Энергетический подход к определению эффективности и оптимизации функционирования агроэкосистем

Фузелла, Татьяна Шалвовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Энергетический подход к определению эффективности и оптимизации функционирования агроэкосистем
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Энергетический подход к определению эффективности и оптимизации функционирования агроэкосистем"

003490390

Фузелла Татьяна Шалвовна

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ОПТИМИЗАЦИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ (на примере СПК «Нелюбино»)

25.00.36 - «Геоэкология»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

2 8 ЯН В 2010

Томск 2009

003490390

Работа выполнена в лаборатории самоорганизации геосистем Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (г. Томск)

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор

Поздняков Александр Васильевич

Официальные оппоненты: доктор географических наук, доцент

Севастьянов Владимир Вениаминович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Красноярский

государственный аграрный университет»

Защита состоится 28 января 2010 г. в 14.30 часов на

заседании диссертационного совета Д 212.267.19 при ГОУ ВПО

«Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета по адресу г. Томск, пр. Ленина, 34а.

кандидат географических наук, доцент Соболева Надежда Петровна

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук

Н.И. Савина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из важнейших проблем геоэкологии является разработка научных основ рационального использования земельных и энергетических ресурсов, а также оценка состояния управления природно-техническими системами, в том числе агроэкосистемами (АГЭС). С данных позиций представляется особенно актуальным изучение природно-энергетических обменных процессов при формировании экологически устойчивых АГЭС в рамках отдельного региона (хозяйства). Необходимость перехода к энергосбережению в агропромышленном комплексе (АПК) обусловлена экспоненциальным ростом затрат невосполнимой энергии на каждую дополнительную единицу продукции, все возрастающими масштабами разрушения и загрязнения окружающей среды, высокой зависимостью вариабельности величины и качества урожая от «капризов» погоды. За последние сто лет валовой мировой продукт возрос в 500 раз - с 60 до 30000 млрд дол/год, увеличилась в 14 раз энергетическая мощность техносферы (с 1012 Вт до 14-1012 Вт). В развитых странах расходы энергии на одного человека в сутки достигают 1,5-109 Дж, а суммарное энергопотребление на земном шаре превысило 380 млрд т (более 1022 Дж).

В условиях нарастающего дефицита энергетических ресурсов крайне важно ввести в экономическую оценку экологическую составляющую, смешанные эколого-экономические показатели, кроме денежного, привести еще и к энергетическому эквиваленту, так как только в единицах энергии можно сопоставить ценность природных и экономических товаров и услуг [Одум, 1996].

Денежные оценки не позволяют сопоставить стоимость труда и его выражение в виде заработка. Более целесообразно применить универсальную физическую единицу, чей обменный курс является постоянным, твердым и понятным. Многие исследователи сходятся во мнении, что такой является энергетическая единица. «Энергия является единственной объективной и всеобщей мерой стоимости любого вида произведенной продукции не только человеком, но и природой (того или иного вида природных ресурсов). Эта мера не зависит ни от спроса и предложения, ни от цены. ... Энергетическая мера стоимости - это наиболее полная и точная, не зависящая от времени и конъюнктуры рынка, количественная оценка стоимости

производимой продукции. Как мера стоимости, энергия удобна и тем, что она бесценна, так как без нее невозможно не только существование всего живого, но и формирование и развитие косных систем» [Поздняков, 1998].

Энергетический подход позволяет выявить и изучить структурные и функциональные зависимости между компонентами систем, в частности сельскохозяйственных, а также исследовать в динамике влияние различных энергетических источников на поведение агроэкосистем [Денисенко, 2000]. Без использования энергетического анализа невозможно эффективное управление производством.

Гипотеза и постановка задач исследования.

Существующая методика определения энергетических затрат в сельскохозяйственных производственных процессах предполагает производить расчет на основании нормативных затрат ресурсов. Предлагаемый нами методический подход направлен на то, чтобы определять энергетические потоки на основании данных о реальных, сложившихся в конкретном году затратах ресурсов в производстве продукции.

В отличие от оценки природно-ресурсного потенциала [Осипов и др., 1997], которая определяется суммой покомпонентных оценок и сравнивается с эталоном территории, энергетический подход обеспечивает сопоставимость оценок природно-ресурсных возможностей систем. В данном диссертационном исследовании показано на конкретном примере, с какой энергетической эффективностью могла бы работать агроэкосистема, если бы она использовала не только традиционные источники энергии, но и энергию, накапливаемую в процессе производства в отходах.

Разработанность проблемы. В основу методологии исследования положены идеи выдающегося американского геоэколога Г. Одума, которые изложены им в широко известных фундаментальных научных произведениях: «Энергетический базис человека и природы» [1978] и «Бухгалтерия окружающей среды, эмергия и принятие решений» [1996]. Его идеи положили начало применению энергетического анализа функционирования геосистем как в зарубежных странах, так и в нашей стране. Наибольшую методологическую значимость из отечественных имеют исследования, проводимые A.C. Миндриным, Е.А.

Денисенко, Г.А. Булаткиным и др. A.C. Миндрин в монографическом произведении «Энергоэкономическая оценка сельскохозяйственной продукции» [1997] привел расчеты энергетических эквивалентов энергоносителей (ископаемых топлив) и используемых в АПК исходных материалов, дал энергетическую характеристику эффективности производства сельскохозяйственной продукции, а также определил количество химической энергии, необходимой для восстановления природных объектов (на примере почвенного плодородия). О.В. Фельдман, Е.А. Денисенко и Д.О. Логофет провели сравнительный анализ эффективности использования возобновляемой и невозобновляемой энергии в современных и доиндустриальных хозяйствах [Эмергетический подход при оценке эффективности использования ресурсов, 1998]. В монографии «Эколого-энергетические основы оптимизации продуктивности агроэкосистем» Г.А. Булаткин [2008], на основе эколого-энергетической оценки, выявил пути решения проблемы восстановления плодородия почв и повышения продуктивности агроэкосистем, приближающиеся к оптимальным, которые приведут к экономии энергетических ресурсов.

Постановка задач нашего исследования, в соответствии с разрабатываемой в лаборатории самоорганизации геосистем ИМКЭС СО РАН методологией энергетического анализа эффективности функционирования геосистем, предполагает рассматривать их (геосистемы) как операционально замкнутые системы, в которых учитываются затраты энергии в сравнении с получаемыми на выходе потоками энергии [Поздняков, 1998; Поздняков, Шуркина, 2008]. В настоящее время концепция энергетического анализа переходит в стадию поиска путей практической реализации ее основных принципов.

Целью исследования является оценка эффективности функционирования и оптимизация использования ресурсов в агроэкосистеме на основе балансового подхода, с учетом местных природных условий и ресурсов, на примере действующего хозяйства - сельскохозяйственного производственного комплекса (СПК) «Нелюбино» Томской области. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

■ определить основные источники энергии в функционировании агроэкосистем;

■ определить и оценить энергетическую эффективность функционирования агроэкосистемы при различной энергетической нагрузке;

■ разработать и описать алгоритм сбалансированной модели АГЭС, основанной на потоках вещества, энергии и информации, на примере конкретного объекта исследования;

■выявить и показать возможности энергетического анализа для оптимизации потоков вещества и энергии в АГЭС.

Объект исследования. В качестве объекта исследования выступает СПК «Нелюбино», расположенное на территории Томского района Томской области.

Информационную базу работы составили научно-техническая документация и документы бухгалтерского учёта хозяйства СПК «Нелюбино», статистические материалы, справочные и картографические материалы. На основе полученных данных были рассчитаны энергетические потоки природной, антропогенной и техногенной энергии для изучаемого хозяйства.

В качестве основных методов исследования использовались аналитический, сравнительный, географический и математический методы. Полученный материал обработан с применением компьютерных программ: MS Excel, Statistica 6 for Windows Stat.Soft Inc. 2006; построены графики, схемы, диаграммы.

Научная новизна. Разработана новая модель оптимизации функционирования сбалансированной агроэкосистемы на примере СПК «Нелюбино», основанная на потоках вещества, энергии и информации, которая может быть использована как модель для проведения количественного и качественного анализа различных АГЭС. Автором разработана программа «Agronom 1.0» [соавтор E.H. Тимошок], адаптированная под природные условия Томской области, которая позволяет ускорить анализ, рассчитать большое количество вариантов функционирования и выбрать наиболее оптимальный, что важно в научном и практическом планах.

