Основные направления энергосбережения в растениеводстве

Введение
Современный этап научно-технического прогресса характеризуется повсеместным внедрением принципиально новой техники. Ускорение научно-технического прогресса в значительной степени зависит от успехов современной микроэлектроники, являющейся современной элементной базой электронных устройств автоматики, телемеханики и связи.
Технологические операции сельскохозяйственного производства являются основными потребителями моторного топлива, как энергопотребители они в большей мере относятся к мобильной энергетической подсистеме. Спецификой процесса обработки почвы является то, что затраченная на него энергия не используется непосредственно растениями, а овеществляется в них по каталитическому механизму - работа машин и орудий обеспечивает высвобождение и доступность для растений энергии почвы, солнца, воды и воздуха. Наиболее энергоемкой операцией по обработке почвы является вспашка, на которую приходится свыше 50 % общего расхода топлива. 
В связи с постоянно наблюдающимся техническим прогрессом в данной области высокую актуальность приобретают вопросы, касающиеся энергетического сбережения в растениеводстве.
Целью данной работы является изучение основных направлений энергосбережения в растениеводстве. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучить имеющийся материал по тематике исследования;
- выделить принципы и направления энергосбережения в сфере растениеводства;
- привести примеры энергоэффективных систем, исполдьзуемых в растениеводстве.
Для достижения поставленной цели в работе использовались такие методы исследования, как анализ, синтез и обобщение.
1 Основные принципы и направления энергосбережения в сфере растениеводства
Энергетическая эффективность растениеводства определяется влиянием множества природно-климатических, технологических и экономических факторов, таких как:
- генетический потенциал используемых культур и сортов растений;
- природно-климатические условия региона и плодородие почвы;
- степень вовлечения в процесс формирования урожая природной энергии (солнца, воды и воздуха);
- специализация, технические и технологические возможности предприятия, структура севооборотов и использование земель с учетом их потенциального плодородия;
- уровень организации и управления производством;
- социально-экономические условия [1].
Задачи энергосберегающего растениеводства:
- улучшение почвенных условий жизни растений путем лучшего накопления и рационального расходования влаги, элементов питания за счет мульчирования поверхности почвы растительными остатками, повышения биологической активности почвы;
- сокращение затрат топливно-энергетических ресурсов и труда на основе использования современной техники и технологий возделывания, основанных на минимальной и нулевой обработке почвы;
- снижение затрат на средства химизации путем подбора севооборотов, а также наиболее продуктивных, экономически выгодных культур и сортов, устойчивых к абиотическим и биотическим стрессам;
- устранение процессов эрозии и деградации почвы;
- совершенствование технологий возделывания сельскохозяйственных культур и повышение рентабельности на основе использования геоинформационных систем и глобальной системы позиционирования [2].
В основе энергосберегающих технологий лежат следующие принципы:
- отсутствие или минимизация механической обработки почвы;
- сохранение растительных остатков на поверхности почвы;
- использование севооборотов, включающих рентабельные культуры и культуры, улучшающие плодородие почв;
- интегрированный подход в борьбе с вредителями и болезнями [2].
2 Основные направления энергосбережения в растениеводстве
2.1 Малоэнергоемкие приемы обработки почвы
Выбор системы обработки почвы должен быть таким, чтобы затраты на рыхление пласта были минимальными. Наибольший эффект дает переход на нетрадиционные почвозащитные (бесплужные, сокращенные, минимальные и нулевые) системы. Вспашка - наиболее энергоемкая операция по обработке почвы, на которую приходится свыше 50 % общего расход топлива. На вспашку 1 га высокоокультуренной почвы в оптимальные сроки расходуется 12–14 кг топлива, а на пахоту 1 га сильно засоренной пыреем почвы требуется не меньше 20–25 кг топлива. Уменьшение глубины вспашки с 20-22 см до 16-18 см зачастую не снижает урожайность озимых культур и позволяет сэкономить до 12 % топлива. Чередование направлений вспашки, а также проведение культивации и боронования в диагонально-перекрестном направлении относительно пахоты позволяет снизить затраты топлива на уравнивание поверхности поля после вспашки в свал и развал на 4,5-5 кг/га. Значительная экономия топлива может быть получена от применения оборотных плугов. Движение пахотного агрегата челночным способом сокращает расход топлива на холостой ход во время поворотов и переездов, который при традиционном способе вспашки в свал и развал составляет более 10 % от общего расхода. Применение оборотных плугов исключает необходимость проведения операций разбивки поля на загоны и регулировки плуга для прохода первой борозды. Эти операции занимают много рабочего времени и в реальных условиях часто проводятся некачественно, в результате чего увеличиваются энергетические затраты на заделку стыковых борозд, гребней и огрехов пахоты на границе загонов.
Минимизация обработки почвы. Высокая затратность технологий обработки почвы связана, прежде всего, с тем, что в настоящее время в сельскохозяйственных предприятиях основная обработка проводится, главным образом, с помощью отвальной вспашки, а предпосевная – за счет многократного использования однооперационных почвообрабатывающих орудий.
