Мустафаев Ж.С.,
Козыкеева А.Т., Ибраимова А.К.
Таразский
государственный университет им М.Х.Дулати, Казахстан
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ В ОЦЕНКЕ ПРОИЗВОДСТВА
ЭФФЕКТИВНОСТИ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ
НА ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЛЯХ
Эффективность использования сельскохозяйственных
земель во многом зависит от энергетических вложений в агроландшафтной системе,
которые определяются объемом реальных затрат, которые несет общество для
получения продукции земледелия. В условиях орошаемого земледелия, основной
целью - накопление и вынос с урожаем энергии из агроландшафтов, требуется вкладывать
в определенную искусственную энергию, обеспечивающую их функционирование в
составе природной системы.
Один из способов функционирования агросистем - эколого-энергетичес-кий
анализ, позволяющий на основе исследования потоков энергии сравнивать различные
агросистемы по эффективности использования ресурсов. При этом
сельскохозяйственная система рассматривается как преобразователь входного
потока возобновимой и невозобновимой энергии в выходной поток сельскохозяйственной
продукции. Для оценки эффективности производства сельскохозяйственных культур
(потоковая структура) в рисунке 1 приведена типовая схема материальных потоков,
участвующих в производстве единицы сельскохозяйственной продукции озимой
пшеницы.
Рисунок 1 - Типовая
схема производства озимой пшеницы
При этом следует отметить, что типовая схема
производства озимой пшеницы (рисунок 1),
составлена на основе понятия «эмергия» - нормирование на солнечную
энергию количество различных энергетических потоков, участвующих в производстве
единицы сельскохозяйственной продукции, предложенным Г.Т. Одума, который
разработал соответствующую методологию анализа экосистем биосферы -
эмергетический анализ [1]: входные потоки; солнечная энергия - среднегодовая
сумма прямой солнечной радиации, МДж/м2/год; осадки - среднегодовая сумма осадков,
мм/год; сельскохозяйственная техника и
инфраструктура - сельскохозяйственные мероприятия, необходимые для ведения
производства высокоэффективным способом (применение пестицидов, биологические
средства борьбы с вредителями, затраты на ирригацию и мелиорацию,
природозащитные мероприятия) и затраты на поддержание всего комплекса
гидротехнических сооружений и сельскохозяйственных машин; топливо - все
энергетические носители, используемые в сельском хозяйстве; человеческий труд -
взята норма суточной калорийности пищи равный 22.47 МДж/сут; ядохимикаты -
энергозатраты на производства ядохимикатов, 101.5 Мдж/кг; удобрения -
минеральные и органические, за единицу измерения принимается энергетический
эквивалент активного агента в удобрения; выходной поток - зерно.
Природно-климатическая оценка продуктивности
природной системы Казахстана осуществляется с помощью энергетических
показателей: суммы биологически активных температур (
, оС), суммы осадков (
), испаряемости (
), фотосинтетически активной радиации, среднегодовой
температуры воздуха (
, оС) (таблица 1).
Таблица 1 – Природно-энергетические ресурсы
природной системы Казахстана
|
Область |
Метеостанции |
Показатели |
|||
|
мм |
|
мм |
|
||
|
Акмолинская |
Кокчетав
|
307 |
2241 |
717 |
132.5 |
|
Актюбинская |
Актюбинск
|
321 |
2740 |
877 |
149.0 |
|
Алматинская |
Талды-Курган
|
337 |
3173 |
952 |
163.3 |
|
Восточно-Казахстанская |
Усть-Каменогорск |
536 |
2581 |
774 |
143.8 |
|
Западно-Казахстанская |
Уральск
|
325 |
2821 |
902 |
151.7 |
|
Жамбылская |
Тараз |
287 |
3492 |
1048 |
173.9 |
|
Карагандинская |
Караганда |
324 |
2343 |
750 |
135.9 |
|
Костанайская |
Костанай
|
279 |
2359 |
754 |
136.4 |
|
Кызылординская |
Кызылорда
|
151 |
3766 |
1129 |
183.0 |
|
Северо-Казахстанская |
Петропавловск |
374 |
2081 |
665 |
127.2 |
|
Павлодарская |
Павлодар |
352 |
2486 |
795 |
140.6 |
|
Южно-Казахстанская |
Шымкент |
347 |
4065 |
1219 |
192.9 |
, 
, оС
,
, кДж/см2
Излучение Солнца для земледелия является
главным энергетическим входом, который в широтах Казахстана составляет от 127.2
до 192.9 кДж/см2 или от 12720000
до 19290000 МДж/га и среднегодовой суммы осадков - от 151 до 582 мм/год
(таблица 1).
