів, технічної сировини. Порівняння енергії, акумульованої в урожаї, із сукупною енергією, затраченою на вирощування і збирання врожаю, дає змогу об’єктивно оцінити технологію вирощування польових культур, а також заготівлю, приготування, зберігання кормів та ін.

Розуміння біоенергетичної суті виробництва продукції рослинництва, кількісне врахування і аналіз процесів перетворення потоків вільної енергії в агроекосистемах, дає можливість визначити перспективні напрямки розвитку агротехнологій. Технології виробництва сільськогосподарської продукції повинні забезпечувати найбільш повне використання природних агроенергетичних ресурсів, зменшити ріст питомих витрат антропогенної енергії на одиницю продукції та знижувати негативну дію на оточуюче середовище, в тому числі на родючість ґрунту.

Затрати сукупної енергії на вирощування культури, вміст енергії в урожаї, раціоні, тваринницькій продукції, залежно від кількості, прийнято виражати в кілоджоулях (1 кДж = Дж*103), мегаджоулях (1 МДж = Дж*106), гігаджуолях (1 ГДж = Дж*109), тераджоулях

(1 ТДж = Дж *1012).

231

При вирощуванні сільськогосподарських культур затрати і акумуляцію енергії здебільшого виражають в мега- і гігаджоулях (МДж, ГДж).

Сучасна (інтенсивна) технологія вирощування польових культур повинна бути енергозберігаючою, тобто такою, що забезпечує мінімальні затрати сукупної енергії на одержання одиниці продукції. У рослинництві на одиницю затраченої сукупної енергії, в процесі вирощування культури, припадає 2-7 і навіть більше одиниць енергії, акумульованої в урожаї.

Співвідношення валової енергії (BE) врожаю до кількості сукупної енергії (∑E), затраченої на його вирощування, прийнято називати

енергетичним коефіцієнтом (Ек) вирощування культури (Ек=ВЕ/∑Е),

а співвідношення обмінної енергії (OE) до сукупної (∑E) –

коефіцієнтом енергетичної ефективності вирощування культури

(Ке.еф=ОЕ/∑Е).

Енергетичний коефіцієнт (Ек) характеризує біоенергетичну ефективність агросистеми вирощування культури. Коефіцієнт енергетичної ефективності (Kе. еф) частіше застосовують у кормовиробництві, як коефіцієнт енергетичної ефективності виробництва кормів.

Для розрахунків Ке. еф. треба зробити поправку на перетравність сухої маси врожаю, яку визначають за довідниками або розраховують за вмістом обмінної енергії в 1 кг сухої речовини корму, використовуючи формулу Ж. Аксельсона:

ОЕ сухої речовини корму = 13,1 (СР - Кл 1,05),

де 13,1 – коефіцієнт, який є добутком середнього показника перетравності сухої речовини (0,73) на середній показник валової енергії 1 кг сухої речовини корму, що дорівнює 18 МДж; CP – 1 кг сухої речовини корму; Кл – вміст клітковини в кормі (може коливатись в широких межах залежно від культури і фази збирання – 0,12- 0,32), значення його беруть у довідниках або визначають за результатами аналізу; 1,05 – поправочний коефіцієнт. Для прикладу наведемо розрахунок вмісту обмінної енергії в 1 кг сухої маси люцерни:

ОЕлюцерни = 13Д(1 - 0,26*1,05) = 9,33 МДж.

Як бачимо, між показником валової енергії (BE) сухої речовини корму (в середньому дорівнює 18 МДж) і обмінної (OE) існує велика різниця (18,0 - 9,33) = 8,67 МДж.

232

Кількість валової і перетравної енергії (МДж/га або ГДж/га) визначають за сухою речовиною господарського врожаю (зерно + побічна продукція, корені + гичка та ін., в т/га або ц/га). Кілограм сухої речовини в середньому дає 16732 кДж. Перерахувавши суху речовину господарського врожаю на кілограми, одержимо певну кількість кілоджоулів енергії, акумульованої посівом. Наприклад, суха надземна маса кукурудзи на зерно (зерно + стебла, листя + стрижні і обгортки качанів) становить 150 ц/га або 15 000 кг/га.

Вміст валової енергії (BE) в урожаї становить

15 000 • 16 732 = 250 980 000 кДж/ґа (250,95 тис. МДж/га або 250,95 ГДж/га).

При визначенні затрат сукупної енергії на вирощування культури роблять розрахунки її по кожному прийому вирощування (лущення стерні, енергоємність добрив та їх внесення, оранка, весняне вирівнювання ґрунту, передпосівна культивація, сівба, догляд за посівами, збирання врожаю, доочищення зерна тощо). Для цього визначають також вміст енергії у пальному, мастилі, насінному матеріалі, гербіцидах, інсектицидах, фунгіцидах, десикантах, дефоліантах; енергетичність агрегатів, транспортних засобів, праці механізаторів тощо. Підсумок їх і є показником затрат сукупної енергії при вирощуванні культури.

