Содержание к диссертации
Введение
1 Способы повышения переноса энергии в агроэкосистемах (Обзор литературы)
2 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Климат и метеорологические условия 19
2.2 Почвы и их агроэкологическая характеристика 24
2.3 Растительность и животные 25
2.4 Методика проведения исследований 28
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 32
3.1 Эффективность использования биомассы для производства биогаза и метанового эффлгоента
3.2 Экологическое обоснование использования метанового зффлюента в качестве органического удобрения
43
3.3 Влияние метанового эффлюента на скорость биодеградации и детоксикации нефтепродуктов в почве
4 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА 95
ВЫВОДЫ 98
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 101
ПРИЛОЖЕНИЯ 119
- Способы повышения переноса энергии в агроэкосистемах (Обзор литературы)
- Климат и метеорологические условия
- Эффективность использования биомассы для производства биогаза и метанового эффлгоента
Введение к работе
Актуальность проблемы. Движущей силой в любой материальной системе служит энергия. Она приходит от солнца и привносится человекои. В современных агроэкосистемах потоки энергии используются неэффективно. Н.Ф. Реймерс (1994) отмечает, что в агроэкоситемы доиндустриального типа ежегодные энергетические субсидии составляют около 2-Ю9 Дж/га, а в интенсивные механизированные развитых стран - до 20-1010 Дж/га, в то время, как целесообразный предел внесения дополнительной энергии 15-109 Дж/га. Это приводит к снижению продуктивности, загрязнению и разрушению. Общая энергетическая эффективность сельскохозяйственного производства (соотношение энергии вкладываемой и получаемой с готовой продукцией) в промышленно развитых странах примерно в 30 раз ниже, чем при примитивном земледелии. В ряде случаев, увеличение затрат энергии на аг-рохимикаты, топливо и обработку полей в десятки раз приводит лишь к незначительному (на 10-15%) повышению урожайности.
В России энергетические ресурсы используются крайне нерационально: затраты на производство 1 т зерна в 3,5 раза, 1 т сахарной свеклы в 6,8 раза и 1 т картофеля - в 3,7 раза выше, чем в сельскохозяйственном секторе США. Вследствие чего необходима разработка технологий, приемов, способов, которые позволят повысить эффективность использования энергии в сельском хозяйстве.
Цель и задачи исследований. Цель работы - разработать способы повышения зффекіивности использования энергии в агроэкосистемах Центрально-Черноземного Региона.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Определить эффективность использования отходов продукции растениеводства и животноводства для производства биогаза и высококонцентрированных экологически безопасных органических удобрений.
-
Изучить целесообразность использования метанового эффлюента в качестве органического удобрения.
-
Оценить эффективность использования метанового эффлюента (шлама) в качестве сорбента при детоксикации почвенно-биотического комплекса, загрязненного нефтепродуктами.
Научная новизна. Научная новизна результатов исследований заключается в том, что;
выявлены процессы, определяющие эффективность анаэробного сбраживания сельскохозяйственных отходов;
определены механизмы, обеспечивающие высокую эффективность использования шлама в камее і не oiMuuii'ictiajrQ удобрения;
I ">. национальны)
Р БИБЛИОТЕКА I
I COetcpfonr lj-~ \
- установлены факторы, которые обеспечивают деградацию нефтепродуктов при использовании метанового эффлюента.
Практическая значимость. Установлено, что для производства биогаза и метанового эффлюента с высоким запасом энергии, целесообразно совместное использование отходов животноводства и растениеводства; применение шлама в агроценозах позволяет существенно повысить продуктивность картофеля и томатов и улучшить их качество; применение метанового эффлюента обеспечивает полное восстановление ПБК при среднем уровне загрязнения его нефтепродуктами.
Защищаемые положения.
-
Для производства биогаза и шлама с высоким запасом энергии целесообразно совместное использование отходов растениеводства и животноводства.