Основные положения, выносимые на защиту:

■ Основным источником энергии в функционировании агроэкосистем и в производстве продукции является природная рента, создаваемая солнечной энергией и ее производными: энергией атмосферных осадков и потенциальной энергией, запасенной в почвах.

■ Аграрно-экологическая геосистема функционирует на основе вещественно-энергетических и информационных обратных связей между основными элементами, что позволяет ее рассматривать как замкнутую структуру функциональных отношений между выходными потоками энергии и входными ее характеристиками.

■ Потенциальные возможности повышения эколого-энергстической эффективности функционирования АГЭС связаны с уменьшением потребностей в энергии за счёт использования отходов для производства биогаза и органических удобрений.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Энергетическая концепция позволяет существенно дополнить методику анализа современных экологических проблем. Результаты исследования могут быть использованы при разработке научных концепций, подготовке планов, программ по рациональному' природопользованию в агропромышленном комплексе, а также в образовательном процессе в вузах, ведущих подготовку кадров по специальностям геоэкология, экология, агроэкология и др.

Апробация работы. Научные результаты, методические положения и выводы диссертации использованы при разработке следующих проектов по плановой тематике Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН:

-Проект № 24.1.7 «Закономерности и особенности самоорганизации геосистем и социально-экономических систем в процессе их взаимодействия»;

-Проект № 63.1.3 «Трансформация энергетических характеристик геосистем в условиях глобальных климатических изменений».

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе две из них в журналах, рекомендованных ВАК Минобразования РФ. Основные положения диссертации докладывались на международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях и семинарах: Российско-Французском Форуме «Актуальные проблемы экологии и природопользования Сибири в глобальном контексте» [Томск, 2006], Всероссийском научном семинаре «Самоорганизация социальных систем» [Новосибирск, 2006], Съезде экологов нефтяных регионов [Ханты-Мансийск, 2007], Всероссийской научно-технической

конференциям «Энергетика: Экология, надёжность, безопасность» [Томск, 2008, 2009], Международной научно-практической конференции «Аграрная наука сельскому хозяйству» [Барнаул, 2009], Всероссийской научной конференции «Теоретические и прикладные вопросы современной географии» [Томск, 2009].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 140 наименований и приложения. Работа изложена на 163 страницах, включая 25 рисунков и 21 таблицу. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.н., профессору А.В. Позднякову, руководству СПК «Нелюбино» за согласие предоставить материалы для проведения нашего научного исследования.

Автор считает приятным долгом отметить творческую атмосферу общения с коллегами по работе, полезность дискуссий, высказанных замечаний и пожеланий в ходе работы. Искреннюю благодарность автор выражает всем, кто взял на себя нелёгкий труд по ознакомлению с работой, за конструктивные замечания и помощь в оформлении работы.

В первой главе диссертационного исследования -«Энергетический подход как метод исследования агроэкосистем» автором обобщены и систематизированы современные представления об энергетическом анализе; проанализированы исторические предпосылки появления энергетической оценки. Приведены основные понятия и определения, используемые в работе, и рассмотрены принципы организации агроэкосистем.

Глава вторая, «Издержки и перспективы использования энергии», посвящена вопросам энергопотребления, анализу его современного состояния; рассмотрены проблемы интенсификации сельхозпроизводства на рубеже ХХ-ХХ1 вв., описаны источники возобновляемых ресурсов для Томской области. Установлено, что потенциал природных возобновляемых энергетических ресурсов Томской области, и территории хозяйства «Нелюбино» в частности, позволяет использовать возобновляемые источники энергии в децентрализованных системах электроснабжения с применением энергоустановок малой мощности.

Третья глава, «Анализ функционирования агроэкосистемы «Нелюбино», посвящена описанию района

исследования и построению структурной потоковой модели АГЭС на примере сельхозпредприятия Томской области, с учётом экологических факторов; представлены результаты произведённого эколого-энергетического анализа. Для АГЭС «Нелюбино» описаны рассчитанные автором циркулирующие потоки энергии в 1991, 1999 и 2004 гг.

В четвертой главе, «Сбалансированная модель агроэкосистемы «Нелюбино», предложена балансовая модель агроэкосистемы, учитывающая функционирование потоков вещества и энергии. Она позволяет вычислить наиболее оптимальное использование побочного продукта животноводства и растениеводства в качестве сырья для получения биогаза, а также продукта, оставшегося от переработки биогаза - в качестве высококонцентрированного органического удобрения. Расчет оптимальных вариантов функционирования агроэкосистемы был сделан на основе авторской программы «Agronom 1.0», составленной на основе разработанного алгоритма балансовой модели. Проведен анализ экономичности применения дополнительных источников энергии с целью повышения эффективности функционирования системы.

В заключении в краткой форме изложены основные выводы и подведены итоги диссертационного исследования.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Основным источником энергии в функционировании агроэкосистем и в производстве продукции является природная рента, создаваемая солнечной энергией и ее производными: энергией атмосферных осадков и потенциальной энергией, запасенной в почвах.

Существование агроэкосистем основано на постоянном притоке вещества и энергии извне и её трансформации внутри системы, где происходит изменение текущего энергетического состояния последней за счет дополнительной энергии, поступающей в систему в той или иной форме. Более четко понять отличия в функционировании различных АГЭС можно с помощью сопоставления потоков в натуральных единицах. На примере СПК «Нелюбино» Томской области проведен анализ энергетической эффективности функционирования АГЭС и определена доля энергетического вклада природы в производство

сельскохозяйственной продукции. СПК «Нелюбино» специализируется на производстве зерна и мясо-молочной продукции, вместе с тем климатические и природные условия в целом позволяют возделывать здесь все сельскохозяйственные культуры, районированные в Томской области. За последние двадцать лет в хозяйстве сократилась в 2 раза площадь используемых сельскохозяйственных угодий. Количество занятого в работах населения в условиях неустойчивой экономической ситуации уменьшилось в 2,5 раза, а обеспеченность техникой за данный период сократилась на 40%.

Для агроэкосистемы «Нелюбино» нами были вычислены энергетические потоки на основе эколого-энергетического анализа по [Денисенко [1990]. В модели определяются существенные для системы материальные потоки и вычисляется их энергетический эквивалент. Методологическая ценность такого подхода заключается в том, что при этом оцениваются затраты энергии в объективной форме, в отличие от стоимостных показателей, для которых характерна субъективность.

Для перевода в единую систему единиц потоки вещества конвертируются в энергетические (через их энергетические эквиваленты). Рассматривая АГЭС как преобразователь входных потоков искусственной энергии (минеральные удобрения, электроэнергия, топливо и т.д.) и внутренних потоков (корма, органические удобрения, солома) в выходные потоки произведённой сельскохозяйственной продукции, мы описываем функционирование АГЭС в виде потоков энергии, поступающей в нее за год. Энергетическая эффективность системы в целом рассчитывается по формуле [Денисенко, 1990]:

+ (1) Оь+Р*

где От, <7ош - величины входного и выходного (соответственно) потока энергии в растениеводстве; Рт, роШ -величины входного и выходного потока энергии в животноводстве.

Основными элементами природной среды, создающими природную энергетическую рент}', для агроэкосистемы являются: энергетический потенциал почвы; энергия атмосферных осадков и площадь территории агроэкосистемы. Солнечная энергия, играющая роль внешнего, определяющего развитие системы потока, вычислялась по формуле Г. Одума [1996]:

Es=SC (2)

Количество Es, поступающее на территорию, занимаемую СПК «Нелюбино», составляет Es=30-1016 Дж/год (4,2-Ю13 Дз!с/га/год).

Энергетический потенциал серой лесной почвы Еовп исследуемой территории вычислялся по формуле В.М. Володина [2000]:

E0ín=3:{HGV)0 (3)

где 3, - запасы гумуса в почвенном слое Н= 0-35 см, G -общий гумус, %; V - объёмная масса почвы, г/см3; О -энергетический эквивалент гумуса, Дж/га. Энергия почвы составляет Епочв =14,5-1()'2Дж (2,042-l(f До1с/га).

Энергия атмосферных осадков определена по формуле Г. Одума [1996]:

Еос - SOG (4)

где S - площадь территории хозяйства; О - количество выпадающих осадков (517 мм/год); G - свободная химическая энергия Гиббса без учета транспирации растениями - 4,94 Дж/г. Энергия атмосферных осадков Еос =181,6-Ю'2 Дж/год.