Велике значення має економія пального при перевезенні врожаю. Якщо, наприклад, зелені корми транспортують з полів, розміщених за 5-10 км і більше від ферми, витрати пального досягають 60-70 і навіть 100-120%, його витрат на вирощування кормових культур. При перевезенні зерна, сіна, сінажної маси вони в 2-4 рази нижчі порівняно із транспортуванням зеленої маси, в якій всього 16-22% сухої речовини.

Методи біоенергетичної оцінки технологій вирощування культур, заготівлі переробки сировини, зберігання і згодовування кормів дають змогу контролювати затрати, нaгpомaдження, конверсію і біоконверсію енергії в усій системі виробництва. В цьому ланцюгу енергія нагромаджується лише в процесі фотосинтезу, потім лише витрачається під час заготівлі, зберігання, переробки, згодовування.

За даними зарубіжних і вітчизняних учених, а також враховуючи проведені розрахунки загалом, можна вважати задовільним і навіть добрим результатом, коли в системі виробництво кормів – тварина – тваринницька продукція на 8-10 одиниць затраченої енергії буде одержано одиницю акумульованої енергії у вигляді тваринницької продукції.

233

При біоенергетичній оцінці різних технологій вирощування однієї і тієї самої культури і порівнянні між собою технологій вирощування різних культур, підсумковими показниками є вихід валової і обмінної енергії на 1 га посіву, енергетичний коефіцієнт і коефіцієнт енергетичної ефективності вирощування культури, приріст валової енергії на 1 га посіву.

Великі затрати антропогенної енергії в агроекосистемах, наприклад застосування інтенсивних технологій, як правило, пов’язані з більшим або меншим негативним впливом на природне середовище. Це викликано як самим процесом отримання енергії на теплових або атомних електростанціях, так і наступним її використанням, наприклад, на виробництво мінеральних добрив, хімічних меліорантів, пестицидів.

Особливо актуально в цьому відношенні є проблема додаткових витрат антропогенної енергії для компенсації втраченої родючості ґрунту, в результаті різних деградаційних процесів. Ці витрати енергії можливо в значній мірі мінімалізувати, зменшувати техногенний прес на екосистеми і таким чином знизити різні погіршення природного середовища. Отже, енергетичний аналіз агроекосистем дає можливість визначити енерговитратні ланцюги і процеси в системі землеробства та запропонувати альтернативні, менш енергоємні заходи, і таким чином, знизити антропогенне навантаження на сільськогосподарські ландшафти та підвищити конкурентноздатність аграрного виробництва.

Економія пального, раціональне використання добрив, поливної води, часткова або повна заміна пестицидів альтернативними агротехнічними і біологічними заходами, заміна оранки поверхневим і нульовим обробітком, поєднання кількох технологічних операцій за один прохід агрегату, підбір сортів і гібридів, стійких проти шкідників, хвороб, а також бур’янів, зменшення транспортних витрат на перевезення врожаю – основні складові енергозберігаючих технологій виробництва зерна, кормів, технічної сировини.

В результаті енергозберігаючі технології підвищують сталість, екологічну безпечність та економічну ефективність сільськогосподарських виробничих систем.

Питання для самоконтролю:

1.Значення системи сівозмін та їх структура.

2.Класифікація сівозмін.

3.Значення обробітку ґрунту. Система обробітку ґрунту (основного, передпосівного та догляду за посівами).

234

4.Прийоми та способи обробітку ґрунту.

5.Мінімалізація обробітку ґрунту. Основні умови ефективного її застосування.

6.Охарактеризуйте інтенсивний полицевий та плоскорізний обробітки ґрунту.

7.Які способи обробітку ґрунту характеризуються вищою енергетичною ефективністю?

8.Формування густоти стояння рослин та площі живлення в залежності від способів посіву.

9.Строки сівби, глибина загортання насіння та норма висіву.

10.Охарактеризуйте основні способи та строки збирання врожаю сільськогосподарських культур.

11.Значення коефіцієнта енергетичної ефективності вирощування сільськогосподарських культур.

12.У чому полягає методика енергетичної оцінки технології виробництва продукції рослинництва?

13.Охарактеризуйте методи біоенергетичної оцінки технології вирощування культур.