-
Применение метанового эффлюента в качестве органического удобрения позволяет существенно повысить эффективность использования энергии в агроценозах.
-
Наиболее активную деградацию нефтепродуктов в почве обесчивает совместное применение метанового эффлюента и бентонита.
Апробация работы. Результаты работы доложены и получили одобрение на научных и учебно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ВГАУ (2003-2005), Международной научно-практической конференции (Воронеж, 2003), Международной научно-практической конференции (Воронеж, 2004).
Публикации результатов исследований. По материалам исследований в соавторстве и лично опубликовано 7 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, предложений производству, общим объемом 130 страниц машинописного текста. Она содержит 29 таблиц, 8 рисунков, 5 приложений. Список используемой литературы включает 176 наименований, в т.ч. 14 иностранных источников.
Способы повышения переноса энергии в агроэкосистемах (Обзор литературы)
В современных условиях потоки энергии определяют функционирование как природных экосистем, так и измененных человеком. Исходя из эффективности переноса энергии в экосистемах определяется оптимальная площадь государств, регионов и др. (Данилов-Данильян В.И., 1997).
Наиболее мощный энергетический поток в геосфере - солнечная энергия. Потенциальные ресурсы солнечной радиации, поступающей на поверх-ность земли, в пересчете на условное топливо составляют 129 -10 ту. т/год, то есть в 8 раз превышают ресурсы традиционных невозобновляемых горючих полезных ископаемых (Скиннер Б., 1989; Holdgate M.W.,1982). Технически извлекаемый потенциал энергии солнца составляет 5,39 млрд. т у. т/год, из которых 20% относится к практически реализуемому (Стырикович A.M., Синяк Ю.В., 1982).
Источники первичной энергии по общепринятой классификации подразделяют на коммерческие и некоммерческие (Данилов-Данильян В.И., 1997).
Коммерческие источники энергии включают в себя твердые (каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, битуминозные пески), лшдкие (нефть и газовый конденсат), газообразные (природный газ) виды топлива и первичное электричество (электроэнергия, произведенная на атомных, гидро-, ветровых, геотермальных, солнечных, приливных и волновых станциях).
К некоммерческим относят все остальные источники энергии (дрова, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила рабочего скота и собственно человека) (Данилов-Данильян В.И., 1997; Житин Ю.И., Белоусова Л.В., 2003). Мировая энергетика в целом основана преимущественно на коммерческих энергоресурсах, дефицит которых в XXI веке ощущается все острее. Также остро стоит вопрос энергетического обеспечения агроэкосистем, измененные в процессе сельскохозяйственного производства природные системы, которые наряду с солнечной энергией для своего сохранения и обеспечения продуктивности используют дополнительную энергию, контролируемую человеком, которая не превышает 0,05% солнечной энергии, поступающей к поверхности Земли (Одум Ю., 1986; Лосев К.С., 1998; Жученко А.А., 1990, 2000). Данные субсидии представляют собой, так называемые малые потоки энергии в виде удобрений, пестицидов, топлива, орошения и т.д., которые в современных условиях составляют около 20% энергии, производимой на планете. Основная доля агротехногенной нагрузки приходится на минеральные удобрения и горючесмазочные материалы (ГСМ) - более 70% (Карпачевский Л.О., 1987; Черников В.А., 2000). Н.Ф. Реймерс (1994) отмечает низкую эффективность использования энергии в сельском хозяйстве: в агроэкосистем ах доиндустриального типа ежегодные энергетические субсидии составляют около 2-Ю9 Дж/га, а в интенсивные механизированные развитых стран - до 20-Ю10 Дж/га, в то время как целесообразный предел внесения дополнительной энергии - 15-] О9 Дж/га, что приводит к снижению их продуктивности, загрязнению и разрушению. Так, в России за последние годы из оборота выпало примерно 2 млн. га пашни. Процессами опустынивания охвачены земли 14 субъектов Федерации. Свыше 60 млн. га земель загрязнены тяжелыми металлами, радионуклидами и нефтепродуктами др. (Каверин А.В., 1996; Черников В.А., Милащенко Н.Э., Соколов О.А., 2001; Кузьмич М.А., Чечеткииа Л.В., 2001). Культурные фитоценозы пашни все больше деградируют, при этом не только затрагивается биота, но и минеральная часть почвы, меняется водно-воздушный режим, физико-химические свойства. Низкое содержание органического вещества характерно для 52,8 млн. га, что составляет 45,5% площади пашни России, в том числе очень низкий (критический) уровень содержания органического вещества имеют 16,4 млн. га (Ермолаев С.А., Сычев В.Г., Кузнецов А.В., 2002).