В решении указанной выше проблемы важнейшими направлениями, внедряемыми в настоящее время в регионе, пока являются замена на половине пахотных земель в системе основной обработки почвы отвальной вспашки чизелеванием или дискованием, а также применение в системе предпосевной обработки комбинированных агрегатов, совмещающих за один проход несколько технологических операций. В то же время, по мнению зарубежных специалистов, в наибольшей степени требованиям ресурсосбережения и природоохранности отвечает нулевая и минимальная система обработки почвы, предусматривающая отказ от ряда технологических операций и широкое использование прямого посева.
Минимальная обработка почвы включает одну или ряд мелких обработок почвы культиваторами и/или боронами. Солома и стерня находятся в виде мульчи в верхнем слое почвы (мульчирующий слой). По мелко обработанной почве в мульчирующий слой осуществляется мульчированный посев. Мульчирующий слой уменьшает испарение влаги, устраняет опасность водной и ветровой эрозии.
При этом эксплуатационные затраты (прежде всего расходы на топливо) сокращаются, плодородие почвы повышается, ее структура улучшается. Создаются благоприятные условия для развития почвенной фауны.
Нулевая обработка почвы (No-Till) предусматривает прямой посев, который производится по необработанному полю с отказом от всех видов механической обработки почвы. Растительные остатки (стерня и измельченная солома), которые сохраняются на поверхности поля, способствуют задержанию снега, замедлению эрозионных процессов, улучшению структуры почвы, защите озимых культур от низких температур, накоплению питательных веществ. Значительно увеличивается популяция дождевых червей и почвенных микроорганизмов. Существенно снижаются производственные затраты, в том числе на топливо, сохраняется окружающая среда. В частности, сокращение непродуктивных потерь воды может привести к тому, что на супесчаных почвах растениям в год будет доступно на 80–90 мм влаги больше.
Важнейшее значение минимизация обработки почвы имеет для удержания в почве углерода, который является основой для формирования гумуса и создает основу плодородия. Содержания органического вещества является динамическим показателем и реагирует на изменение методов обработки почв.
Достоинством ресурсосберегающих технологий является минимальное воздействие, а при нулевой обработке вообще отсутствие вмешательства в естественные процессы биологической «пульсации гумуса» и взаимосвязи органического вещества и углерода в почве.
Применение минимальной технологии возделывания зерновых культур в сочетании с использованием азотных удобрений положительно влияет на азотный режим почвы

. Повышается масса легкоразлагающейся органики с высоким содержанием азота.
Установлено также, что применение энергосберегающих технологий создает оптимальное структурно-агрегатное состояние почвы: по сравнению постоянной вспашкой увеличивается количество глыбистых фракций (диаметром более 10 мм) и в 2–2,5 раза уменьшается количество пылеватых, эрозионно-опасных частиц (диаметром менее 0,25 мм).Применение энергосберегающего растениеводства целесообразно вести в комплексе с технологиями точного (прецизионного) земледелия.
Точное земледелие – это стратегия управления, которая использует информационные технологии, извлекая данные из множественных источников для принятия правильных решений по управлению сельскохозяйственным предприятием.
В точном земледелии используются компьютеризированная техника, геоинформационные системы и навигационные приборы, которые позволяют точно управлять развитием растений через спутники и локальные сенсоры.
Технологии точного земледелия позволяют снизить затраты и минимизировать воздействие на окружающую среду. Они базируются на картографических программах, позволяющих обрабатывать пространственные данные и осуществлять картографию границ полей, картирование урожайности, с помощью навигационных приемников глобальной системы позиционирования производить определение плодородия почв и дифференцированное внесение удобрений, а также наблюдение за посевами в процессе развития.
Технологии точного земледелия рассматривают каждое сельскохозяйственное поле как неоднородное по рельефу, почвенному покрову, агрохимическому содержанию и подразумевают дифференцированное применение на каждом участке поля различных доз удобрений и средств защиты растений.
Применение системы сберегающего земледелия позволяет осуществлять анализ и грамотный менеджмент деятельности предприятия, что дает возможность экономить материальные, трудовые, финансовые ресурсы и повышает рентабельность.
В целом внедрение системы энергосберегающего растениеводства дает очевидные преимущества: повышает эффективность работы всего предприятия, его конкурентоспособность, делает аграрное производство более эффективным и экологичным, что чрезвычайно актуально в настоящее время.
Еще большего эффекта можно достичь, если применять высокопроизводительные комбинированные почвообрабатывающее – посевные агрегаты, которые позволяют за один проход по полю выполнить все операции предпосевной обработки почвы и посева, что обеспечивает повышение производительности труда до 60 % и снижение расхода топлива на 1,5-2 кг/га по сравнению с применением однооперационных агрегатов.
Кроме того, техника, применяемая в рамках минимальной и нулевой технологии возделывания сельскохозяйственных культур, отвечает требованиям энергоресурсосбережения, сокращает потребность в тракторах, горючих и смазочных материалах, позволяет на 7-10 дней раньше обычных агротехнических сроков проводить посевные работы, а сельскохозяйственным предприятиям в 2 раза снизить нагрузку на использование техники.
