Энергетическая оценка технологий возделывания и уборки озимой пшеницы при длительном применении средств химизации в полевом севообороте Центрального Нечерноземья России

Актуальность. В последние годы в мировой практике наряду с традиционными методами оценки эффективности производства сельскохозяйственных продуктов посредством денежных и трудовых показателей все большее значение приобретает метод энергетической оценки, учитывающий как количество энергии, затраченной на производство сельскохозяйственной продукции, так и аккумулированной в ней. Применение этого метода дает возможность наиболее точно учесть и в сопоставимых энергетических эквивалентах выразить не только затраты энергии живого и овеществленного труда на технологические процессы и операции, но также энергию, воплощенную в полученной продукции (Методика биоэнергетической оценки., 1983; Булаткин, 1983; Методика энергетического анализа., 1995; Миндрин, 1997).

Энергетическая оценка позволяет сравнивать различные технологии производства сельскохозяйственной продукции с точки зрения расхода энергетических ресурсов, определить структуру потоков энергии в агроценозах и выявить главные резервы экономии технической энергии в земледелии. Определение как затраченной, так и полученной энергии дает возможность количественно оценить энергетическую эффективность возделывания сельскохозяйственных культур.

При возделывании сельскохозяйственных культур как в севообороте, так и монокультуре по интенсивной технологии имеется целый ряд факторов, которые лимитируют получение высокой продуктивности с хорошим качеством. К таким факторам относятся: полегание, поражение растений болезнями, засоренность посевов, неравномерность созревания, образование подгона и др. Известно, что получение высоких урожаев гарантировано только при использовании удобрений, эффективность которых зависит от благоприятной фитосанитарной обстановки. Она может быть создана и поддерживаться агротехническими мероприятиями, в т. ч. и за счет средств химизации, которые применяются в едином блоке совместно или последовательно.

Проблемы взаимодействия различных групп пестицидов и минеральных удобрений при энергетической оценке эффективности возделывания сельскохозяйственных культур в некоторой степени исследованы на ряде зерновых культур в краткосрочных опытах (Цимбалист, 1993; Долматов, 1993; Цимбалист, Ладонин, Алиев и др., 1996; Никифоров, 1996; Внукова, 1997 и др.).

Энергетическая оценка эффективности возделывания сельскохозяйственных культур в севообороте в отечественной и зарубежной литературе встречается крайне редко (Булаткин, 1983; Посыпанов, Долгодворов, 1995 и др.), а вопросы длительного применения средств химизации в этом плане относятся к мало или совершенно не разработанным для агроценозов не только центрального Нечерноземья России, но и всей России и всего мира и именно поэтому являются актуальными. Значимость их возрастает в связи с обострением экологических, энергетических и экономических проблем.

Цель и задачи исследований. Главная цель работы — установить действие длительного применения видов и доз средств химизации на энергетическую эффективность в технологиях возделывания озимой пшеницы в севообороте и дать оценку их сочетаниям. Для достижения этой цели предусматривалось решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методик определения энергетической эффективности технологий возделывания зерновых культур и выбрать наиболее реальные энергетические эквиваленты энергетических и трудовых ресурсов и средств химизации.

2. Дать оценку двум методам определения энергетической эффективности возделывания озимой пшеницы в технологиях: а) на прибавку урожаяб) на всю технологию возделывания.

3. Изучить закономерности действия длительного применения средств химизации и засоренности полей на основные показатели энергетической эффективности возделывания озимой пшеницы в полевом севообороте центрального Нечерноземья России: накопление энергии зерном, энергозатраты на 1 га и 1 ц основной продукции и коэффициент энергетической эффективности.

4. Выявить рациональное сочетание видов и доз средств химизации при их длительном применении в полевом севообороте.

5. Представить структуру потоков энергии в агроценозе озимой пшеницы по всей технологии их возделывания в зависимости от засоренности полей и длительного применения средств химизации в полевом севообороте.

Научная новизна. В условиях центрального Нечерноземья России (Московская обл., ЦОС ВНИИА) на посевах озимой пшеницы исследованы различные сочетания средств химизации (навозно-минеральная и минеральная системы удобрений, гербициды, фунгициды, ретарданты) при их многолетнем использовании в полевом севообороте.