Природная рента агроэкосистемы, дающая основную экономию энергии в хозяйственной деятельности АГЭС, в энергетических единицах в целом составляет:

ПР = ES + Епот + Еос =30,01-1016 Дэ1с/год (5)

В АГЭС «Нелюбино» в качестве основных входных потоков техногенной энергии нами выделены следующие: топливо (дизельное, бензин), электроэнергия, удобрения (N, Р, К), комбикорм, ядохимикаты, сельскохозяйственная техника, инфраструктура и труд человека. Потоки на выходе: зерновые культуры, мясо и молоко.

Расчет энергетических потоков агроэкосистемы представлен в табл. 1-2. Затраты техногенной энергии в 1991 г. в целом составляли 152,3-Ю12 Дж, в 1999 г. - 114,3-Ю12 Дж, в 2004 г. -93,3'1012 Дж. Непосредственные трудовые (энергетические) затраты человека (работников СПК «Нелюбино») хотя и очень малы и составили в среднем 0,1-1012 Дж (в качестве эквивалента взяты энергозатраты на нормальный метаболический процесс -0,7 МДж/час), тем не менее они играют определяющую роль -обусловливают синергетическое объединение и взаимодействие потоков энергии, вещества и информации.

Затраты энергии в виде топлива, на использование сельскохозяйственной техники и обслуживание инфраструктуры -наиболее высокие из всех энергозатрат; на втором месте стоят затраты на удобрения, электроэнергию и комбикорма (рис. 1). Таким образом, затраты техногенной энергии в агроэкосистеме в 1991 г. в целом составляли 152,3-1012 Дж, в 1999 г. - 114,3-Ю12 Дж, в 2004 г. -93,3-1012Дж.

1991 1999 2004

□ удобрения □ корма

□ топливо □ эл.энер гия И инфраструктура Шс.хтехника

□ ядохимикаты

Рисунок 1 Распределение энергоресурсов в АГЭС «Нелюбино»

Общее количество продукции на выходе системы в целом составляло: в 1991 г. - 115,4-1012 Дж, в 1999 г. - 97,9-1012 Дж и в 2004 г. - 70,5-1012 Дж; энергетическая эффективность е всей системы (без учёта природной ренты) в целом в 1991 г. равнялась 0,76, в 1999 г. - 0,86, в 2004 г. - 0,75. Различие данных показателей по годам объясняется структурным соотношением между растениеводством и животноводством в системе.

Природная рента агроэкосистемы в энергетических единицах составляла 30,01-1016 Дж/год.

Энергетическая эффективность функционирования АГЭС с учетом природной энергии снижается в несколько сот раз и в среднем составляет 0,0003.

Таблица 1 - Энергетические характеристики функционирования _агроэкосистемы «Нелюбино»_

Функционирование агроэкосистемы 1991 1999 2004

Энергия 1012Дж/год

Энергия на выходе 115,3 97,9 70,2

Энергия на входе 152,3 114,3 93,3

Эффективность 0,76 0,86 0,75

Таблица 2 - Энергетическая эффективность агроэкосистемы _с учетом природной энергии__

Показатели 1991 1999 2004

Выход продукции, 1012 Дж 115,3 97,9 70,2

Израсходовано:

Техногенная энергия, 1012 Дж 152,3 114,3 93,3

Природная энергия, 1016Дж 30,01 30,01 30,01

Антропогенная энергия, 1012Дж 0,1 0,1 0,1

Всего затрачено, 1016Дж 30,0253 30,0214 30,0193

Эффективность 0,0005 0,00033 0,00023

В результате проведенного анализа установлено, что величина потоков энергии на выходе из системы и потоков энергии, выделяемых в побочном продукте, никак не учитывается при функционировании АГЭС, что указывает на незамкнутость структуры функциональных отношений, при которой не используются дополнительные источники энергии. Для дальнейшего развития АГЭС «Нелюбино» необходимо, чтобы система работала в замкнутой структуре, что вызывает потребность в разработке новых технологий получения энергии из возобновляемых ресурсов.

2. Аграрно-экологнческая геосистема функционирует на основе вещественно-энергетических и информационных обратных связей между основными элементами, что позволяет ее рассматривать как замкнутую структуру функциональных отношений между выходными потоками энергии и входными характеристиками.

В настоящее время исследования в области применения энергетического анализа к системам и процессам сводятся в основном к энергетической оценке отдельных технологических операций, без изучения и описания общей структуры потоков вещества, энергии и информации в АГЭС. Поскольку конечной количественной оценкой эффективности функционирования зачастую становится экономическая оценка, то временные изменения конъюнктуры рынка способны привести к необоснованному свертыванию сельского хозяйства в отдельных регионах, а не к поиску наиболее эффективных методов преобразования энергии окружающей среды в энергию продукции АГЭС. Нами предлагается применить алгоритм расчёта по использованию побочного продукта производства СПК «Нелюбино», разработанный на основе энергетического анализа и оптимизации балансовой модели агроэкосистемы.

Метод расчета сбалансированной модели агроэкосистемы, произведенный на основе программы «Agronom 1.0», реализован в Turbo Delphi 2006 Explorer for Windows [Фузелла и др., 20096]. В основу модели положена система объектов с определенными свойствами и функциями, а также концептуальное положение о том, что блоки АГЭС (растениеводство, животноводство, вспомогательный блок - поддерживающая и контролирующая активность человека) связаны между собой, а также с внешней средой потоками энергии, вещества и информации.

Именно потоки информации, касающиеся внутренних и внешних связей, определяющие и контролирующие потоки вещества и энергии, являются в наибольшей степени контролируемыми человеком. Набор данных, реализованных в существующей программной версии модели, описывает урожайность и энергетическую ценность кормов, выращиваемых в Томской области, потребности скота наиболее распространенных в ней пород и показатели, связанные с производством биогаза из различных побочных продуктов. Общий вид модели может быть формализован как схема, представленная на рисунке 2. Структура функциональных отношений АГЭС включает в себя сеть с различными потоками. Кроме информации о побочной продукции от растениеводства и животноводства, поступает информация о выработке дополнительной продукции - третичного продукта, который получается в результате производства биогаза.

- Прямая связь

........... Обратная сиял.

-- I - Поток информации

Рисунок 2 Схема структуры функциональных отношений в АГЭС

Мы выделяем следующие потоки: внешние входы в систему -природная и техногенно-антропогенная энергия: выход в виде продукции; потоки информации (в виде прямых и обратных связей); распределители потоков, где осуществляется управление ими в соответствии с целями, оптимизирующими функционирование всей системы в целом.

Поток энергии на входе равен сумме потребностей в энергии для производства в растениеводстве и в животноводстве. В силу наличия взаимосвязи вещества и энергии, для описания потоков использовались либо вещество, либо энергия. К примеру, определенную массу вещества можно выразить содержанием энергии в виде информации о том, что данный продукт является концентрированным кормом и поступает от некоторой системы А в некоторую систему В и т. д. В пределах данной модели расходы на

топливо и электричество представлены как чисто энергетический поток. Возможные варианты использования биомассы растениеводства и животноводства осуществляются в блоке управления в соответствии с целями. При построении потоковой модели агроэкосистемы основное внимание было уделено решению задачи в оптимизационной форме: найти вариант распределения внутренних потоков, минимизирующий затраты на входе, при фиксированном выходе из системы.

Предлагаем краткий алгоритм расчета потоков энергии в АГЭС [см. подробнее в статье Фузелла и др., 20096]:

1) вычисляются потребности различных отраслей исследуемого хозяйства по удобрениям, кормам и энергии, которые в большей степени зависят от запланированного выхода продукции;

2) вычисляется фактический баланс источников энергии, который сводится к трём балансовым соотношениям по удовлетворению потребностей в удобрениях, кормах и энергии;

3) все балансы сводятся в одно уравнение, в левой части которого отражены суммы фактических источников удобрений, кормов и прямой энергии, а в правой - сумма всех потребностей. Это уравнение разрешается относительно суммы величин энергии и вещества (выраженных также в энергетических единицах), поступающих из внешних источников.

Энергия, поступающая в АГЭС из среды, представляет собой энергию не только топлива, но и удобрения, и кормов. Поэтому значение целевой функции, отражающей сумму потребленной энергии, будет больше либо равным величине закупаемой энергии.