235

РОЗДІЛ 6. АГРОЕКОСИСТЕМИ

ТА АНТРОПОГЕННИЙ ВПЛИВ

6.1. Поняття та умови функціонування агроекосистем

Зв’язки між елементами біосфери не лише динамічні, а й досить стійкі. Разом з тим, людина, у процесі своєї діяльності, часто завдає шкоди цим усталеним зв’язкам, тобто навколишньому середовищу, у якому досить розірвати його одну ланку, як порушується весь ланцюг – біота (сукупність рослинних і тваринних організмів). Тому, під впливом антропогенного фактора, навколишнє середовище постійно змінюється і, на жаль, частіше в негативний бік. Великої шкоди завдають викиди в атмосферу різних хімічних сполук промисловими підприємствами і транспортними засобами. Випадаючи з опадами, вони забруднюють навколишнє середовище – ґрунт, водойми, підґрунтові води, природні угіддя, моря, повітря. На Землі є лише окремі оазиси, де повітряний басейн відносно чистий, зокрема його нижні шари.

Глобальність антропогенного фактора. Ноосфера. У другій половині XX ст. негативний вплив антропогенного фактора спостерігається в усій геосфері (тропосфері, гідросфері і літосфері). Оскільки підземні випробування ядерної зброї спричинювали тектонічні коливання, негативна дія цього фактора поширювалася і на області мантії Землі. Людина змінює навколишнє і особливо природне середовище – біогеосферу, створюючи нове, якісно відмінне від попереднього. Таке нове природне середовище В.І. Вернадський назвав ноосферою. Але, за В.І. Вернадським, ноосфера має бути результатом позитивної діяльності людини. Оскільки попередній стан природи і навіть певної території Землі відновити неможливо, необхідно забезпечити гармонійне функціонування біосфери та її екосистеми, хоча внаслідок діяльності людини вони можуть відрізнятися від природних. Наприклад, досить порівняти природне середовище цілинного степу і розораних земель, де рослинний і тваринний світи суттєво різняться між собою.

Біогеоценоз. Екосистема. Умови їх функціонування залежно від антропогенного фактора. Складовою частиною біосфери є біогеоценоз, у межах якого відбувається біогенний кругообіг речовин, підтримується складний динамічний біологічний зв’язок. Якщо, наприклад, зникає повністю або тимчасово один із компонентів, частку його роботи беруть на себе інші, завдяки чому підтримується стійкість біогеоценозу. Однак, це не може тривати довго, особливо коли з біоценозу

236

випадає кілька рівнозначних видів рослин або тварин, бо при їх зникненні лишаються поживи інші види. Порушуються також процеси утилізації речовин, що можуть спричинити загибель біогеоценозу чи екосистеми. Це спостерігається, наприклад, у районах великих промислових розробок, видобутку корисних копалин, зокрема нафти, вугілля, де не завжди забезпечується своєчасне відновлення середовища (рекультивація). Звичайно, природа певною мірою себе перестраховує,

іодин біоценоз в екосистемі змінюється іншим. Так було і тоді, коли під впливом географічних катаклізмів (виверження вулканів, геологічні зміни, кліматичні фактори) змінювалися рослинні формації, трофічні зв’язки і самі біоценози.

Під сільськогосподарською екологічною системою (агроеко-

системою) розуміють природний комплекс, змінений (трансформований) сільськогосподарською діяльністю людини, яка, як частина трофічного ланцюга, складова частина екосистеми і гетеротроф, уже давно не задовольняється існуючими трофічними зв’язками, їх масштабами і створює штучні біоценози, більш продуктивні, ніж природні. Агроекосистема – це штучна або змішана система рослинних, тваринних і мікробіологічних угрупувань з невираженим або відсутнім механізмом саморегулювання, запланована продуктивність яких підтримується за рахунок прямих і опосередкованих енергетичних інвестицій, при припиненні або критичному зниженні яких вона деградує, втрачає свої проектні властивості.

При розорюванні земель фітоценози (природні рослинні угрупо-

вання) змінюються штучними – агрофітоценозами. Залежно від ступеня і характеру впливу людини розрізняють: агрофітоценози окультурені – природні фітоценози, змінені інтенсивним використанням (луки); агрофітоценози напівкультурні, розвиток рослин яких планомірно не регулюється (лісові насадження); агрофітоценози культурні, розвиток яких постійно регулюється (посіви, сади); агрофітоценози інтенсивно культурні, в яких створюються і постійно регулюються ґрунтове, водне

іповітряне середовище (тепличні культури). Останні можна вважати

неоценозами.

Впредставлених агрофітоценозах складаються якісно інші трофічні зв’язки. Природний процес зміни рослинності змінюється штучним і йде не від природи, а від людини – у зворотному напрямі. При цьому нагромаджується багато відходів, що не характерне для природної трофіки. В таких випадках людина стає ніби чужою складовою частиною природи, виходячи із загального біогенного колообігу.

237

В результаті її діяльності, створюється інший екологічний комплекс, який істотно порушує природні біоценози й екосистему. Це можна спостерігати в сівозмінах, де застосовують технології вирощування культур, що передбачають внесення в ґрунт і на посівах великої кількості різних хімікатів, які в подальшому циркулюють у біосфері

(рис. 11).