Впервые проведено сравнение существующих групп энергетических эквивалентов энергетических и трудовых ресурсов и исследуемых средств химизации и их влияние на энергозатраты на 1 га и 1 ц основной и побочной продукции, коэффициент энергетической эффективности и структуру потоков энергии в агроценозе озимой пшеницы.

Показано, что для Центрального района Нечерноземной зоны РФ при возделывании озимой пшеницы в севообороте необходимо применение как сочетания органических (10 т/га в расчете на год) и минеральных (N35.120P30−60K30−15о), так и минеральных систем удобрений (N|2(.i5oP69−9oKi4o-i6o) при внесении рекомендуемых с соблюдением регламентов доз гербицидов, фунгицидов и ретардантов.

Основные защищаемые положения:

— действие длительного применения видов и доз средств химизации на энергетическую эффективность в технологиях возделывания озимой пшеницы;

— сравнительный анализ методик определения энергетической эффективности технологий возделывания и уборки зерновых культур:

— структура потоков энергии в агроценозе озимой пшеницы.

Практическая ценность работы. На основании экспериментальных данных установлено, что на дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почвах с содержанием в почве гумуса 1,6−2,1%, подвижных форм фосфора. 2−18 и калия 11−18 мг/100 г при возделывании озимой пшеницы в севообороте эффективными являются как сочетания органических (10 т/га в расчете на год) и минеральных (N35.120P30−60K30.150), так и минеральных систем удобрений (N120−150P70−90K140−160) в комплексе со средствами защиты растений (гербициды, ретарданты и фунгициды) согласно регламентам их использования и необходимости.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы были доложены на Втором Всероссийском научно-производственгом совещании (Голицыно, ВНИИФ, 2000), конференциях аспирантов^ докторантов и соискателей ВИУА (Москва, 1998), международной научно-практической конференции (Владимир, 2004). По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов и рекомендаций производству. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 31 таблицу, 17 рисунков. Библиографический список включает 70 отечественных и 8 зарубежных источников.

выводы.

1. Необходима унификация энергетических эквивалентов используемых энергоресурсов, многократно различающихся по отдельным их видам: пометаллу для сельскохозяйственной техники в 26 раз, топливу и электрической энергии почти в 2 разаживому труду в 50 раз, семенам в 2 раза. При использовании контрастных групп энергетических эквивалентов в зависимости от их использования различия в энергозатратах всей технологии возделывания и уборки озимой пшеницы сокращаются до 2−3 раз, по Кээ [по Володину и др. (1999) в сравнении с базовым вариантом в 1986 г.] - до 1,3−1,8.

2. Средства химизации оказывают различное влияние на показатели энергетического анализа. Гербициды в первые 2-е ротации оказывали меньшее положительное влияние, чем в последующие, особенно, в 5-й и 6-й ротациях. Улучшение фитосанитарной обстановки посевов озимой пшеницы с помощью комплекса средств защиты растений (гербициды, ретарданты, фунгициды) способствовало улучшению показателей энергетического анализа в 2−3 раза. Сами минеральные удобрения или их сочетание с органическими не всегда способствовали улучшению показателей энергетического анализа — Кээ на удобренных фонах всегда был ниже, чем на контроле. СЗР способствовали более эффективному использованию удобрений, и в некоторых случаях Кээ был на уровне или выше, чем на контроле, созданного на фоне 24-х-летнего применения удобрений и СЗР.

3. Агротехногенная нагрузка зависит от уровня интенсификации земледелия. В наших исследованиях по базовому варианту расчета она варьирует от 11,4 (контроль) до 36,6 ГДж/га и никаких отрицательных экологических последствий до сих пор (уже 46 лет) не выявлено.

4. Энергетический эквивалент подстилочного навоза не может быть величиной постоянной и зависит от количества и энергоемкости соломы, способа хранения (рыхлого, плотного или их комбинации) и используемой группы энергетических эквивалентов энергоресурсов и живого труда.

5. Предлагается распределение энергозатрат на производство и хранение подстилочного навоза по годам действия на основе энергетических эквивалентов NPK и многолетних данных Геосети ВИУА по использованию питательных веществ органических удобрений по годам действия: 1-й год — 34, 2-й — 29,3-й -13,4-й -10,5-й — 8,6-й — 6%.