Общий вид целевой функции [Бровкин, 1988]:

z = (с, х) —> min , где z - значение целевой функции, соответствующее конкретным значениям переменных, характеризующих состояние системы (именно эта величина и подлежит минимизации), с - вектор коэффициентов целевой функции, х - вектор основных переменных модели. В нашей модели описывается экономичность АГЭС в энергетическом аспекте.

Целевая функция в данной работе представляет собой энергетическую стоимость потребляемых внешних ресурсов (затраты энергии):

z = ^ ciV, —» min, где V-, - потоки потребляемых ресурсов,

i=i

с,- - их стоимость в энергетическом выражении.

В качестве критерия оптимизации выбрана минимизация затрат, выраженных в энергетических единицах (в Дж). Побочный продукт, а также отходы сельскохозяйственного производства могут использоваться для удовлетворения различных потребностей АГЭС, а точнее - в трёх направлениях: в качестве корма; в качестве органического удобрения; в качестве сырья для производства биогаза. Интерфейс программы представлен на рисунке 3.

ü,

Введите данные...................................................................................................................................................................... i Посевные площади Животноводство j Побочмь© продукты ] Удобрения \ Энергетика \ Потребность в продукции Потребность е адрмас (КЕ) Пряввелень нивоза Концентр аты Грубые корма говядина (т) |l27 j1769110 \ ¡758190 j I3Q48 | колско (т) рйО ¡ШШ f 157600 >' 1700 | свинина (т) | jß | fo j l0 птица (т) \ i |о ] 10 яйца <т) | iL.,—___1 10______... .1 Urt>rn: i 1903510 j 1815790 I .¡3748 \

Получено кормов (КЕ) Концентраты |р _ j грубые корма 10 j &IZ1ZZZ] Остаточная потребность Концентрате; _1 Грубые корма ¡815790............1

Кхм^ентгмгзм относим зерновые и кор/юШс купьтуры, овощи, фрукты. К грубым кормам - технические культуры, полагая их сенажом, кукурузу на силос . Под соломой понимаем любой сооочныя продукт всего производства,

Значение целевой функции: ;32361032

1 i

Рисунок 3 Интерфейс программы «Agronom 1.0»

Мы апробировали работу нашей модели в программе

«Agronom 1.0» применительно к функционированию АГЭС «Нелюбино».

Расчёт показал, что общие затраты на производство в 1991 г. составили бы 128,4-1012 Дж, в 1999 г. - 103,8-Ю12 Дж, в 2004 г. -83,8'1012 Дж, что обусловливает повышение энергетической эффективности АГЭС в среднем на 13%.

Таким образом, для уменьшения затрат потребляемой энергии требуется введение информационных связей между элементами и учёт потоков энергии на выходе в виде продукции. Такой подход означает рассмотрение АГЭС как операционально замкнутой системы. Системы, обменивающиеся веществом, энергией и информацией со средой и другими системами, преобразующие входной поток энергии в иную форму, где посредством обратных связей образуется замкнутый контур причинно-следственных связей и являются операционально замкнутыми системами.

3. Потенциальные возможности повышения эколого-энергетической эффективности функционирования АГЭС связаны с уменьшением потребностей в энергии за счёт использования отходов для производства биогаза и органических удобрений.

Производимая внутри агроэкосистемы энергия может использоваться для самообеспечения энергетическими ресурсами. Нами проведена оценка функционирования АГЭС «Нелюбино» для 1991, 1999 и 2004 гг. с учётом использования вторичного продукта (Ен=Е6/гсоп +Еб/гюв)- При этом производство биогаза составило бы в 1991 г. - 18,6-Ю1- Дж, в 1999 г. - 17,МО12 Дж и 18,3-1012 Дж в 2004 г. Система была бы способна обеспечить сама себя энергией на 22 %, т.е. около 1/5 от суммарных затрат энергии компенсировалось бы за счёт производства биогаза.

Дальнейшая оптимизация сбалансированной модели показала, как бы работала система, если бы использовалась вторичная продукция на биогаз, а продукт, оставшийся от переработки биогаза Еш =Есол-тсол +Енав-тнав (третичный продукт), - на удобрение. В результате ретроспективного анализа функционирования хозяйства установлено, что в 1991 г. производство дополнительной энергии составило бы 34,9*1012 Дж, в 1999 г. - 31,МО12 Дж, а в 2004 г. - 29,9-Ю12 Дж (36% от суммарных затрат). Следовательно, при правильном использовании ресурсов система может дать резкое повышение экономичности использования энергии.

Оптимизация функционирования АГЭС может увеличить способность к самообеспечению системы энергией за счёт использования вторичного и третичного продукта производства на 1/3 (рис. 4).

1991 1999 2004

Затраченная на Энергия биогаза и

производство энергия удобрений

Рисунок 4 Распределение суммарной энергии в сбалансированной модели АГЭС «Нелюбино»

На основании используемых нами расчетов можно определить энергетические показатели гипотетически «сбалансированной» деятельности агроэкосистемы. Значительно увеличить эффективность функционирования системы можно за счет использования возобновляемого потока побочной биомассы. По всей агроэкосистеме эффективность при этом возрастает, а энергетический эффект от использования побочного продукта в разных направлениях может существенно различаться. В результате проведенных исследований удалось определить, какая из применявшихся ранее (1991-2004 гг.) схем функционирования АГЭС «Нелюбино» является более выгодной и экономически оптимальной.

Таковой оказалась схема функционирования агроэкосистемы, действовавшая в 2004 году, когда по структуре посевных площадей, по объёму производства АГЭС оказалась наиболее

сбалансированной, ориентированной преимущественно на молочное производство.

Достаточно компактное по размерам хозяйство способно обеспечить себя энергией на треть и является малозатратным само по себе.

Ретроспективный анализ энергетической эффективности функционирования агроэкосистемы на примере «Нелюбино» показал, что можно определять оптимальный вариант использования как внешних, так и внутренних потоков вещества, а также эффективность использования различных ресурсов агроэкосистемой. С помощью предлагаемой модели можно оптимально управлять производством и при этом сохранять ресурсы, выявлять новые пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства, пути снижения затрат энергии, удобрений и других ресурсов на единицу производимой продукции.

В модель заложены значительные возможности развития и адаптации, в силу чего она легко может быть использована для любого региона и выполнения более широкого спектра задач.

Проведённое в работе исследование показало, что в нашем регионе производство биогаза весьма целесообразно, поскольку энергия биогаза, кроме прочего, может дать временной выигрыш на случай внезапного перебоя в поступлении традиционных видов энергоносителей.

Таким образом, анализ функционирования АГЭС как структуры, в которой взаимодействие между элементами осуществляется на основе обмена потоками энергии, вещества и информации, позволил:

1) описать агроэкосистему как систему потоков энергии, вещества и информации, заданных в сё структуре, а также определять экономичность как всей агроэкосистемы, так и ее отдельных компонентов;

2) перейти к замкнутой структуре функциональных отношений, учитывая информационные обратные связи от основных элементов системы;

3) увеличить в операционально замкнутой системе экономичность хозяйства посредством использования побочного продукта растениеводства и животноводства для производства биогаза, что позволит компенсировать около 1/3 от суммарных

затрат энергии. Побочный продукт и отходы, которые в настоящее время практически не используются, представляют существенный резерв повышения эффективности функционирования АГЭС. Энергоресурсосберегающая модель производства позволяет оптимально управлять АГЭС и при этом сохранять ресурсы, выявлять новые пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства, то есть пути снижения затрат энергии, удобрений и пр. на единицу производимой продукции.

Основные научные выводы и результаты исследования

В ходе проведения диссертационного исследования были получены следующие результаты:

1. Выявлено, что основным источником энергии в функционировании агроэкосистем и в производстве продукции является природная рента, создаваемая солнечной энергией и ее производными: энергией атмосферных осадков и потенциальной энергией, запасенной в почвах. Природная рента агроэкосистемы в энергетических единицах в целом составляет ПР = Es + Е„очв + Еос= =30,01-1016 Длс/год. Затраты техногенной энергии в СПК «Нслюбино» в 1991 г. в целом составляли 152,3-Ю12 Дж, в 1999 г. -114,3-Ю12 Дж, в 2004 г. - 93,3-Ю12 Дж. Трудовые затраты работников составили в среднем 0,1-10'" Дж.

2. Разработан алгоритм балансовой модели АГЭС на основе потоков вещества, энергии и информации, а на базе полученного алгоритма создана программа «Agronom 1.0», адаптированная под природные условия Томской области. Применение программы в целях автоматизации расчета энергетических затрат позволяет ускорить анализ и рассчитать большое количество вариантов функционирования и выбрать оптимальный вариант, что важно в научном и практическом плане.