При этом анализ энергоемкости
производства пшеницы показывает, что на полевых работах при производстве зерна
на процесс обработки почвы затрачивается 2,9% всей энергии, на внесение
удобрений и пестицидов – 4,5%, на уборку 23,8 % и почти 38,8% энергии идет на
уборку соломы и транспортировку побочной продукции (таблица 2).
Таблица 2 - Структура затрат на производство 1
центнера пшеницы в Республике Казахстан
|
Показатели |
Затраты |
|
|
сумм, тенге |
структура, % |
|
|
Топливо |
191.6 |
17.4 |
|
Прочие
затраты |
234.6 |
21.3 |
|
Оценка
и посадочный материал |
171.2 |
15.5 |
|
Фонд
заработный платы |
149.0 |
13.5 |
|
Запчасти,
ремонт и строительные материалы |
113.7 |
10.3 |
|
Затраты
на содержание основных средств |
104.9 |
9.5 |
|
Оплата
ремонт и услуги |
80.1 |
7.3 |
|
Минеральные
удобрения |
49.7 |
4.5 |
|
Электроэнергия |
7.0 |
0.6 |
|
Затраты
на воду |
1.6 |
0.10 |
|
Всего |
1103.4 |
100 |
Для
оценки и анализа энергоемкости производства пшеницы были использованы
статистические данные Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан в
период 2000-2012 годов (таблица 3).
Таблица
3 - Среднегодовые характеристики производства пшеницы в областях Казахстана
(2000-2012 гг)
|
Область |
Показатели |
||
|
Площадь,
тыс.га |
Валовой сбор, тыс.т |
Урожайность, ц/га |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Акмолинская |
3487.4 |
3942.0 |
11.3 |
|
Актюбинская |
541.8 |
365.4 |
5.7 |
|
Алматинская |
229.6 |
407.6 |
17.8 |
|
Восточно-Казахстанская |
383.2 |
461.2 |
12.0 |
|
Западно-Казахстанская |
328.1 |
261.1 |
7.8 |
|
Жамбылская |
184.3 |
227.3 |
12.3 |
|
Карагандинская |
610.0 |
474.2 |
7.8 |
|
Костанайская |
3671.7 |
5442.7 |
14.8 |
|
Кызылординская |
9.8 |
11.1 |
11.3 |
|
Северо-Казахстанская |
2854.2 |
4259.9 |
14.9 |
|
Павлодарская |
421.2 |
353.6 |
8.9 |
|
Южно-Казахстанская |
170.4 |
260.1 |
15.2 |
|
Республика
Казахстан |
12892.3 |
16466.9 |
12.8 |
Площадь анализируемой территории в среднем за
год составляет 12892.3 тыс. га, которая простирается от степной зоны на севере
до предгорной зоны на юге (таблица 3).
Поэтому возникает необходимость разработки методологической основы энергетической
оценки производства сельскохозяйственной продукции, на основе исследования потоков
энергии, позволяющих максимально учитывать все энергетические затраты, в частности вычислить отношение суммарных
интенсивностей выходных потоков к входным, то есть вычислить коэффициент
полезного действия преобразователя ландшафтов. Следовательно, агроландшафтная
система рассматривается как преобразователь входного потока возобновимой и
невозобновимой энергий в выходной поток сельскохозяйственных продукций.