6. Сопутствующие факторы иногда оказывают существенную роль в формировании энергозатрат определенных операций. Так, сильное засорение посевов увеличивает энергозатраты при прямом комбайнировании с копнением в такой степени, что совокупные энергозатраты технологии на фоновом варианте без применения гербицидов оказываются выше, чем при их внесении, что сказывается на показателях энергетического анализа. В этом случае энергетический анализ проводят по всей технологии возделывания и уборки озимой пшеницы, а не на прибавку урожая.

7. Энергоемкость производства 1 ц зерна с учетом дополнительной продукции в основном наименьшая на контрольном варианте, повышается при использовании как минеральных удобрений, так и сочетания их с навозом почти в одинаковой степени. Снижение энергоемкости зерна на фоне удобрения достигается внесением СЗР за счет улучшения фитосанитарной обстановки и повышения эффективности использования удобрений.

8. Кээ изменяется также, как и энергоемкость производства 1 ц зерна, только в противоположном направлении. Наиболее высокий Кээ отмечен на контрольном варианте и при использовании всего комплекса средств химизации.

9. Структура потоков антропогенной энергии в технологии возделывания и уборки озимой пшеницы изменяется от самой технологии и группы энергетических эквивалентов энергоресурсов и живого труда. Причем от группы энергетических эквивалентов в большей степени, чем от средств химизации.

10. Наиболее энергетически эффективными приемами возделывания является сочетание как умеренных, так и более высоких доз удобрений в сочетании с пестицидами. При этом получен наиболее высокий выход накопленной энергии, более низкая энергоемкость продукции и выше Кээ.

11. В технологиях возделывания озимой пшеницы существует альтернатива выбора оптимального решения на основании энергетических показателей по сочетанию доз удобрений с пестицидами или без применекмя средств химизации на ранее созданных уровнях плодородия с учетом урожайности культуры.

ПРЕДЛОЖЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВУ.

На дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почвах с содержанием в почве гумуса 1,6−2,1%, подвижных форм фосфора 2−18 и калия 11−23 мг/100 г при возделывании озимой пшеницы в севообороте применять, исходя из расчета на планируемый урожай, сочетание органических (10 т/га в расчете на год) и минеральных (N35-j20Р30−60К30−150) или минеральных (N, 20−15оРбо-9оК140-t6o) систем удобрений в комплексе со средствами защиты растений (гербициды, ретарданты и фунгициды) согласно регламентам их использования и необходимости.

8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При анализе отечественных и зарубежных источников литературы по энергетической эффективности технологий возделывания и уборки озимой пшеницы мы столкнулись с рядом проблем, возникающих из-за:

1) значений величин энергетических эквивалентов используемых энергоресурсов, многократно различающихся по отдельным их видам;

2) определения термина энергетического эквивалента и его использования при расчетах;

3) недостаточно проработанной агрохимической и экологической точек зрения при энергетическом анализе при: а) производстве и хранении подстилочного соломенного навозаб) отсутствии учета сопутствующих факторов, по крайней мере засоренности полей;

4) навязывания в большинстве случаев единого энергетического эквивалента подстилочного соломенного навоза;

5) использования 2-х методов определения энергетической эффективности энергоресурсов, исходя из расчета соотношения энергии и затрат на ее получение: а) на прибавку урожаяб) на всю технологию возделывания и уборки озимой пшеницы.

6) оценки предельной агротехногенной нагрузки на единицу площади;

7) структуры потоков антропогенной энергии в сельскохозяйственном производстве.

В литературном обзоре нами показано различие энергетических эквивалентов по:

— топливу и электрической энергии почти в 2 раза;

— живому труду в 50 раз;

— металлу для сельскохозяйственной техники в 26 раз и т. д.

Сравнительный анализ контрастных групп значений энергетических эквивалентов показал, что в зависимости от их использования различия в энергозатратах всей технологии возделывания и уборки озимой пшеницы сокращаются до 2−3 раз.

Энергетический эквивалент представляет собой энергосодержание продукта плюс дополнительные затраты на его производство и доставку. При расчете энергозатрат это часто не выдерживается и можно сказать всегда. В зависимости от энергоресурса используется либо 1-я, либо 2-я его часть или же их сочетание. Так, по топливу предлагается коэффициент на дополнительные энергозатраты, который не всегда используется, не говоря о том, что он вряд ли обоснован (Миндрин, 1997). По металлу для энергетических средств и сельскохозяйственной техники приводят энергетические эквиваленты то 120 и 104, то 86,4 и 75 соответственно. Конкретный расчет некоторых энергетических эквивалентов ряда ресурсов приведен Миндриным (1997). Энергетические эквиваленты по видам удобрений даны Pimentel et al. (1989), которые значительно отличаются от приведенных Миндриным (1997).