3. Агроэкосистема, представляя собой замкнутую структуру функциональных отношений, действует на основе вещественно-энергетических и информационных обратных связей между основными элементами. Энергетический анализ замкнутой структуры показал, что энергетическая эффективность АГЭС может увеличиться в среднем на 13% за счёт уменьшения потребности в энергии и перераспределения её внутри системы. Выявлено, что при использовании энергии побочной продукции,

(за счёт производства биогаза и использования продукта производства биогаза в качестве удобрения) АГЭС «Нелюбино» могла бы обеспечить себя энергетическими ресурсами на 1/3 от суммарных энергетических затрат.

4. Результаты проведенных исследований также показали, что из применявшихся ранее (1991-2004 гг.) схем функционирования АГЭС «Нелюбино» более выгодной и экономически оптимальной является действовавшая в 2004 году схема, когда по структуре посевных площадей, по объёму производства она оказалась наиболее сбалансированной. Достаточно компактное по размерам хозяйство СПК «Нелюбино» способно обеспечить себя энергией на 36%.

Основные публикации по теме диссертации:

а) в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Фузелла, Т.Ш. Энергетическая оценка функционирования агроэкосистемы (на примере СПК «Нелюбино») / Т.Ш. Фузелла // Вестник ТГУ. - 2009а. - № 326. - С. 203-207.

2. Фузелла, Т.Ш. Оптимизация функционирования агроэкосистемы при использовании биогаза для получения энергии / Т.Ш. Фузелла, A.B. Хон, E.H. Тимошок // Проблемы региональной экологии. - 20096. - № 5. - С. 218-223.

б) в других изданиях:

3. Фузелла, Т.Ш. Энергетический подход к построению модели агроэкосистемы / Т.Ш. Фузелла И Экология, надежность, безопасность : мат. XI Всерос. науч.-практ. конф. - Томск, 2005. -С.305-308.

4. Фузелла, Т.Ш. Мониторинг эколого-энергетического состояния агроэкосистемы Томской области / Т.Ш. Фузелла // Контроль и реабилитация окружающей среды : мат. 5-го междунар. симп,- Томск, 2006. - С. 96-98.

5. Фузелла, Т.Ш. Методические аспекты оценки экологического риска сельскохозяйственного использования почв ЗападноСибирского региона / Т.Ш. Фузелла // Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии : мат.

междунар. конф., посвящ. 30-летию каф. физич. и вычисл. механики ф-та ТГУ. - Томск, 2007. - С. 177-178.

6. Фузелла, Т.Ш. Особенности рисков природопользования при нефтегазодобычи Западной Сибири / Т.Ш. Фузелла, Е.С. Волкова // Региональная экологическая политика в условиях существующих приоритететов развития нефтегазодобычи : мат. съезда экологов нефт. рег. - Ханты-Мансийск, 2007. - С. 155-158.

7. Фузелла, Т.Ш. Теоретические основы энергетического анализа для оценки природных ресурсов / Т.Ш. Фузелла, Е.С. Волкова // Географические исследования в начале XXI в. : мат. XVI науч. конф. молодых географов Сибири и Дальнего Востока. -Иркутск, 2007. - С. 73-76.

8. Фузелла, Т.Ш. Геоморфологические особенности территории Томской области как один из факторов природных рисков / Т.Ш. Фузелла, Е.С. Волкова // Земная поверхность, ярусный рельеф и скорость рельефообразования : мат. Иркутского геоморф, семин., Чтений пам. Н.А. Флоренсова. - Иркутск, 2007. -С. 174-176.

9. Fuzella, T.Sh. Agroecosystem risks of Tomsk région / T.Sh. Fuzella // Enviromis-2008: International conférence on environmental observations, modeling and information systems. - Tomsk, 2008. -C. 108-109.

10. Фузелла, Т.Ш. Метод оценки функционирования агроэкосистем / Т.Ш. Фузелла // Экология, надежность, безопасность : мат. XIV Всерос. науч.-практ. конф. - Томск, 2008. -С. 186-188.

11. Фузелла, Т.Ш. О необходимости применения эколого-энергетического метода оценки функционирования сельхозпроизводства / Т.Ш. Фузелла // Аграрная наука сельскому хозяйству : мат. IV Междунар. науч.-практ. конф. - Барнаул, 2009. -С. 321-323.

12. Фузелла, Т.Ш. Возможности использования возобновляемых источников энергии / Т.Ш. Фузелла // Теоретические и прикладные вопросы современной географии : мат. Всерос. конф. - Томск, 2009. - С. 189 -190.

Тираж 100. Заказ № 1217. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.: 53-30-18.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Фузелла, Татьяна Шалвовна

Введение

Глава 1 Энергетический подход как метод исследования агроэкосистем

1.1 История развития энергетического анализа

1.2 Исследование агроэкосистем с помощью энергетического анализа

1.3 Понятие агроэкосистемы

1.4 Организация и системная иерархия в агроэкосистемах

Глава 2 Издержки и перспективы использования энергии

2.1 Издержки современного энергопотребления

2.2 Возможности использования возобновляемых источников энергии

2.2.1 Энергетические ресурсы Томской области. Солнечная энергия

2.2.2 Ветровая энергия

2.2.3 Малая гидроэнергетика

2.2.4 Геотермальная энергия

2.2.5 Биоэнергетические ресурсы

2.3 Проблемы интенсификации сельскохозяйственного производства на рубеже ХХ-ХХ1 вв. Энергетическая эффективность

2.4 Современное состояние сельского хозяйства Томской области

Глава 3 Анализ функционирования агроэкосистемы «Нелюбино»

3.1 Характеристика природных условий территории СГЖ «Нелюбино»

3.1.1 Рельеф

3.1.2 Гидрогеологические условия и подземные воды

3.1.3 Климат

3.1.4 Растительность и почвенный покров

3.2 Особенности организации СГЖ «Нелюбино»

3.3 Методология эколого-энергетического анализа

3.3.1 Структура энергетических потоков агроэкосистемы

3.3.2 Учет экологических факторов при построении модели

3.4 Эколого-энергетический анализ АГЭС «Нелюбино»

Глава 4 Сбалансированная модель агроэкосистемы «Нелюбино»

4.1 Построение сбалансированной модели агроэкосистемы, основанной на потоках энергии, вещества и информации

4.2 Оценка потоков агроэкосистемы «Нелюбино» при построении модели

4.3 Оптимизация функционирования агроэкосистемы

Нелюбино» при использовании энергии на биогаз

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Энергетический подход к определению эффективности и оптимизации функционирования агроэкосистем"

Актуальность темы исследования. Несмотря на усугубление экологических проблем, продолжается рост энергопотребления, в том числе в сельском хозяйстве. Около 40% пашни мира используется по интенсивному типу с большими вложениями энергии [Odum, 1996]. Весьма велика разница в урожайности, получаемой в экономически развитых странах с высокой энерговооруженностью сельского хозяйства и при экстенсивном типе хозяйствования. Причем, как подчеркивает A.A. Жученко [1988], если бы все пахотные земли мира были переведены в режим интенсивного использования с высокими антропогенными субсидиями, то человечество «проело» бы 95% добываемой энергии. Современное функционирование агроэкосистем (АГЭС) характеризуется развитием процесса роста отрицательной энтропии, деградацией окружающей среды в результате хозяйственной деятельности, снижением продуктивности сельского хозяйства. Наблюдается ежегодное истощение плодородия и эрозия почв, пригодных для сельского хозяйства, исчезновение разновидностей и разнообразия биологических организмов, что ведет к росту неустойчивости поведения систем.

Во многих районах России агроэкологическое состояние и использование земель оценивается как критическое, с развивающимися экзогенными процессами и антропогенными воздействиями негативного характера. Функционирование сельского хозяйства осуществляется в сложных природно-экономических условиях. В настоящее время признано необходимым придать земледелию новый аспект его развития -экологический и энергосберегающий. Развитие отечественного сельского хозяйства определяет продовольственное обеспечение населения России, и от этого в значительной степени зависит повышение уровня жизни населения и безопасности государства.

