Эксэргетическая оценка биоконверсии солнечной энергии растениями как метод определения экономической эффективности агротехнологий

Аннотация: В статье рассматривается энерго-, ресурсосберегающая оптимизация производства продукции растениеводства с использованием эксергетического анализа преобразований энергии излучения (света) растениями в процессе фотосинтеза. В ней показана необходимость совершенствования хозяйственно-экономической оценки земельных сельскохозяйственных угодий и корректной оценки уровня эффективности агротехнологий с учетом генетического потенциала растений и экологических условий земель, научная и народнохозяйственная актуальность реализации эксергетической теории урожая.

Ключевые слова: эксэргия, биоконверсия, оценка агротехнологий, технетика, эксергетическая теория урожая.

«Я считаю излишним настаивать на том, как важно знать … ту долю солнечной энергии, которую растение может использовать». Этими словами, произнесенными 1903 г. на заседании Лондонского коро- левского общества в лекции «Космическая роль зеленого растения», К.А. Тимирязев четко поставил важнейшую агроэкологическую задачу по теоретизации как растениеводства и земледелия, так и аграрного производства в целом. В современной научно-технической терминологии сущность этой задачи в следующем: определить свободную энергию (эксергию) солнечного излучения на входе в фотосинтезирующие (зеленые) растения. Эксергия солнечного излучения для растениеводства является теоретическим пределом (началом исчисления, точкой отсчета) для корректного определения как плодородия земельного угодья, так и макси- мальной (потенциальной) продуктивности растений (вида, сорта, гибрида) в заданных экологических условиях. Основным материальным средством аграрного производства являются зе- мельные угодья, имеющие разнообразные экологические условия: погодно- климатические, почвенные и др. Этими условиями и притоком солнечной энергии определяются потенциальное плодородие земельного угодья и максимальный урожай, который можно получить на нем. Возможность расширения площади земель сельскохозяйственного назначения в масштабах планеты Земля принципиально ограничена. Более одной треть суши Земли, лучших по плодородию земель освоено для получения сельхозпродукции. Главный путь удовлетворения все возрастающей потребности в продовольствии – интенсификация использования аграрных земель на основе машинных технологий признана главной задачей агроинженерных исследований в ХХI веке. Успешное и своевременное решения этой задачи на эмпирической основе принципиально затруднено. Разработка оптимальных (высокоэффективных) машинных технологий, объективное количественное определение уровня их эффективности с учетом конкретных экологических условий земельных угодий возможно только на теоретической основе. Оценку эффективности агротехнологий, в принципе, можно проводить на экономической основе, но в связи с быстрым изменением цен на энергию и углеводородные энергоносители такая оценка ненадежна не только на долго- и среднесрочную перспективу, но даже и на краткосрочную. В связи с этим экономическую оценку агротехнологий необходимо дополнить энергоинформационным анализом с использованием эксергетической оценки излучения по его использованию растениями. Зарождение энергоинформационного анализа отражено в исследованиях русского космиста С.А. Подолинского, а также В.И. Вернадского. В начале 70-х годов ХХ столетия выявлено, что интенсификация производ- ства сельскохозяйственной продукции сопровождается ростом ее техногенной энергоемкости. В себестоимости продукции животноводства на корма приходится до 70 % как материальных, так и энергетических затрат. Основным резервом снижения себестоимости и энергоемкости продукции растениеводства является более полное использование экологических условий земельных угодий путем подбора на соответствие им эколого-физиологических (энергопреобразующих) характеристик альтернативных видов (сортов, гибридов) растений, а также выбора (из числа существующих) сортовых, зональных агротехнологий со средствами их осуществления. Такой выбор традиционно проводится экспериментальным путем на основе интуиции и опыта. Аграрно-экологические и агроинженерные знания традиционно развиваются на эмпирической основе. Они концептуально не связаны с фундаментальной наукой, что принципиально затрудняет использование ее достижений, а также достижения технического прогресса в агротехнологиях. Фундаментальными предыдущими исследованиями установлены принципиальные научные положения, позволяющие логически концептуально включить аграрно-экологические и агроинженерные знания в общую систему науки. К основным из них относятся: закон выживания (ЗВ), сущность которого про- тивоположна сущности второго начала термодинамики (ВНТ); принцип энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции (ПЭЭС и ПЭ), логически объединяющий ЗВ и ВНТ виде зеркальной динамической симметрии. Вещество и энергия самоорганизующихся систем проходят периодически через два принципиально различных состояния: самоорганизованное (не равно- весное) и хаотическое (равновесное). В результате такого прохождения осуществляется прогрессивная эволюция. ВНТ утилизирует вышедшие из самоорганизованного состояния системы, разрушая их структуры и рассеивая их энергию. Самоорганизованные системы возникают и функционируют по ЗВ. Аксиомой, отображающей одновременно логическую связь ЗВ, ВНТ, ПЭЭС и ПЭ, представляется известное явление – «жизнь – смерть». Эти положения фундаментальной науки позволили решить главную проблему биофизики – логически, концептуально объединить физику с биологией, а также решить столетние проблемы науки, обусловленные началами классической термодинамики. Исходя из этих положений, актуальным является разработка метода совместного эксергетического анализа как преобразования энергии излучения растениями в процессе фотосинтеза, так и преобразования техногенной энергии в процессах агротехнологий и системы агроэкологических величин, количественно взаимно согласованных определенных и выраженных в одинаковых эксэргетических единицах: агроклиматического и мелиоративных потенциалов земельного угодья, его плодородия и потенциальной продуктивности определенного вида (сорта, гибрида) в заданных экологических условиях.

