Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,653

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ – ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Поздняков А.В. 1 Семенова К.А. 1 Фузелла Т.Ш. 1
1 ФГБУН «Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН»
В статье излагаются результаты анализа функционирования агроэкосистем с использованием энергетической меры затрат (Дж) труда человека, включая техногенный вклад; вклад природных энергетических ресурсов, как составной части агроэкосистемы, так и внешних источников поступления энергии (преимущественно солнечной энергии и климатических ее источников). Предложен краткий алгоритм энергетического анализа геосистем. Показаны результаты энергетической оценки агрохозяйств, функционирующих в разных климатических условиях, что позволяет оценивать и сопоставлять энергетическую эффективность природно-климатических и экономических ресурсов. На примере анализа энергетической эффективности функционирования агрофирмы Томской области построена потоковая модель агросистемы как операционально замкнутой структуры. В рамках предложенной методологии проведены некоторые расчеты. Авторами определено, что при научно обоснованном и рациональном управлении на основе оптимизации системы затраты энергии в фермах Томской области можно существенно сократить. На примере анализа энергетической эффективности функционирования хозяйства степной зоны Казахстана получены практические результаты. Так, определена естественная экономия энергии, создаваемая за счет выпадения атмосферных осадков. Рассчитана наиболее реальная величина внесения органических удобрений для поддержания плодородия темно-каштановых почв. Показана энергетическая эффективность внедрения биогазовых технологий в функционирование хозяйства на основе использования органических отходов хозяйства с одновременным производством органо-минеральных удобрений. Установлено, что использование энергетической оценки в сочетании с экономической объективно показывает сущность происходящих социально-экономических процессов и раскрывает действительные затраты труда на производство товаров и услуг, по существу являющиеся неразделимым трудом Человека и Природы. Наиболее рентабельным является переход к управлению агросистемой как целостной самоорганизующейся структурой, функционирующей на принципах операциональной замкнутости.
агроэкосистема
энергетическая оценка
энергетическая мера
эффективность функционирования
эколого-экономическая эффективность
1. Odum Howard T. Environmental accounting: EMERGY and environmental decision-making / Howard T. Odum. – N.-Y., 1996. – 370 p.
2. BP Statistical Review of World Energy. 2017 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html (дата обращения: 31.01.18).
3. Волкова Е.С., Мельник М.А. Энергетическая характеристика возобновляемых природных ресурсов региона средствами ГИС (на примере Томской области) // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 2. – С. 148–153.
4. Фузелла Т.Ш. Эколого-энергетический анализ агроэкосистем: оптимизация функционирования. Lambert Academic Publishing. – Saarbrucken, Germany, 2012. – 168 с.
5. Шуркина К.А. (Семенова К.А.) Анализ функционирования агроэкосистем с позиции энергетического подхода: на примере крестьянского хозяйства «СО Мер-2»: дис. ... канд. географ. наук. – Томск, 2009. – 150 с.
6. Миндрин А.С. Энергоэкономическая оценка сельскохозяйственной продукции: дис. … докт. экон. наук. – М., 2003. – 294 с.
7. Чесноков В.С. С.А. Подолинский: концепция социальной энергетики // Век глобализации. – М., 2010. – № 2. – С. 181–187.

Неоспоримым является факт, что в экономике природопользования не учитывается вклад природы в материальное производство. Между тем современная жизнь доказывает, что экономическая деятельность человека становится выгодной только в том случае, когда больший вклад вносит природа: она концентрирует энергию и вещества, преобразуя их в другие формы, необходимые для создания разнообразных геосистем; возобновляет израсходованные запасы вещества и энергии, и в том их состоянии, при котором сохраняется и поддерживается установившееся динамическое равновесие. И все же эффективность функционирования компаний обычно определяется соотношением себестоимости конечной продукции к ее рыночной стоимости; отношением прибыли к себестоимости, прибыли к площади территории. При таком подходе производительность труда завышается, приводя к парадоксальному результату: стоимость продукции, несмотря на возрастающие энергетические затраты на ее производство, понижается, свидетельствуя о якобы высокой рентабельности предприятия.

Согласно теории рыночной экономики, стоимость продукции устанавливается по соотношению спроса и предложения, в котором опосредованно учитываются затраты труда (энергии). На рынке выигрыш получает тот, чья продукция, при одной и той же рыночной цене, имеет наименьшую себестоимость. Снижение же ее в значительной мере обусловливается продуктивностью природных ресурсов либо уровнем концентрации полезных элементов, прежде всего содержанием в них энергии – с одной стороны, а с другой – количеством затрачиваемой энергии на производство продукции. Прогрессивное социально-экономическое развитие объективно предполагает нелинейное увеличение затрат энергии.