Преимущества энергетического подхода оценки эффективности производства
сельскохозяйственных продукций: во-первых, функционирование системы можно выразить
через потоки энергии того или иного качества; во-вторых, энергия позволяет
оценить все условия как производства сельскохозяйственной продукции, так и
продуктивности агроландшафтов; в-третьих,
применение
этого метода позволяет оценить пути и способы совершенствования агроландшафтных
систем для максимизации эффективности
использования природных и материальных
ресурсов и оптимизации по энергетическим критериям сельскохозяйственного
использования ландшафтов.
Потребительская стоимость агроландшафта состоит
из двух взаимосвязанных блоков:
-
географического (ландшафтного), который характеризуется энергетическими ресурсами
природных систем, обеспечивающих формирование биомассы сельскохозяйственных
культур;
- технологического
(агрономического и гидротехнического), который характеризуется энергоемкостью
производства сельскохозяйственной продукции.
Агроландшафт является открытой биологической
системой, аккумулирующей солнечную энергию, которая в природе используется для
формирования биомассы растений и сельскохозяйственных культур. Для оценки продуктивности растительного
сообщества или сельскохозяйственных культур можно использовать метод эталонных
урожаев: 
-
потенциальный урожай; 
-
действительный урожай; 
-
урожай в производстве; 
-
реальный урожай. Разность между
и 
- это недобор урожая, вызванный неблагоприятными
агроклиматическими условиями, между 
и 
- это недобор из-за недостаточных агроклиматических
условий при оптимальных управляющих воздействиях (агротехника и орошения),
между
и 
-
это недобор из-за неблагоприятного мелиоративного режима почв. Для приближенной
оценки потенциального урожая (
)
можно использовать формулу [2]:
,
где 
-
потенциальный КПД посева или сельскохозяйственных культур; 
-
фотосинтетически активная радиация (ФАР), в мДж/м2; 
-
коэффициент, определяющий хозяйственно ценную часть урожая; 
-
удельная теплота сгорания, мДж/кг.
Действительно возможный урожай (
)
сельскохозяйственных культур может быть рассчитан по формуле [3]: 
,где
-
коэффициент, характеризующий продуктивность орошаемых земель, который
определяется по следующей зависимости: 
,
здесь 
-
продуктивность сельскохозяйственных культур; 
-
продуктивность почвы.
Реальная урожайность сельскохозяйственных
культур в зависимости от климатических, почвенно-мелиоративных и
гидрогеохимических факторов можно рассчитывать по формуле:
,
где 
-
коэффициент, учитывающий отклонение активной части корнеобитаемого слоя почвы
от оптимальной для растений величины; 
-
коэффициент, характеризующей температурную обеспеченность природных условий;
- фотосинтетический коэффициент, характеризующей
изменение потенциального максимального урожая с отклонением ФАР от
среднемноголетних значений; 
-
коэффициент снижения урожая из-за присутствия
в почве токсичных солей; 
-
коэффициент снижения урожая из-за присутствия
в оросительной воде токсичных
солей; 
-
коэффициент, учитывающий возможность снижения урожайности из-за осолонцевания
почвы.
Суммарное количество затрат техногенной энергии
рекомендуется находить по формуле [4]:
,
где 
- число технологических операций; 
- число видов
энергозатрат в пределах каждой технологической операции; 
- затраты в
натуральном выражении
-го вида затрат при выполнении 
-й операции; 
- энергетический эквивалент
-го вида затрат; 
- энергозатраты при выполнении 
-й технологической операции.
Энергетический потенциал сельскохозяйственных
культур (
)
определяется по формуле [5]:
,
где 
- энергетический потенциал, накопленный в
хозяйственно-ценной части урожая сельскохозяйственных культур, мДж/га: 
,
здесь 
-
коэффициент перевода единицы хозяйственно-ценной продукции в сухое вещество,
кг; 
-
содержание общей энергии в 1 кг сухого вещества основной продукции сельскохозяйственных
культур, мДж; - энергетический потенциал, накопленный в побочной части урожая
сельскохозяйственных культур, мДж/га:
,
где 
-
коэффициент выхода побочной продукции сельскохозяйственных культур; 
-
коэффициент перевода единицы полученной побочной продукции в сухое вещество,
кг; 
-
содержание общей энергии в 1 кг сухого вещества побочной продукции
сельскохозяйственных культур, мДж.