Метод эксергетического анализа и система агроэкологических величин являются теоретической основой агроинженерных и аграрно-экологических знаний. Они позволяют создавать компьютерные системы осуществления полных агротехнологий получения урожая. Разработку основ «оптимального программирования урожаев» проводили в СССР с 50-х годов ХХ столетия. В 70-е – 90-е годы в болгарском Институте почвоведения и программирования урожаев им. Н. Пушкарова для основных культур (пшеница, кукуруза и др.) разрабатывались организационные программы (проекты) по обеспечению заданного уровня урожая. Однако компьютерные технологии разрабатывались только для отдельных технологических операций или процессов, например для режимов орошения. Создание компьютерных программ по оптимизации получения урожая в целом было принципиально затруднено двумя обстоятельствами: 1) отсутствием надежной методики оценки комплексного влияния экологических факторов на фотосинтез и формирование продуктивности растений; 2) отсутствием взаимосвязанного количественного определения основных агроэкологических величин. Как видно из содержания монографий, посвященных теории урожая и программированию урожая, эти принципиальные трудности компьютерного оптимального управления формированием урожая не были преодолены до недавнего времени. Это положение косвенно подтверждает и монография, посвященная созданию и использованию компьютерных информационных технологий в сельском хозяйстве. В ней рассмотрены информационные компьютерные технологии для оптимизации отдельных технологических процессов в сельскохозяйственном производстве, но, к сожалению, ни одного примера полных компьютерных систем оптимизации агротехнологий получения урожая в целом не приведено. Без оптимизационных компьютерных технологий нельзя определить в целом уровень эффективности технологий земледелия и животноводства. Необходимость эксергетического анализа биоконверсии солнечной энергии растениями непосредственно вытекает из общей системы оценки потенциальной превратимости разных видов энергии применительно к различным типам преобразователей. К наиболее важные достижениям фундаментальной науки, имеющим перспективное значение в развитии высокоэффективных агротехнологий и средств их осуществления, относится обоснованная Б.И. Кудриным технетика – историческое, самопроизвольно энергоэффективно направленное развитие технологий и техники, которое совпадает с такой же аправленностью основных этапов прогрессивной эволюции природы – физико-химического, биологического и социального. Несмотря на появившуюся только в 70-х гг. ХХ столетия осознанную необходимость действия человека по развитию технологий и техники в энергоэкономном направлении, эта закономерность была выявлена анализом исторического развития технологий и техники. Это подтверждает достоверность закона выживания и принципа энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции. Технетикой установлены также закономерности распределения технических изделий в цехе, на заводе и других технических образованиях. Эти распределения, не случайно, соответствуют аналогичным распределениям видов организмов в биологических ценозах. Обоснованное научное направление по техническим ценозам свидетельствует о том, что в процессах эволюции этой разумной деятельности человека – развития технологий и техники – проявлялся (вероятно, не осознанно) общий принцип энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции природы. Важная особенность сельскохозяйственного производства – использование самоорганизующихся живых организмов и их сообществ для получения требуемой продукции. Самоорганизация процессов жизнедеятельности организмов – главная природная часть аграрных технологий. Прогрессивное развитие антропогенной части аграрных технологий и успешное управление ими в связи с этим возможно только на основе учета законов (принципов) самоорганизации. Развитие высокоэффективных машинных технологий в земледелии и животноводстве должно быть устремлено к созданию, на основе принципов, законов самоорганизации живой природы и техники, безотходных автоматизированных агрогеотехноценозов.