Весь опыт развития цивилизации подтверждает, что ВВП государств возрастает пропорционально затрачиваемой энергии. В экономически развитых странах расходы энергии на одного человека в сутки превышают 1,13•109 Дж [1]; суммарное потребление первичной энергии человечеством оценивается величиной 5,56*1020 Дж в год [2] и продолжает возрастать.

В статье излагаются результаты анализа функционирования агроэкосистем с использованием энергетической меры затрат (Дж) труда человека, включая техногенный вклад; вклада природных энергетических ресурсов, как составной части агроэкосистемы и внешних источников поступления энергии (преимущественно солнечной энергии и климатических ее источников).

Базисные положения энергетического анализа агроэкосистем и постановка задачи

Движущей силой динамических процессов является энергия, пространственные потоки которой есть не что иное, как суть процессов термодинамики – необратимое движение ее от источников аккумуляции к источникам диссипации. Универсальной научно обоснованной оценкой труда, в том числе и «работы природы», является энергетическая мера, которая не зависит ни от конъюнктуры рынка, ни от политических реалий.

Использование единой энергетической меры позволяет проводить сравнительный анализ вкладов в производство материальных ценностей природы и трудозатрат человека; энергетически оценивать экологическую емкость экосистем, функционирующих в разных природно-климатических условиях.

В основе методологии лежит анализ потоков природной и антропогенно преобразованной энергии с целью составления энергетического бюджета функционирования рассматриваемого хозяйства (в данном случае агроэкосистем).

Известно, что потоки природной энергии подразделяются на постоянно действующие (солнечная энергия, тепловая энергия Земли, энергия приливов и отливов), возобновляемые (энергия атмосферных осадков, кинетическая энергия текучих вод и ветровых потоков, энергия биомассы, энергия почвенного плодородия), невозобновляемые (энергия углеводородов и ядерного распада). Отдельную группу составляют альтернативные источники энергии, преимущественно поступающие из отходов сельскохозяйственного производства и других различных видов промышленности.

Для анализа потоков используемой в агроэкосистемах природной энергии составляются карты плотности по пространственному ее распределению [3]. Затем определяются потребности в природной энергии различных агроэкосистем и составляется фактический баланс энергии, учитывающий, с одной стороны, потребности человека (в Дж/год), а с другой – объективно действующие природные типы энергетических потоков, позволяющие в той или иной мере удовлетворять их.

Энергетическая мера эколого-экономической эффективности функционирования агроэкосистем (АГЭС)

Исследование проводилось на примере агрохозяйств, располагающихся в двух природно-климатических зонах: таежной (Томская область) и степной (Казахстан, Карагандинская область). В работе использованы результаты проводившихся ранее исследований по государственным программам фундаментальных исследований СО РАН: Проект VII.63.1.3 и Проект VIII.77.1.4.

Агроэкосистемы Томской области

На примере анализа энергетической эффективности функционирования агрофирмы Томской области была построена потоковая модель агроэкосистемы как операционально замкнутой структуры [4]. В ее основу положена система объектов с заложенными в нее свойствами и функциями, а также концептуальное положение о том, что блоки АГЭС (растениеводство, животноводство), блок управления и инфраструктуры связаны между собой, с их выходными характеристиками и с внешней средой потоками энергии, вещества и информации. Таким образом, изменение параметров любой части агроэкосистемы обусловливало изменение параметров всех функционально связанных ее элементов. Выходные характеристики в виде отходов и побочных продуктов производства поступали в соответствующий блок их переработки с целью получения дополнительной энергии и материалов (в данном случае в виде органоминеральных удобрений).

Для анализа функционирования агроэкосистем было выбрано девять районов Томской области с достаточно развитой транспортной инфраструктурой. Исследование базировалось на статистических данных, взятых из ежегодных сборников по сельскому хозяйству за период с 2005 по 2010 гг. (таблица).

Было выявлено, что самую высокую нагрузку несут Томский, Кожевниковский и Зырянский районы, имеющие соответственно следующие значения в энергетическом эквиваленте: 61,7–69,8*1013 Дж; 54,5–66,9*1013 Дж; 21,1–28,8*1013 Дж. Максимальные показатели по количеству используемых базисных (природных) источников энергии в виде органических удобрений и кормов имеют Томский, Чаинский, Первомайский и Асиновский районы (соответственно 44,5–62,3*1013 Дж; 7,7–9,3*1013 Дж; 10,1–16,4*1013 Дж и 7,4–16,5*1013 Дж).