В результате уменьшения потока энергии, проходящего через детрит-ную пищевую цепь (в пределах 10-30% от природных экосистем), редуценты вынуждены использовать законсервированные запасы энергии в агроэкоси-стеме - гумус. Длительное использование энергии гумуса приводит к истощению запасов, а следовательно, к ухудшению свойств почвы, среды обитания не только детритофагов и редуцентов, но и автотрофов, а через них и главных консументов в агроэко систем ах - человека и животных (Житин Ю.И. и др., 2002).
Энергетические ресурсы в нашей стране используются крайне нерационально: затраты на производство 1 т зерна в 3,5 раза, 1 т сахарной свеклы в 6,8 раза и 1 т картофеля - в 3,7 раза выше, чем в сельскохозяйственном секторе США (Миркин В.М., Наумова Л.Г., Злобин Ю.А., 1991; Лосев К.С., Горшков В.Е., Кондратьев К.Я. и др., 1993; Таран В., 1998; Милащенко Н.З., Соколов О.А., Брайсон Т., Черников В.А., 2000). Н.Ф. Реймерс (1993) делает вывод о необходимости перехода к закрытым агроэкосистемам, так как другим способом увеличить эффективность сельскохозяйственного производства невозможно. В.Г. Горшков (1995) полагает, что необходимо десятикратное сокращение эксплуатируемых территорий и доведение полностью искаженной б йоты до 1% от площади суши.
Для снижения энергозатрат в сельском хозяйстве и уменьшения нагрузки на окружающую среду разрабатываются экологически безопасные технологии, предлагаются различные нормативные параметры, характеризующие энергетическую и экономическую их эффективность, критерии технологической эффективности и экологической безопасности (Житин Ю.И., Прокопо-ва Л.В., 2000; Федорищев В.Н., 2000). Однако представленные критерии отражают лишь агроэнергетику агро-экосистемы, но не связаны с эффективностью переноса энергии по пищевым сетям (Милащенко Н.З., Соколов О.А., Брайсон Т., Черников В.А., 2000).
П. Реввель, Ч, Реввель (1995) отмечают, что современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии. Среди них биомасса, как постоянно возобновляемый источник топлива, занимает существенное место.
С экологической и экономической точек зрения наибольший интерес представляют отходы хозяйственной деятельности человека или специально создаваемые энергетические плантации (Бойлс Д., 1987). В количественном отношении оценены ресурсы органических отходов. По оценкам Международного института прикладного системного анализа, энергопотенциал органических отходов в мире в конце 70-х годов XX столетия составлял 2,41 -2,60 млрд. т у. т/год. Структура энергопотенциала выглядела следующим образом: отходы растениеводства - 34-37%, животноводства - 29-32%, городские отходы (твердые отходы, насыщенный органикой ил сточных вод) - 16-17%, древесные отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности - 14-21% (Jameel М., Papin А., 1984). По данным того же института, технически может быть утилизирован почти весь объем органических отходов, однако практически реализуемый потенциал оценивается в 1,08 млрд ту. т/год (Стырикович A.M., Синяк Ю.В., 1982).
Климат и метеорологические условия
Воронежская область располагается на юго-западе Европейской России между 490347 и 52 Об7 северной широты и 3809/ и 42557 восточной дол-готы, она занимает площадь 52,4 тыс. км .