В технологическую (агротехническую и
гидротехническую) потребительскую стоимость входят используемые средства
производства для выпуска сельскохозяйственной продукции в агроландшафтах:
система строительных и мелиоративных
машин, мелиоративные системы, комплекс агротехнических мероприятий и трудовые
ресурсы.
Энергоемкость
строительных и мелиоративно-сельскохозяйственных машин, мелиоративных систем и агротехнических мероприятий можно
определить с помощью энергетических эквивалентов приведенной к единому
измерителю, выраженному в джоулях.
Общая энергоемкость строительных и
мелиоративно-сельскохозяйствен-ных машин можно определить по зависимости:
;
,
где
- общая энергоемкость строительных машин, мДж; 
-
энергетический эквивалент строительных машин, мДж/кг; 
-
масса строительных машин, кг; 
- общая энергоемкость
мелиоративно-сельскохозяйственных
машин, мДж; 
- энергетический эквивалент
мелиоративно-сельскохозяйственных машин, мДж/кг; 
- производительность мелиоративно-сельскохозяйствен-ных
машин, ч.
При переводе энергоемкости строительных (
)
и мелиоративно-сельско-хозяйственных (
)
машин на сельскохозяйственную продукцию возникает необходимость определить
энергетический эквивалент на 1 час их работы:
;
или
,
где 
и 
- затраты энергии на проведение капитального
ремонта строительных и мелиоративно-сельскохозяйственных машин, мДж; 
и 
- затраты энергии на
проведение текущего ремонта строительных и мелиоративно-сельскохозяйственных
машин, мДж; 
и 
-
затраты на проведение технического обслуживания строительных и мелиоративно-сельскохозяй-ственных
машин, мДж; 
- срок службы машины, ч (таблица 4).
Таблица 4 - Энергетические эквиваленты
строительных и мелиоративно-сельскохозяйственных машин
|
Машина |
Единица
измерения |
Энергетический эквивалент |
Срок
служба |
|
Строительные машины |
|||
|
Скрепер |
мДж/кг |
0.0287 |
9 |
|
Экскаватор |
мДж/кг |
0.0013 |
10 |
|
Бульдозер |
мДж/кг |
0.2497 |
8 |
|
Грейдер |
мДж/кг |
0.01774 |
9 |
|
Рыхлитель |
мДж/кг |
0.0204 |
6 |
|
Планировщик |
мДж/кг |
0.01466 |
9 |
|
Каток |
мДж/кг |
0.01127 |
7 |
|
Мелиоративно-сельскохозяйственные машины |
|||
|
ДКШ-64-800
- "Волжанка" |
ч |
227.64 |
8 |
|
ДФ
"Днепр" |
ч |
560.7 |
8 |
|
ДДА-100МА |
ч |
146.43 |
8 |
|
ДДН-75 |
ч |
28.34 |
8 |
|
ДДН-100 |
ч |
33.58 |
8 |
|
ЭДМФ-
"Кубань" |
ч |
1495.52 |
8 |
|
ДМ
"Фрегат" |
ч |
630 |
8 |
Мелиоративная
система - это комплекс развивающихся и совершенствующихся, взаимосвязанных
инженерных и гидротехнических сооружений и устройств, включающих оросительные и
коллекторно-дренажные сети, а также производственные и административные здания,
где энергетический эквивалент на весь срок службы определяется исходя из расчета
1 м2 в год, то есть:
- производственные здания -
;
- бытовые постройки - 
;
- гидротехнические сооружения - 
,
где 
-
площадь производственных зданий, м2; 
-
энергетический эквивалент производственных зданий, 39.5 мДж/м2; 
-
площадь бытовых помещений, м2; 
- энергетический эквивалент бытовых
помещений, 21.7 мДж/м2; 
-
площадь гидротехнических сооружений, м2; 
-
энергетический эквивалент гидротехнических сооружений, 9.5 мДж/м2.