Энергетическая оценка результатов функционирования агроэкосистемы степной зоны Казахстана

Физико-географические условия степной зоны (Карагандинская область) характеризуются резко континентальным климатом с дефицитом естественного увлажнения – количество осадков не превышает 350 мм в год. Земельные угодья представлены темно-каштановыми почвами и маломощными черноземами, растительный покров – степным разнотравьем. Изученная агроэкосистема, площадью более 2000 га, ежегодно получает солнечную энергию в количестве 52323 ГДж/га, или 1250 т/год в нефтяном эквиваленте; она трансформируется в энергию, накапливаемую растительностью, почвой и др. компонентами геосистем.

В работе взята в расчет преобразованная солнечная энергия, накопленная растениями, далее трансформированная в природное почвенное плодородие и запасенная в природных ископаемых топливах. Так, 1 га засеваемой зерновыми культурами земли степной зоны усваивает в среднем 21 ГДж/год солнечной энергии, а общая сумма заготавливаемой фермой энергии составляет более 42000 ГДж. За один сезон хозяйство собирает в среднем 4 т/га соломы, содержащей 57,6 ГДж/га, заготавливает более 1000 т сена энергетической ценностью 14,6*1012 Дж, из которых более 250–350 тонн (3,65*1012–5,1*1012 Дж) расходуется на кормление животным, а часть реализуется для приобретения других видов кормов [5].

С урожаем выносятся из почвенного покрова большинство питательных веществ, что приводит к необратимым процессам деградации плодородного слоя. Для предотвращения этой проблемы, как известно, необходимо вернуть в почву минеральные вещества путем внесения удобрений, содержащих их. С этой целью по методике А.С. Миндрина [6] определена мера внесения естественных питательных удобрений для обогащения темно-каштановых почв; в единицах энергии она составляет 3,7 ГДж/га, что суммарно дополняется затратами на транспортирование и введение в почву. Таким образом, вычислена энергия вносимого органического удобрения, возмещающая ущерб плодородию почвы, связанный с изъятием питательных веществ с урожаем.

Влияние солнечной энергии на атмосферу Земли обуславливает выпадение атмосферных осадков, что приводит к интенсивности образования облаков. Известно, что обесцененная тепловая энергия переносит водяной пар и участвует в кругообороте воды на Земле. Часть рассеиваемой в пространство тепловой энергии обратно вовлекается в систему в виде выпадающих осадков; она с собой поднимает водяной пар, формирующий облака, который при накоплении преобразуется в дождь и снег, т.е. трансформируется вновь в энергию.

Затраты энергии при оптимизации потенциальных возможностей использования побочных продуктов сельхозпроизводства в некоторых районах Томской области, 1013Дж*

Район / Год

2005

2006

2007

2008

2009

2010

Асиновский

20,77/15,17

23,22/7,48

17,90/15,35

17,57/13,64

17,99/15,48

17,87/14,34

Бакчарский

15,64/11,3

16,71/8,71

15,36/9,08

15,12/4,77

15,54/6,42

15,26/5,53

Зырянский

27,75/8,27

27,86/7,46

26,66/8,36

28,82/8,08

28,24/8,49

21,13/18,41

Кожевниковский

66,92/14,09

54,54/14,08

54,89/15,27

64,74/16,56

60,49/16,58

60,55/16,91

Кривошеинский

17,91/6,89

16,58/11,09

16,89/10,81

18,03/10,95

15,72/11,40

15,45/11,34

Первомайский

16,51/13,41

16,51/12,41

16,59/12,32

14,33/12,95

15,98/10,09

16,01/10,28

Томский

69,84/44,46

61,72/58,21

63,11/57,98

64,52/62,31

68,33/60,47

68,33/60,47

Чаинский

11,51/9,32

11,03/9,12

11,59/9,16

10,99/8,63

10,29/8,43

9,52/7,72

Шегарский

20,73/13,21

21,49/16,41

21,25/7,25

22,65/8,87

21,97/6,68

22,28/7,14

Примечание. *Представлены суммарные затраты энергии к энергии биогаза и удобрений (/).

Естественное увлажнение земельных угодий сохраняет прежде всего невозобновляемые природные ресурсы и антропогенную энергию, так как в районах с недостаточным количеством осадков орошение земель – занятие энерго- и трудоемкое.

В ходе исследования выявлена создаваемая выпадением атмосферных осадков в степной зоне Центрального Казахстана экономия энергии; она определена по методике [1] и составляет 16,4 ГДж/га. Создание систем искусственного орошения в засушливых районах требует на 2–3 порядка выше энергозатрат на строительство и их эксплуатацию с внедрением большего числа источников энергии, чем при естественном увлажнении сельскохозяйственных земель.

По вышеприведенным расчетам экологическая емкость рассмотренной агроэкосистемы составляет в энергетических единицах 10,47*1016 Дж/год, по существу это количество энергии представляет природную ренту, дающую естественную экономию энергоресурсов в хозяйственной деятельности, которую зачастую не берут в оценку затрат [7].