Располагаясь в глубине Русской равнины, Воронежская область характеризуется умеренно-континентальным климатом. При среднегодовой температуре воздуха от 5,0С на северо-востоке до 6,5С и несколько выше на югє. Средняя температура июля нарастает при движении на юг от 19,5 С до 21,8С; средняя температура января колеблется от -10,5С на северо-востоке до -8,5С на юге. Число теплых дней в году со среднесуточной температурой воздуха выше +15,0 С составляет в районе Воронежа и Новой Усмани 107. Из 1800 ч солнечного сияния в год в данных районах на теплый период приходится 1500. Морозы в зимний период не отличаются устойчивостью. Нередки оттепели с повышением температуры в отдельные годы до +5...+10 С, Проникновение арктического воздуха со стороны Западной Сибири и Северного Ледовитого океана в некоторые годы снижают температуру до -36 С и даже до -40 С. Устойчивость зимней погоды нарушается проникновением циклонов со стороны Атлантики. С циклонной деятельностью связаны оттепели и осадки, выпадающие преимущественно в виде снега. Снежный покров существует 103-122 дня. Высота его в конце зимы составляет на севере 20-25 см, на юге 10-15 см.
Годовая сумма атмосферных осадков в области составляет 450-550 мм, а местами (район Воронежа, Боброва, Воробьевки) и несколько больше. Количество их снижается на востоке области, где в бассейнах рек Елани и Са-валы выпадает менее 450 мм. Количество осадков существенно колеблется из года в год. Примерно один год из трех бывает засушливым. Засухи усугубляются суховеями, иногда сопровождаемыми пылевыми бурями.
Климат места проведения исследований СХП «Рыканское) Новоусман-ского района Воронежской области умеренно-континентальный. По данлым Воронежской метеостанции среднегодовая температура воздуха 5,4С, минимальная (февраль) -13,1С, максимальная (июль) +33,0С. Продолжительность безморозного периода 159 дней. Общий вегетационный период - 187 дней, из них период активной вегетации составляет 152 дня. Господствуют юго-восточные метелевые и суховейные ветры.
Количество годовых осадков составляет 554 мм, в том числе за период с температурой 10 и выше 289 мм. Гидротермический коэффициент (ГТК) равен 1,12. Сумма среднесуточных значений дефицита влажности воздуха равна 1570 миллибар (Система земледелия СХП «Рыканское» Новоусманско-го района Воронежской области, 2002).
Весна 2003 года характеризовалась повышенным температурным режимом и дефицитом осадков - в апреле их выпало меньше сред немноголетней нормы на 31,0 %, а в мае на 84,0%.
В течение летнего периода выпадали обильные осадки с превышением нормы на 27,6-49,3 %, что обусловило значительное поражение растений картофеля и томатов фитофторой.
Весна 2004 года отличалась существенным превышением нормы осадков - на 57,4-71,1 %. Июнь характеризовался пониженным температурным режимом при среди ем ноголетнем количестве осадков. В июле выпали обильные осадки с превышением нормы на 49,3%, а в августе на 72,7%, что обусловило значительное поражение растений картофеля и томатов болезнями. Весна 2005 года характеризовалась не только повышенным температурным режимом, но и обильным выпадением осадков, особенно в мае месяце, когда превышение нормы составило 100%, а в июне 94,8 %. Количество осадков за июль составило 32 мм, что ниже среднемноголетних данных на 56,2%.
Август характеризовался повышенным температурным режимом и количеством осадков на 20,0% выше среднемноголетних данных. В начале сентября метеоусловия были вполне благоприятными для уборки картофеля (Агрометеорологический бюллетень, 2003, 2004, 2005).
Оценка условий увлажнения вегетационного периода по сумме осадков не всегда дает полную картину обеспеченности растений влагой и влажности почвы.