На современном этапе, когда природные системы без вложения дополнительных средств не в состоянии прокормить население, возникает вопрос, каким образом, при все более увеличивающемся объеме затрат, можно свести их к одному итоговому показателю. Денежные оценки природных ресурсов не всегда неадекватно отражают их реальную стоимость, поскольку в них не учитывается вклад накоплений возобновляемых источников [Поздняков, 1998]. Эффективное управление невозможно без использования энергетического анализа. Энергетический анализ является одним из способов, соединяющих в небольшом числе переменных информацию об экосистеме, поддающихся численно-аналитическому исследованию и реализующих концептуальную модель. Энергетическая оценка также помогает в осуществлении мероприятий, направленных на снижение затрат энергии.

Энергетический подход к изучению природных и производственных процессов имеет ряд существенных преимуществ и более широкие возможности по сравнению с другими методиками. Подход основывается на „необходимости учитывать объективные закономерности превращения энергии внутри системы, причём энергия выступает в качестве универсальной меры, позволяющей оценивать как ценность материальных носителей, так и эффективность производственных процессов.

Системный учёт наиболее важных закономерностей в АГЭС и их эколого-энергетический анализ позволят выявить новые пути повышения эффективности экологической устойчивости и стабильности сельхозпроизводства. При таком подходе на первый план выдвигаются мероприятия, направленные на снижение затрат энергии, а это повлечет действенное внедрение научно-технического прогресса в сфере производства. Поскольку энергетический анализ позволяет раскрывать основные тенденции развития агроэкосистем, он имеет большое практическое значение для исследования АГЭС Западно-Сибирского региона. С помощью балансового расчета агроэкосистемы можно строить модели или прогнозировать различные состояния в развитии АГЭС. Решение данной задачи имеет важное теоретическое и прикладное значение, что определяет актуальность диссертационного исследования.

Исследования, проведённые в данной работе, основаны на геоэкологической концепции целостности природы и человека и соответствуют таким направлениям как: регулирование качества состояния окружающей среды; изменение природной среды под влиянием хозяйственной деятельности человека; разработка методов, технологий ресурсосбережения, рационального природопользования; технологии оценки состояния, защиты, восстановления и управления природно-техническими системами, включая агроэкосистемы.

Степень разработанности проблемы. Проблема энергетической оценки в настоящее время представляет особый научный интерес. Впервые идея энергетической оценки была предложена С.А. Подолинским и В.И. Вернадским. Существенный вклад в разработку метода энергетического анализа агроэкосистем внесли как отечественные исследователи: Ю.М. Свирежев, Е.А. Денисенко, О.В. Фельдман, Г.А. Булаткин, A.C. Миндрин и др., так и зарубежные учёные: Н. Odum, J.C. Woodwell, R. Costanza, S.E. Jorgensen, R.A. Herendeen, S. Bastianoni и др.

Впервые концептуальные модели системы были построены в работах В.В. Леонтьева [Leontief, 1966], который предложил использовать анализ «вход-выход» для изучения поведения экономических систем. В начале 70-х годов Хеннон [Hannon, 1973] применил модели В.В. Леонтьева для анализа энергетических потоков в экосистемах. Модели экологических систем получили широкое применение при вычислении циркулирующих потоков биогенов в экологических системах. Для понимания круговорота вещества и регуляции его человеком проводится количественное изучение циркулирующих потоков и имеющихся запасов. Это прослеживается в работах Дэйма и др. [Dame and Patten, 1981; Logofet, 1997, 2002; Sverezhev, 1997; Herendeen, 2004].

Большое количество работ [Finn, 1976; Patten, 1985; Bosserman, 1989; Higashi et al., 1993a, 1993b; Han, 1997a; Woodwell, 1998, и др.] посвящено нахождению циркулирующих и нециркулирующих потоков в естественных экосистемах. Часто модели АГЭС строятся для определения влияния одного или нескольких факторов (например, климатических) на продуктивность системы или плодородие почвы. В работах Т.Г. Гильманова [1974; 1975], В.А. Бровкина [1988] предложены модели динамики органического вещества почв, в работе Е.А. Денисенко и др. [1988] построена модель агроценоза яровой культуры, которая позволяет на основе агрометеорологической информации моделировать рост и развитие реального посева.

Метод эмергетической оценки Г. Одума [Odum, 1996, 2002] дает возможность наглядно отображать и оценивать потоки энергии природных, экономических и социальных систем разного ранга.

Использование энергетического подхода для оценки функционирования АГЭС позволяет выявить и изучить структурные и функциональные зависимости между компонентами сельскохозяйственных систем, а также исследовать в динамике влияние различных энергетических источников на поведение АГЭС. В отличие от оценки природно-ресурсного потенциала [Осипов и др., 1997], который определяется суммой покомпонентных оценок и сравнивается с эталоном территории, энергетический подход обеспечивает сопоставимость оценок природных и антропогенных составляющих природно-ресурсных возможностей АГЭС.

Использование различных подходов для анализа моделей экосистем позволило значительно продвинуться в понимании их структуры и функционирования. Но чтобы прогнозировать поведение экосистемы во времени, необходима ее динамическая модель. Пример построения динамических моделей по заданной потоковой диаграмме предложен в работе H.H. Завалишина и Д.О. Логофета [1997]. За последнее время было построено множество имитационных моделей экосистем [de Ruiter, 1994; Tappeiner, 1998; Bastianoni, 1998; Costanza, 2002; Herendeen, 2004; Jorgensen, 2006; Svirezhev, 2008].

В основу методологии исследования положены идеи выдающегося американского геоэколога Г. Одума, в частности, его широко известные фундаментальные научные произведения «Энергетический базис человека и природы» [1978] и «Бухгалтерия окружающей среды» [1996]. Его идеи положили начало применению энергетического анализа функционирования геосистем в различных зарубежных странах и в нашей стране. Наибольшую методологическую значимость из них несомненно имеют исследования, проводимые Е.А. Денисенко, Г.А. Булаткиным, A.C. Миндриным и др. Е.А. Денисенко и др. в статье «Энергетическая оценка производства озимой пшеницы на территории России» [Денисенко, 2000] применили энергетический подход при оценке эффективности и использовании природных и техногенных ресурсов. A.C. Миндрин в диссертационном исследовании «Энергоэкономическая оценка сельскохозяйственной продукции» [Миндрин, 2003] рассчитал энергетические эквиваленты энергоносителей (ископаемое топливо) и используемых в АПК исходных материалов, дал энергетическую характеристику эффективности производства сельскохозяйственной продукции, а также рассчитал количество химической (органической, антропогенной) энергии, необходимой на восстановление природных объектов (на примере почвенного плодородия). В своей монографии «Эколого-энергетические основы оптимизации продуктивности агроэкосистем» Г.А. Булаткин [Булаткин, 2008], на основе эколого-энергетической оценки выявил пути решения проблемы восстановления плодородия почв и повышения продуктивности агроэкосистем, приближающиеся к оптимальным, которые приведут к экономии энергетических ресурсов. Постановка задач исследования, в соответствии с разрабатываемой в лаборатории самоорганизации геосистем ИМКЭС СО РАН методологией энергетического анализа функционирования геосистем, предполагает рассматривать их как операционально замкнутые структуры, в которых учитываются затраты энергии в сравнении с получаемыми на выходе [Поздняков, Шуркина, 2008]. Таким образом, исследования как зарубежных, так и Российских ученых внесли существенный вклад в развитие теории энергетического анализа в функционировании геосистем. В настоящее время концепция энергетического анализа переходит в стадию поиска путей практической реализации ее основных принципов.

Одним из методов реализации этой методологии выступает эколого-энергетический анализ функционирования АГЭС на уровне хозяйства. Данный уровень позволяет совмещать и достаточное обобщение характеристик природопользования на локальном уровне, и их детальность. В постановке задачи диссертационного исследования предусматривалось показать на конкретном примере, с какой энергетической эффективностью могла бы работать агроэкосистема, если бы она использовала не только традиционные источники энергии, но и энергию, накапливаемую в процессе производства в отходах.

Балансовая модель, предлагаемая нами, основана на потоках вещества, энергии и информации. Модель позволяет количественно описать процесс функционирования агроэкосистемы, вычислить оптимальный уровень затрат при производстве продукции. С помощью данной балансовой модели можно оптимально управлять производством и при этом сохранять ресурсы, выявлять пути снижения затрат энергии, удобрений и пр. на единицу производимой продукции и повышения экологической устойчивости сельхозпроизводства.

Итогом анализа энергетической эффективности функционирования любой природно-технической системы вообще, и агроэкосистемы в частности, является оценка потоков энергии в физических величинах, что позволит более адекватно переводить их в какие-либо экономические.