Помимо потоков природной энергии, в исследовании учитываются суммарные затраты энергии (прямые и косвенные): физический труд человека, электроэнергия, энергия твердых и жидких топлив, кормовых ресурсов, а также затраты на содержание основных средств производства. Расчеты показывают, что на производственный процесс затрачивается более 59185 ГДж/год; на содержание оборудования и помещений расходуется не менее 5163 ГДж/год (в среднем 30 % от затрат на создание основных фондов); итого энергозатраты в год составляют 64348 ГДж/год. Суммарный энергетический выход продукции в животноводстве равен 5600 ГДж/год.

Авторами статьи потери энергии в сельхозпредприятиях определяются разницей между затраченной энергией и энергией полученной продукции. Таким образом израсходовано в агроэкосистеме 64348 ГДж, произведено сельскохозяйственной продукции 5600 ГДж (9 % от суммарных энергозатрат), трансформационные издержки, следовательно, равны 58748 ГДж (91 %) энергии.

В разведении животных и получении сельскохозяйственной продукции существенным энергоемким вкладом природы остаются кормовые ресурсы, количество которых напрямую зависит от биопродуктивности экосистем. Остальные статьи затрат не превышают 36,6 % от общих энергетических вложений. Вклад энергии физического труда человека по сравнению с другими вложениями природно-антропогенной энергии ничтожно мал.

Расчеты показали, что производство одной единицы сельскохозяйственной продукции требует затрат 11,4 единиц производственных затрат, из них на долю трудовых ресурсов приходится 0,3 %; затраты электроэнергии составляют 1,1 %; на дополнительные материалы расходуется 5,2 %; затраты энергии на содержание основных фондов – 8 %; расход жидкого и твердого топлива составляет 21,9 %; кормовых ресурсов – 63,4 % [5].

С целью сокращения производственных энергозатрат авторами апробировалось внедрение в структуру агроэкосистемы инновационных биогазовых технологий. По полученным данным в хозяйстве ежегодно образуется от 950 до 1000 тонн сельскохозяйственных отходов, что в переводе на энергию биогаза соответствует 4249 ГДж/год с учетом эксплуатационных расходов и производственных потерь биоустановки, составляющих не менее 30 % от всей производимой энергии Суммарные потребности хозяйства в энергии, расходуемой на отопление административных помещений, нагрев воды на хозяйственные нужды и электроэнергию, ежегодно достигают 5845 ГДж (данные 2005 г).

Учитывая собственные энергопотребности биоустановки (например, биогазовая когенерационная установка 40–50 % энергии преобразуется в тепловую, а 30–40 % – в электрическую энергию) и производственные потери, анализ показывает, что использование биогаза дает возможность перекрыть расходы на отопление помещений, нагрев воды и электроэнергию более чем в половину в зависимости от модификации установки.

Таким образом, внедрение в фермерские хозяйства биогазовых установок позволяет одновременно решить основные проблемы: экологическую в виде полной утилизации отходов животноводства; энергетическую путем получения и утилизации биогаза; агрохимическую (получение удобрений); социальную (улучшение условий труда и создание новых рабочих мест) и экономическую (снижение платежей и получение прибыли от реализации удобрений).

Выводы

Согласно проведенным исследованиям установлено, что в отдельные годы некоторые из агрохозяйств в районах Томской области почти на три четверти могли обеспечивать свои потребности в энергии за счет использования побочных продуктов производства, одновременно производя легко усваиваемые органоминеральные удобрения.

Тогда как в степной зоне Казахстана потребности энергии могли быть восполнены более чем в половину за счет получения тепловой и электрической энергии биогаза из отходов агропроизводства.

Вследствие этого наиболее экономически выгодным и экологически безопасным направлением решения проблем энергетической эффективности функционирования агроэкосистем становится внедрение в структуру фермерских хозяйств технологий анаэробной переработки отходов с получением биогаза и качественных обеззараженных удобрений.

Апробированная на примере агроэкосистем, функционирующих в таежной и степной зонах, методология позволяет проанализировать перспективы внедрения дополнительных энергоресурсов с учетом емкости территории для увеличения результативности производства сельскохозяйственной продукции. Фактическая результативность агрокомпаний в основном определяется именно энергетическим вкладом экосистем, так как с увеличением его доли эффективность производства растет. А значит, следует сконцентрировать основное внимание на решении предполагающих возрастание природной энергии задач, таких как сохранение бонитета почв, повышение эффективности использования возобновляемых энергоисточников, внедрение безотходных технологий.

Работа выполнена по Программе фундаментальных исследований СО РАН IX.135.1.


Библиографическая ссылка

Поздняков А.В., Семенова К.А., Фузелла Т.Ш. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ – ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 2. – С. 124-128;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36683 (дата обращения: 20.05.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252