Как известно, многие производственные средства в
сельском хозяйстве используются в течение года и, следовательно, они должны
полностью переносить свою стоимость в течение одного вегетационного цикла.
Поэтому их энергетические эквиваленты рассчитываются с учетом всех затрат в
сфере производства сельскохозяйственной продукции.
Энергоемкость эксплуатации мелиоративных систем
во много зависит от объема поданной воды на 1 га орошаемых земель:
- оросительной системы - 
;
- насосная станция или установки - 
,
где
- энергоемкость оросительной системы, мДж; 
-
оросительная норма брутто, м3/га; 
-
усредненные значения энергоемкости 1 м3 оросительной воды, мДж/м3;
-
энергоемкость насосной станции, мДж; 
- усредненные значения энергоемкости 1 м3
воды поднимаемой насосной
станцией, мДж/м3.
Энергетические ресурсы, используемые
электроэнергии и жидкие топлива, определяются из зависимости:
- энергоемкость использованного жидкого топлива
в работе строительных и мелиоративно-сельскохозяйственных машин:
;
- энергоемкость использованной электроэнергии в
работе строительных и мелиоративно-сельскохозяйственных машин:
,
где 
- продолжительность работы машины, ч; 
-
затраты жидкого топлива за час работы машины, кг/ч; 
- энергетический эквивалент жидкого топлива,
мДж/кг; 
- мощность или затраты электроэнергии за час
работы машины, кВт. ч; 
-
энергетический эквивалент электроэнергии, мДж/кВт. ч.
Продолжительность работы дождевальных и поливных
машин за вегетационный период можно определить по следующей зависимости:
,
где 
-
расход машины, л/с; 
-
плановый коэффициент использования рабочего времени.
Агротехническая потребительская стоимость
агроландшафта в основном связана с внесением удобрений в почву орошаемых земель
с целью обеспечения потребности сельскохозяйственных культур в питательном
режиме, для получения реального урожая и семян, необходимого для создания
оптимальной густоты размещения растений в посевах.
Энергетический эквивалент ресурсов семян
сельскохозяйственных культур (
)
определяется из следующей зависимости:
,
где
- норма высева семян сельскохозяйственных культур, для создания оптимальной
густоты посева, кг/га; 
-
энергетический эквивалент семян сельскохозяйственных культур.
По результатам агрохимического обследования полей
на содержание в почве доступных для растений легкогидролизуемого азота, фосфора
и калия, можно определить потребность в азоте, фосфоре и калийном удобрений под
реальную урожайность сельскохозяйственных культур по формуле И.С. Шатилова и
М.К. Каюмова:
,
где 
- норма удобрений, кг/га; 
-
вынос элемента минерального питания с реального урожая, кг/га; 
- наличие в почве доступного питательного
вещества, кг/га; 
- коэффициент использования питательных веществ почвы; 
- коэффициент использования питательных
веществ удобрения. %; 
- содержание действующего вещества в
удобрении, %.
Энергоемкость использованных минеральных и
органических удобрений определяется по следующим зависимостям:
- для
минеральных удобрений: 
;
- для органических удобрений: 
;
- для химической мелиорации: 
,
где 
-
доза 
-го
минерального удобрения, кг/га; 
-
энергетический эквивалент 
-го
минерального удобрения, мДж/кг д.в.; 
-
доза органического удобрения, кг/га; 
- энергетический эквивалент органического
удобрения, мДж/кг; 
-
доза химических мелиорантов, кг/га; 
-
энергетический эквивалент химических мелиорантов, мДж/кг.
Энергетические эквиваленты используемых
материально-вещественных ресурсов орошаемых земель приведены в таблице 5.