Мы представим здесь 2 варианта расчета для энергетического анализа технологий возделывания озимой пшеницы: 1) с энергетическими эквивалентами, взятыми в основном из методики эн. анализа.(1995) и 2) из работ Миндрина (1997) и общее в обоих случаях для пестицидов — Гончарова и др. (1999), ретардантов — Посыпанова, Долгодворова (1995). В дальнейшем мы будем их обозначать как 1) методика эн. анализа.(1995) и 2) Миндрин (1997), так как полностью все энергетические эквиваленты не приведены ни в одной из существующих методик, да этого и не может быть. По органическим удобрениям добавим наши данные. В качестве исходных возьмем данные ЦОС ВИУА 1989 г., в которых есть контроль без удобрений и пестицидов и навоз, приготовленный из соломы данного опыта может быть внесен в 1990 г. осенью, т. е. 1-й год его действия проявится в 1991 г., а 2-й — в 1992 г. на посевах 1-й озимой пшеницы 6-й ротации.

Согласно результатам наших исследований энергоемкость соломы варьировала очень широко: в 1989 г. в 5-й ротации севооборота 561−1060 МДж/т по методике эн. анализа.(1995) и 413−1250 по Миндрину (1997). Минимальное значение энергоемкости соломы соответствует контрольному варианту без удобрений и пестицидов, а максимальное — варианту с минеральными удобрениями. Согласно алгоритмам аналогично (Методика оценки новых видов., 1997 и Справочная книга по производству., 2001) по технологии НГСОС ВНИИА энергетический эквивалент подстилочного полуперепревшего навоза в зависимости от энергетических эквивалентов компонентов затрат при его производстве (2 ц соломы на 1 т навоза) и хранении по двум группам энергетических эквивалентов ресурсов: по методике эн. анализа.(1995) равен 359 и 476 МДж/т при 15% потерь массы навоза, при 30% - 436 и 578, по Миндрину (1997) — 295 и 492 МДж/т при 15% потерь массы навоза, при 30% - 358 и 597 соответственно на контроле и варианте с минеральными удобрениями. Рекомендуют для применения обычно пол у перепревший навоз со степенью разложения 15−30%. Таким образом, значения энергетического эквивалента подстилочного соломенного полуперепревшего навоза по методике эн. анализа. 1995 находятся в пределах 359−578 МДж/т, по Миндрину (1997) — 295−597.

Значения энергетического эквивалента подстилочного навоза в отличие от базового (400 МДж/т) по методике эн. анализа. 1995 составили 359 и 578 МДж/т или 89,7 и 145%, по Миндрину (1997) 295 и 597 МДж/т или 73,7 и 149%. При этом размах колебаний значений энергетического эквивалента подстилочного навоза от базового значения энергетического эквивалента подстилочного навоза по методике эн. анализа. 1995 был равен 56,3 и по Миндрину (1997) — 75,3% и находился в пределах -11,3 и +45% по 1-й методике и -26,3 и +49% по 2-й.

Накопленная энергия в зерне в 1992 г. как между фонами, так и межцу фоновыми вариантами при внесении пестицидов (одинаковой насыщенности ими) практически не изменялась (разница в пределах ошибки опыта). На обоих фонах отмечается сильное влияние гербицидов. При добавлении других средств защиты растений (одних ретардантов или ретардантов и фунгицидов) после внесения гербицидов существенных изменений не было (табл. 3.1).

Влияние средств химизации на энергозатраты при возделывании озимой пшеницы имеет иной характер. При использовании энергетического эквивалента подстилочного навоза 400 МДж/т эти энергозатраты были ниже на первом фоне по сравнению со вторым по обеим методикам, причем по 2-й это более выражено (табл. 8.1). Данная закономерность прослеживается на сравнимых вариантах по обоим фонам по обеим методикам при энергетическом эквиваленте навоза 359 МДж/т по 1-й и 265 и 597 — по 2-й. При более высоких его значениях: 578 МДж/т по 1-й методике и 1600 — по 2-й закономерность прямо противоположна, т. е. энергозатраты выше на первом фоне по сравнению со вторым.