В разные годы, независимо от количества выпадающих осадков, может сильно изменяться испаряемость. Как известно, испаряемость зависит от прихода солнечной радиации и обусловленного этим температурного режима. В агрометеорологии для оценки условий увлажнения территории широко используется гидротермический коэффициент.
Эффективность использования биомассы для производства биогаза и метанового эффлгоента
Традиционные источники получения энергии (уголь, нефть и газ обеспечивают 88% мировой потребности в энергии) послужили основной причиной загрязнения окружающей среды, создав ряд сложных экологических проблем. Поэтому в последние годы особое внимание обращено на альтернативные источники энергии, которые помогут снизить остроту возникших проблем. Эти источники энергии являются возобновляемыми и почти безвредными для среды и могут обеспечить достаточные количества энергии для удовлетворения потребностей всего человечества (Новые и возобновляемые источники энергии, 1988; Вронский В.А., 1996).
Немецкие экологи подсчитали мировой технический потенциал возобновимых источников энергии в год - 20,3 млрд. т условного топлива, в том числе биомассы 5,6 млрд. т (для сравнения - потребление первичной энергии в мире составляет около 9 млрд. т условного топлива) (Вронский. В.А., 1996).
Экологическая безопасность применения и калорийность биогаза в сочетании с простотой технологии его получения, а также огромное количество отходов. Подлежащих переработке, являются положительными факторами для дальнейшего развития биогазовой промышленности. Производство биогаза стало одним из основных принципов энергетической политики ряда стран Тихоокеанского региона. Так, в начале 80-х годов в Китае производилось до 110 млрд. м3 биогаза, что эквивалентно 60-80 млн. т сырой нефти, а в середине - было создано до 70 млн. установок, покрывающих бытовые потребности в энергии у 70% крестьянских семей. В Индии одним из основных принципов энергетической политики является производство биогаза в сельской местности. Только в 1975 г. в Индии действовало около 30 тыс. мелких газовых установок, обеспечивающих газом около 200 тыс. человек (Осадчая А.И., Поднорский B.C., Семенов В.Ф. и др., 1990).
Особое внимание для производства биогаза и шлама представляют отходы растениеводства и животноводства, которые до настоящего времени используются недостаточно эффективно (Черников В.А. и др., 2004).
Использование соломы зерновых культур в качестве удобрения представляет определенные трудности, так как она медленно разлагается, в результате чего нарушается микробиологическая деятельность почвенно-биотического комплекс, наблюдаются значительные потери энергии из органического вещества. Затрудняется посев культур при безотвальной обработке почвы (Воронин В.И. и др., 2002).
Анализ сырья для производства биогаза позволяет судить о том, что экскременты КРС, стержни кукурузы, солома пшеничная существенно различаются между собой по содержанию органического вещества, сырого жира и др. (таблица 6, приложение А).
Предпосылкой беспрепятственного размножения бактерий служит наличие питательной среды, которая содержит как углерод и кислород для обеспечения этого процесса энергией, водород, азот, серу и фосфор - для образования белка, так и щелочные металлы, железо и микроэлементы (Баадер, 1982).
Наиболее богаты сырым жиром экскременты КРС и свиней, превышение в сравнении со стержнями кукурузы, соломой пшеничной, лузгой подсолнечника составило 41,0 - 43,6%. По содержанию сырого протеина экскременты животных превышали отходы растениеводства на 27,0-85,0%; энергетическому эквиваленту на 11,0-84,6%.
Максимальный выход биогаза зависит от содержания жира в исходном сырье. При распаде одного грамма жироподобных веществ в среднем продуцируется 1200 мл биогаза состава (%): CKt - 68; СОг - 32. При распаде одного грамма углеводоподобных соединений образуется около 800 мл газа, при этом доли CtLt и СОг одинаковы - по 50%. Разным является уровень сбраживания различных органических соединений - жироподобные вещества сбраживаются на 70%, а углеводоподобные - на 62,5% (Байдукин Ю.А. и др., 1981;ЛаборьевВ., 1980).