Цель исследования - оценка эффективности функционирования и оптимизация использования ресурсов в агроэкосистеме на основе балансового подхода с учетом местных природных условий и ресурсов на примере действующего хозяйства. Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:

• определить основные источники энергии в функционировании агроэкосистем;

• определить и оценить энергетическую эффективность функционирования агроэкосистемы при различной энергетической нагрузке;

• разработать и описать алгоритм сбалансированной модели АГЭС, основанной на потоках вещества, энергии и информации, на примере конкретного объекта исследования;

• выявить и показать возможности энергетического анализа для оптимизации потоков вещества и энергии в АГЭС.

Объект исследования. В качестве объекта исследования выступает сельскохозяйственный производственный комплекс (СПК) «Нелюбино» с точки зрения его энергетической эффективности функционирования. Фактический материал и методы исследования.

В основу диссертационной работы положены результаты исследований, проводившихся по плановой тематике Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН: Проект № 24.1.7 «Закономерности и особенности самоорганизации геосистем и социально-экономических систем в процессе их взаимодействия» (2004-2006 гг.); по программе фундаментальных исследований СО РАН, проект 7.10.1.3 «Исследование современных экосистемных изменений в Сибири и связанных с ними рисков природопользования» (2007-2009 гг.).

Материалом для исследования являлись научно-техническая документация и документы бухгалтерского учёта хозяйства, статистические материалы, справочные и картографические материалы. В работе использовались математические методы для эколого-энергетического анализа. Произведена количественная оценка (в Дж) природных, антропогенных и техногенных потоков энергии объекта исследования.

В качестве основных методов исследования использовались аналитический, сравнительный, географический и математический.

Полученный статистический и фактический материал обработан с применением компьютерных программ (Microsoft Excel, Statistica 6.0 и др.), построены графики и схемы.

Основные результаты исследования:

• На основе энергетической оценки агроэкосистемы для хозяйства Томской области СПК «Нелюбино» показано, что основным источником энергии в функционировании агроэкосистем и в производстве продукции является природная рента, создаваемая солнечной энергией и ее производными: энергией атмосферных осадков и потенциальной энергией, запасенной в почвах.

• На основе теоретического обобщения собственных и полученных другими исследователями данных разработан алгоритм балансовой модели АГЭС на основе потоков вещества, энергии и информации, а на базе полученного алгоритма создана программа «Agronom 1.0», с учётом природных условий Томской области. Применение программы в целях расчета энергетических затрат позволяет рассчитать большое количество вариантов функционирования и выбрать наиболее оптимальный, что важно в научном и практическом плане.

• При рассмотрении структуры АГЭС «Нелюбино» с учётом информационных обратных связей от основных элементов системы, позволяющих замкнуть структуру функциональных отношений, выявлено, какую выгоду можно получить при замыкании системы -приращение энергии в данной агроэкосистеме.

• Произведен расчет баланса агроэкосистемы с помощью построения сбалансированной модели АГЭС, с использованием побочного продукта для производства биогаза и высококонцентрированного удобрения.

• Существенный резерв повышения эффективности АГЭС представляет использование энергии биогаза, которая в настоящее время практически не используется. Оптимизация АГЭС приводит к экономии энергозатрат и самообеспечению системы энергией на 1/3 за счёт использования вторичного и третичного продукта производства.

Иа основе полученных результатов можно сделать вывод, что хозяйство в большинстве случаев способно к самообеспечению энергетическими ресурсами на 1/3 часть. Ограниченность энергетических ресурсов становится на современном этапе одним из факторов, вынуждающих к экономичному развитию сельского хозяйства.

Научная новизна: разработана новая модель оптимизации функционирования сбалансированной агроэкосистемы на примере СПК «Нелюбино», основанная на потоках вещества, энергии и информации, которая может быть использована как модель для проведения количественного и качественного анализа различных АГЭС. Автором разработана [соавтор E.H. Тимошок] программа «Agronom 1.0», адаптированная под природные условия Томской области, которая позволяет ускорить анализ, рассчитать большое количество вариантов функционирования и выбрать наиболее оптимальный.

Основные положения, выносимые на защиту.

2. Аграрно-экологическая геосистема функционирует на основе вещественно-энергетических и информационных обратных связей между основными элементами, что позволяет ее рассматривать как замкнутую структуру функциональных отношений между выходными потоками энергии и входными характеристиками.

3. Потенциальные возможности повышения экологоэнергетической эффективности функционирования АГЭС связаны с уменьшением потребностей в энергии за счет использования отходов для производства биогаза и органических удобрений.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Работа представляется значимой как в теоретическом, так и практическом отношении. Энергетическая концепция может существенно дополнить классический анализ современных экологических проблем.

Результаты исследования могут быть использованы для планирования рационального природопользования в агропромышленном комплексе, а также в образовательном процессе в вузах, специализирующихся в подготовке кадров по специальностям геоэкология, экология, агроэкология и др. В модель заложены значительные возможности развития и адаптации, в силу чего она легко может быть использована для любого региона и выполнения более широкого спектра задач.

- Проект № 24.1.7 «Закономерности и особенности самоорганизации геосистем и социально-экономических систем в процессе их взаимодействия»;

- Проект № 63.1.3 «Трансформация энергетических характеристик геосистем в условиях глобальных климатических изменений».

Работа обсуждалась на заседаниях лаборатории самоорганизации геосистем и на заседании научного семинара ИМКЭС СО РАН. По теме диссертации опубликовано 12 работ, две из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, а другие - в материалах российских и зарубежных конференций. Основные результаты работы докладывались на международных, Всероссийских и региональных научно-практических конференциях и семинарах, таких как: Российско-Французском Форуме

Актуальные проблемы экологии и природопользования Сибири в глобальном контексте» [Томск, 2006], Всеросийском научном семинаре «Самоорганизация социальных систем» [Новосибирск, 2006], Съезде экологов нефтяных регионов [Ханты-Мансийск, 2007], Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: Экология, надёжность, безопасность» [Томск, 2008, 2009], Международной научно-практической конференции «Аграрная наука сельскому хозяйству» [Барнаул, 2009], Всероссийской научной конференции «Теоретические и прикладные вопросы современной географии» [Томск, 2009].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 140 наименований и приложения. Работа изложена на 163 страницах, включая 25 рисунков и 21 таблицу.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Фузелла, Татьяна Шалвовна

Выводы

1. За последние 20 лет в сельскохозяйственном производственном комплексе «Нелюбино» наблюдается снижение по большинству показателей: количество занятого в работах населения сократилось в 2,5 раза; обеспеченность техникой снизилась на 40 процентов; посевная площадь уменьшилась почти в 2 раза, что повлекло за собой снижение объёма производимой продукции. Вероятно, аналогичная ситуация складывалась и в других хозяйствах Томской области: износ материально-технической базы, миграция населения из села в город, уменьшение площади посевов, деградация сельскохозяйственных земель. На наш взгляд агроэкосистему «Нелюбино» можно рассматривать как тестовое (модельное) хозяйство и на его примере отрабатывать методику структурных изменений всего сельскохозяйственного сектора области. Результаты исследований свидетельствуют о том, что сельское хозяйство Томской области является принципиально дотационным и требует постоянной поддержки со стороны государства, так как находится в сложных природно-климатических условиях.

2. Выявлено, что основным источником энергии в функционировании агроэкосистем и в производстве продукции является природная рента, создаваемая солнечной энергией и ее производными: энергией атмосферных осадков и потенциальной энергией, запасенной в почвах. Природная рента агроэкосистемы «Нелюбино» в энергетических единицах составляла ПР = Е3 + Епочв + Еос =30,01 -1016 Дж/год.

3. Затраты техногенной энергии в целом составляли в 1991 г,-152,3-Ю12 Дж, в 1999 г. - 114,3-Ю12 Дж, в 2004 г. - 93,3-Ю12 Дж. Общее количество продукции на выходе системы в целом составляло: в 199.1 г. — 115,4Т012 Дж, в 1999 г. - 97,9-Ю12 Дж и в 2004 г. - 70,5-Ю12 Дж; энергетическая эффективность г всей системы (без учёта природной ренты) в целом в 1991 г. равнялась 0,76, в 1999 г. - 0,86, в 2004 г. - 0,75. Непосредственные трудовые (энергетические) затраты человека (работников

СПК «Нелюбино») хотя и очень малы и составили в среднем 0,Г1012 Дж (в качестве эквивалента взяты энергозатраты на нормальный метаболический процесс - 0,7 МДж/час), тем не менее они играют определяющую роль -обусловливают синергетическое объединение и взаимодействие потоков энергии, вещества и информации.