Замена вспашки полей, чистых от многолетних сорняком, на дискование, плоскорезную обработку и чизелевание позволяет значительно (до 5 кг/га) снизить затраты топлива на основную обработку. При безотвальной обработке не тратится энергия на подъем и оборот пласта.
Расход топлива на дискование на 28-36 % меньше, чем на плужную обработку. Обработка почвы чизельными культиваторами или плугами, а также рыхлителями-щелевателями со стрельчатыми рыхлящими лапами позволяет в 1,3-1,5 раза уменьшить общие энергозатраты, а также улучшает агрофизические свойства почвы и повышает урожайность культур. В настоящее время разработаны безотвальные почвозащитные технологии, включающие в себя лущение стерни на глубину 8-10 см и рыхление на глубину 20-25 см в сочетании с предпосевной обработкой почвы в различных вариантах. В целом применение безотвальных технологий позволяет снизить расход топлива на 13,4-27,8 кг/га, металла - на 11,6-12,9 кг/га и затрат труда - на 0,9-1,33 чел.-ч/га.
Выполнение операций одним комбинированным агрегатом при подготовке почвы к посеву вместо применения набора однооперационных машин является перспективным направлением, позволяющим уменьшить затраты энергии, топлива, труда и сохранить плодородие почвы. По данным ученых, применение комбинированных агрегатов позволяет снизить расход дизельного топлива: при совмещении вспашки и прикатывания — на 12... 16%; культивации, боронования и прикатывания - на 15-20 %. При этом существенно повышается и производительность труда.
Важным аспектом энергосбережения при обработке почвы является снижение влияния пространственных факторов на энергетическую эффективность процессов Правильная организация работ, выбор способа движения, разбивка поля на загоны должны свести до минимума затраты топлива на поворотах и переездах почвообрабатывающих агрегатов, которые иногда превышают 20 % от общего расхода.
2.2 Малоэнергоемкие технологии при возделывании и уборке сельскохозяйственных культур
Повышение энергетической эффективности технологий в растениеводстве может быть достигнуто двумя способами:
- повышением биологического (генетического) потенциала растений за счет селекционной работы и модификаций генофонда;
- снижением затрат энергии и повышением эффективности процессов обработки почвы, возделывания, уборки и переработки растений [2].
Необходимость селекционной работы сегодня ни у кого не вызывает сомнения. Достижение хороших результатов невозможно без использования элитного семенного фонда. Так, например, использование высокопродуктивных сортов позволяет сэкономить более 240 кг у. т. на 1 т физического вещества семян зерновых и более 280 кг - на 1 т семян картофеля. Зерновые культуры обладают высокой энергетической эффективностью. При этом наибольший энергетический коэффициент имеет ячмень яровой и овес, а наибольший выход валовой энергии - озимая пшеница и кукуруза на зерно.
Из-за плохого технического состояния автотракторной и сельскохозяйственной техники многих сельскохозяйственных предприятий при проведении полевых работ происходит розлив большого количества машинных масел и топлива. Учеными разработаны рецепты и технологии производства из растительного сырья пластичных консистентных смазок для сельскохозяйственной техники, применение которых может существенно снизить загрязнение почвы нефтепродуктами.
Побочные продукты производства растительных масел - жмых и шрот, являются высокобелковыми концентрированными кормами для всех видов сельскохозяйственных животных, они используются в составе комбикормов и белково-витаминных добавок. НебольшоеВведение

их в рацион дает возможность более эффективно использовать бедные белком гуменные корма (солома, мякина, стержни початков) и корнеплоды. Важным резервом производства физиологически полезных жиров является расширение посевов и обогащение видового состава масличных культур двустороннего использования, способных давать в относительно жестких экологических условиях стабильные урожаи семян и волокна. Коэффициент энергетической эффективности возделывания льна с учетом семян и соломы иногда достигает 10, а выход совокупной энергии - 130 ГДж/га.
Кормовые достоинства свеклы хорошо известны. Она имеет высокий выход энергии с гектара. В то же время большие совокупные энергозатраты при ее возделывании вынуждают сельскохозяйственных производителей сокращать посевные площади до уровня, обеспечивающего минимальную физиологическую потребность животных. Существуют возможности за счет рационального использования ресурсов и интенсификации технологий повысить энергетическую эффективность выращивания свеклы, снизить энергозатраты с 60 до 33 ГДж/га, при этом коэффициент энергетической эффективности возрастает до 3-3,5.
Одним из важнейших средств снижения энергетических затрат и повышения энергоэкономичности земледелия является совершенствование структуры посевных площадей и системы севооборотов. Различные сельскохозяйственные культуры в силу своих биологических особенностей и неадекватности технологий возделывания сильно различаются по своей энергетической эффективности.
В современном земледелии наибольшие возможности экономии энергоресурсов имеются в улучшении организации травосеяния в севооборотах