Рис. 11. Циркуляція пестицидів у біосфері

Здебільшого вони згубно діють на рослини і ґрунтову біоту, природну трофіку. Створюються агробіоценози із зруйнованими зворотними зв’язками. Екологічні умови на таких полях різко погіршуються, продукція містить внесені хімічні сполуки. Ферментативна система рослин не розкладає і не виводить їх з кореневими виділеннями, а тому вони накопичуються в рослинницькій продукції.

В цьому плані великої екологічної шкоди завдають біосфері діоксин (тетрахлордибензо парадіоксин – ТХДД). Це синтетична вельми стійка і дуже сильноотруйна речовина. Діоксин у 67 тис. разів токсичніший за ціанід калію і в 500 разів – за стрихнін. Ця сполука досить довго зберігається в навколишньому середовищі і дуже ефективно переноситься по ланцюгу живлення рослина – людина або рослина – корм – тварина – тваринницька продукція – людина. Ця тотальна отрута в невеликих кількостях завжди є в продуктах, воді, повітрі.

238

Діоксин утворюється під час технологічних процесів, у яких використовують хлор і вуглець. Найбільше його викидають підприємства: металургійні; з виробництва паперу; численні хімічні заводи; фабрики, що виробляють пестициди, всі установки для спалювання відходів, заводи, що виготовляють широко вживаний пластик полівінілхлорид (ПВХ); автомобілі на автострадах. Діоксини і близькі до них фурани – група хімічних сполук, яких налічується понад 200. З них 17 надзвичайно шкідливі для природи і людини. За незначної концентрації цих сполук у продуктах організм встигає виводити їх без шкоди для себе. Отже, агроекосистема є несталою системою агроценопопуляцій, культивованих рослин, на оброблюваних ґрунтах із певним складом, структурою й режимом, які підтримуються і регулюються сільськогосподарськими працівниками, а за відсутності такого контролю, поступово втрачає свої властивості.

Під екологічною системою (екосистемою) розуміють цілісну природну одиницю, що утворилася в результаті взаємодії компонентів груп живих істот і неорганічного середовища їх проживання. Внаслідок цієї взаємодії створюється нова якість і відповідний колообіг речовин та енергії між організмами і середовищем проживання. До природних екосистем належать лише стабільні системи з визначеними трофічною й енергетичною організаціями. Крім того, в певних межах вони характеризуються саморегуляцією. Екосистему зазвичай визначають як сукупність живих істот та умов середовища:

Екосистема = Біотип + Біоценоз Життя на планеті – єдина система в різних формах на неоднакових

рівнях. Це велетенський всеосяжний біологічний комплекс, який прийнято називати біологічною сферою, або біосферою. Розрізняють такі три основні частини біосфери – літосферу, гідросферу і тропосферу. В літосфері – верхній частині земної поверхні – відбувається найбільш активний біологічний розвиток рослинного і тваринного світу. Тут життя сконцентроване переважно на її поверхні та в шарі ґрунту до 2-3 м, зрідка – до 5-10 м (у тому числі коренева система дерев і трав’янистих порід). У наш час рослинний і тваринний світ літосфери є основним джерелом харчування людини.

Гідросфера – води рік, озер, морів, океанів. Це середовище, де можливе самостійне існування різноманітного рослинного і тваринного світу (від найпростіших до ссавців). Оскільки поживні речовини є в усій товщі води, а не лише на дні, відповідно і життя існує від поверхні водойми до дна і на самому дні. При цьому, навіть глибоководні моря,

239

не становлять винятку. Разом з тим, у гідросфері менше кисню, ніж в літосфері, тому відповідно менше маса рослин і тварин на одиницю її об’єму. Однак, площа водного дзеркала морів, океанів, озер та інших водойм набагато більша за площу літосфери. Тому запаси біомаси в гідросфері величезні і при раціональному їх використанні, можуть бути значним джерелом повноцінного харчування людини

Найменш щільна тропосфера – нижня частина атмосфери. Організми, які її населяють, не можуть тривалий час існувати без поверхні землі. Немає також тварин, які б постійно перебували в повітрі.

Біосфера – результат діяльності різних макро- і мікроорганізмів. У ній постійно підтримується біогенний кругообіг речовин – енергії

(рис. 12).

Рис. 12. Складові частини біосфери і їх взаємодія –

взаємозв’язок малого біологічного колообігу речовин (МБК) з великим геологічним колообігом.

Трофічні зв’язки – основа біосфери. Між тропосферою (атмосферою), гідросферою та літосферою, завдяки діяльності організмів, існують добре відрегульовані біологічні (харчові – трофічні) зв’язки рослинних і тваринних організмів. Завдяки їм на Землі підтримується життя, як стійке планетарне явище, забезпечується система взаємозв’язків рослин, тварин і людини.

240