Энергозатраты на 1 га в технологиях возделывания и уборки озимой пшеницы в 1992 г. в зависимости от расчетных энергетических эквивалентов подстилочного соломенного полуперепревшего навоза по методике эн. анализа. 1995 на вариантах по фону I составили 30,8−36,9- по Миндрину (1997) — 35,5−47,2 ГДж/га (табл. 8.1), а по предложенному нами распределению энергетического эквивалента подстилочного навоза (29+6=35% - сумма действия на 2- и 6-й годы) — 31,0−37,2 и 35,6−47,5 соответственно. В сравнении с общепринятыми методиками энергозатраты возрастут при энергетическом эквиваленте подстилочного навоза 295 МДж/т на 0,15 ГДж/га, 359 — 0,18, 578 -0,29,597- 0,30,2500- 1,28 и 3035 — 1,55 соответственно.

При последовательном насыщении гербицидами, ретардантами и фунгицидами энергозатраты возрастали по обеим методикам по обоим фонам, за исключением внесения фунгицидов по сравнению с внесением гербицидов и ретардантов на фоне I по методике эн. анализа. 1995 (табл. 8.1). Это происходило за счет ряда факторов, прежде всего энергетического эквивалента препаратов и воды.

Влияние энергегического эквивалента навоза от 359 до 578 МДж/т сказалось на совокупных энергозатратах по методике эн. анализа. 1995: они были ниже на всех 4-х вариантах по сравнению с базовым (400 МДж/т) на 0,4 ГДж/га в 1 -м случае и выше на 1,8 — во 2-маналогично по Миндрину (1997) от 295 до 597 МДж/т ниже на всех 4-х вариантах на 1,1 ГДж/га в 1-м случае и выше на 2,0 -во 2-м независимо от уровня применения средств защиты растений. Таблица 8.1. Энергозатраты при возделывании озимой пшеницы в зависимости от энергетических эквивалентов навоза, ГДж/га.

Вариант* Энергетический эквивалент подстилочного навоза, МДж/т.

По методике 1995 По Миндрину, 1997.

359 400 578 265 400 597 1600.

1. Фон I + Г + Р +Ф 34,7 35,1 36,9 44,2 45,3 47,2 57,3.

2. Фон I + Г + Р 34,5 34,9 36,7 42,0 43,1 45,0 55,1.

3. Фон I + Г 32,8 33,3 35,0 39,4 40,4 42,4 52,4.

4. Фон I* 30,8 31,2 33,0 35,5 36,6 38,5 48,6.

5. Фон II + Г + Р+Ф 35,2 35,2 35,2 42,6 42,6 42,6 42,6.

6. Фон II + Г + Р 35,4 35,4 35,4 42,8 42,8 42,8 42,8.

7. Фон II + Г 33,6 33,6 33,6 41,1 41,1 41,1 41,1.

8. Фон II* 32,2 32,2 32,2 39,7 39,7 39,7 39,7.

9. Контроль 13,4 13,4 13,4 10,1 10,1 10,1 10,1.

НСР05 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 — Фон 1-навоз 30 т/га 2 и 6 годы действия + N120P60K120- Фон II — N150Р60К160 Г — 2,4-ДА, 40% в.р., 2,0 кг/га препаратаР — ТУР, 60% в.р., 6,0 кг/га препаратаФ — фундазол, 50%, 0,5 кг/га препарата, тилт, 25% к.э., 0,5 кг/га препарата.

Кээ на каждом из 4-х вариантов минеральной системы опыта был одинаков по обеим методикам независимо от энергетического эквивалента подстилочного навоза. При этом не важно, какое было сочетание удобрений и средств защиты растений. Иную картину мы наблюдаем на навозно-минеральном фоне. При увеличении значения энергетического эквивалента подстилочного навоза по обеим методикам на фоне сочетания навоза и минеральных удобрений Кээ незначительно изменяется — отмечается только тенденция (табл. 8.2) за исключением энергетического эквивалента 1600 МДж/т по Миндрину (1997). Существенные различия между вариантами 1 и 4 и 3 и 4 имеем при всех трех значениях рассматриваемых эквивалентов по методике эн. анализа. 1995, а по Миндрину (1997) они вообще отсутствуют в интервале значений 265 — 1600 МДж/т при наших исходных и экспериментальных данных.