Таблица 5 - Энергетические эквиваленты ресурсов
|
Виды
материально-вещественных ресурсов |
Единица
измерения |
Энергетический
эквивалент |
|
1 |
2 |
3 |
|
Энергетические ресурсов |
||
|
Топливо
жидкое |
мДж/га |
79.5 |
|
Электроэнергия |
мДж/кВт
ч |
12.0 |
|
Семена |
||
|
Озимая
пшеница |
мДж/га
с.в. |
34.4 |
|
Сахарная
свекла |
мДж/га
с.в. |
18.4 |
|
Многолетние
травы |
мДж/га
с.в. |
19.7 |
|
Овощные |
мДж/га
с.в. |
18.7 |
|
Зерно |
||
|
Озимая
пшеница |
мДж/га
с.в. |
19.31 |
|
Рожь |
мДж/га
с.в. |
19.49 |
|
Рис |
мДж/га
с.в. |
18.59 |
|
Кукуруза |
мДж/га
с.в. |
17.60 |
|
Минеральные удобрения |
||
|
Азотные |
мДж/га
с.в. |
86.8 |
|
Фосфорные |
мДж/га
с.в. |
12.6 |
|
Калийные |
мДж/га
с.в. |
8.30 |
|
Органические удобрения и химические мелиоранты |
||
|
Навоз
(80% влажности) |
мДж/кг |
0.42 |
|
Известковые
материалы |
мДж/кг |
3.80 |
Энергоемкость трудовых ресурсов (
)
должна определяться дифференцированно
по основным видам работ, которые выполняются при возделывании
сельскохозяйственных культур:
,
где 
-
объем работ, который требуется выполнить при возделывании сельскохозяйственных
культур, ч; 
-
энергетический эквивалент трудовых ресурсов.
Для производства единицы продукции (
)
при соответствующих энергетических ресурсов природной системы (
),
требуются определенные затраты совокупной энергии (
),
то есть энергоемкость производства сельскохозяйственной продукции:
,
где 
-
затраты совокупной энергии, переносимые основными средствами производства; 
-
затраты совокупной энергии от использования семян; 
-
затраты совокупной энергии от использования удобрений и химических мелиорантов;
- затраты совокупной энергии от использования
энергоресурсов; 
- затраты совокупной энергии в
социально-бытовой сфере на воспроизводство трудовых ресурсов.
Для оценки эффективности использования
энергетических ресурсов природных систем можно использовать следующие критерии
агроландшафта:
- эффективность использования природных ресурсов
-
;
-
коэффициент энергоемкости сельскохозяйственного производства -
.
В качестве конечного показателя энергетической
эффективности производства сельскохозяйственных культур на орошаемых землях
выступает коэффициент энергетической эффективности (
) численное значение которого равно отношению
энергосодержания продукции (
) к энергетическим затратам на производства (
):
.
Таким образом, при размещении производительных
сил и обосновании уровня продуктивности агроландшафта, необходимо дать
комплексную оценку продуктивности и потребительской стоимости
сельскохозяйственного производства, для повышения продуктивности и сохранения
экологической безопасности природных систем при мелиорации сельскохозяйственных
земель.
Литература
1. Odum H.T. Environmental Accounting. EMERGY and Enviromental
Decision Making. N.Y.: John
Willey&Sons.-1996.-370 p.
2. Программирование урожаев
сельскохозяйственных культур (под ред. И.С. Шатилова и К.М. Каюмова).- М:,
Колос. - 275 с.
3. Мустафаев Ж.С., Рябцев А.Д.,
Адилбектеги Г.А. Метеорологические основы оценки устойчивости и стабильности
ландшафтов.-Тараз, 2007.-218 с.
4. Энергетический анализ в сельском
хозяйстве: Методологические и методические рекомендации.- Кишинев, 1988. - 128
с.
5. Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т.,
Кудайбералиева З.Б. Методика оценки эколого-энергетической окупаемости
орошаемого земледелия // Вестник ТарГУ им М.Х. Дулати /Природопользование и
проблемы антропосферы. - 2002.- №1(5).- С.45-52.