4. Показано, что энергетическая эффективность функционирования агроэкосистемы с учетом природной энергии снижается в несколько сот раз. Вклад природной энергии зависит от климатических условий, соответственно изменяется соотношение между вложениями техногенной и природной составляющей. Техногенные затраты энергии выступают лишь в роли своего рода усилителя, повышающего естественный коэффициент полезного действия фотосинтеза и продуктивности животных и микроорганизмов. Энергетическая эффективность природных систем превышает вклад человека во всех формах его энергетических затрат.

5. Потоком энергии, вещества и информации из среды, на который не требуется затрат энергии, являются природные ресурсы, а они есть не что иное, как совокупность самоорганизующихся систем и продуктов их жизнедеятельности, образовавшихся на базовых источниках энергии, вещества и информации эндогенного и космогенного происхождения (Поздняков, 1998; 2002). В течение исследуемого периода в развитии агроэкосистемы «Нелюбино» изменялись преимущественно социально-экономические характеристики, а не их структура.

6. Только часть производимой в агроэкосистеме биомассы составляет сельскохозяйственная продукция, остальное - побочный продукт и отходы, которые в настоящее время практически не используются. Можно предположить, что информация о величине потоков энергии на выходе из системы, а также сведения о потоках энергии, выделяемых в побочном продукте, никак не влияют на дальнейшее функционирование агроэкосистемы. Это указывает на незамкнутость структуры функциональных отношений и необходимость полнее использовать внутренние потоки энергии. С нашей точки зрения, решение проблемы должно основываться на рассмотрении динамики агроэкосистемы как единой саморазвивающейся и операционально замкнутой структуры.

ГЛАВА 4 СБАЛАНСИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ АГРОЭКОСИСТЕМЫ

4.1 Построение сбалансированной модели агроэкосистемы, основанной на потоках энергии, вещества и информации

Альтернативным источником энергии для АГЭС являются различные виды вещества, энергии и информации, производимые ими самими.

Изложенные в 3 главе результаты исследования наглядно продемонстрировали, что в исследуемом хозяйстве проблемы использования биоресурсов для повышения энергетической эффективности сельскохозяйственного производства стоят сейчас наиболее остро. Ограниченность энергетических ресурсов становится на современном этапе одним из факторов, вынуждающих к экономичному развитию сельского хозяйства. Значительно увеличить эффективность функционирования системы можно за счет использования возобновляемого потока побочной биомассы.

Использование отходов производства очень важно не только для возврата энергии и утилизации отходов, но также для предотвращения загрязнения окружающей среды. В 2000 году группой японских учёных был осуществлен анализ энергетического потенциала ряда провинций (Рцдпо, 2005). В результате чего были получены интересные данные. Биоэнергетический потенциал отходов животноводства в Японии в 2000 г. составил 167-1015 Дж/год, что соответствует 0,7% всех запасов первичной энергии. Производство биогаза при сбраживании с выделением метана и отходы при сжигании домашней птицы на электростанции могут производить 4,1 ТВт электричества и 46,0-1015 Дж тепла.

В конечном счёте использование энергетической меры в определении эффективности функционирования агроэкосистем открывает возможности рационального использования ресурсов, и не только природных, но и производимых отходов производства, использование которых существенно повышает экономическую эффективность хозяйственной деятельности.

Производимая внутри АГЭС энергия может использоваться для самообеспечения энергетическими ресурсами, а к стабильной продуктивности экосистемы может привести экономия и рациональное использование материальных ресурсов. Оптимизация функционирования АГЭС на основе предлагаемой модели состоит в снижении потребности во внешних источниках электроэнергии, топливе и удобрениях. Разработанную модель можно использовать не только для оптимизации работы системы, но и для оценки эффективности фактического состояния АГЭС. В основу была положена модель агросистемы В.А. Бровкина [1988]. Основные отличия нашей модели заключаются в том, что изменение параметров любой части модели влечёт за собой изменение параметров, связанных с ней элементов, и энергии на выходе; используемые коэффициенты адаптированы под местные природные условия; отличие также состоит во введении элемента переработки побочных продуктов и получения дополнительного количества энергии внутри системы.

Все балансовые отношения сведены в три уравнения, что облегчает выделение и оценку обратных связей в АГЭС. Ввиду развития объектно-ориентированного программирования в основу модели была положена не система матриц и векторов, характерная для классического линейного программирования, а система объектов с определенными свойствами и функциями. Вид растений, используемых в растениеводстве, имел следующие функции: описывающие его продуктивность; взаимодействие с почвой и другими системами; урожайность; потребность в питательных веществах; энергетическую ценность первичной и вторичной продукции; потребность в энергии топлива, электроэнергии и т.п., использованных на выращивание данного растения и поддержку. В работе представлен анализ потоков энергии в АГЭС, включающий построение схемы структуры

- Прямая связь

---- Обратная связь

- I - Поток информации

Рисунок 24 Схема структуры функциональных отношений в АГЭС функциональных отношений, а на основе полученного алгоритма создана программа Agronoml.O, реализованная в Turbo Delphi 2006 Explorer for

Windows (соавторы E.H. Тимошок, A.B. Хон). Общий вид модели может быть формализован как блок-схема (рис.24).

Блок-схема построения модели АГЭС представляет собой сеть с различными потоками, законы функционирования которой определяются потоком информации.

Именно потоки информации, касающиеся внутренних и внешних связей, определяющих и контролирующих потоки вещества и энергии, являются в наибольшей степени управляемыми человеком.

В качестве критерия оптимизации выбрана минимизация затрат, выраженных в энергетических единицах (в Дж). Выделяем следующие потоки в АГЭС: внешние входы в систему; продукция; потоки информации (в виде прямых и обратных связей); распределители потоков, где осуществляется управление ими в соответствии с целями, оптимизирующими функционирование всей системы в целом. Поток энергии на входе равен сумме потребностей в энергии для производства в растениеводстве и в животноводстве. В силу наличия однозначной взаимосвязи вещества и энергии для описания потоков (так же составляющего информацию о потоке) использовались либо вещество, либо энергия. К примеру, определенную массу вещества можно выразить содержанием энергии и в виде информации о том, что данный продукт является концентрированным кормом и поступает от некоторой системы А в некоторую систему В и т. д. В пределах данной модели расходы на топливо и электричество представлены как чисто энергетический поток.

Краткий алгоритм расчета потоков энергии в АГЭС:

1) вычисляются потребности различных отраслей исследуемого хозяйства, которые в большей степени зависят от запланированного выхода продукции;

2) вычисляется фактический баланс источников энергии;

3) все балансы сводятся в одно уравнение, в левой части которого все потребности, а в правой - все энергетические потоки. Это уравнение разрешается относительно суммы величин энергии и вещества (выраженных также в энергетических единицах), поступающих из внешних источников. Энергия, поступающая в АГЭС из среды, представляет собой не только энергию топлива, но и удобрения с кормами. Поэтому значение целевой функции, отражающей сумму потребленной внешней энергии, будет больше либо равным величине закупаемой энергии.

В основу данной модели положено представление о том, что блоки АГЭС (растениеводство, животноводство, вспомогательный блок поддерживающая и контролирующая активность человека) связаны между собой, а так же с внешней средой, потоками энергии, вещества и информации. Неотъемлемой системой является блок управления и поддержки. Мы можем создавать модель скотоводческого хозяйства - она формируется в том случае, если мы исключим из модели блок растениеводства. Модель растениеводческого хозяйства формируется в том случае, если мы исключим блок животноводства. Исключение обоих блоков позволяет перейти к модели меххозяйства, обслуживающего внешние хозяйства любого профиля. Таким образом, предлагаемая модель оптимальна для функционирования, так как позволяет варьировать различными блоками.

Возможные варианты использования биомассы растениеводства и животноводства осуществляются в блоке управления в соответствии с целями, оптимизирующими функционирование всей системы в целом. При построении потоковой модели агроэкосистемы основное внимание было уделено решению задачи в оптимизационной форме: найти вариант распределения внутренних потоков, который минимизирует потребность системы во внешних источниках энергии, при фиксированном количестве продукции на выходе из системы.

Для оптимизации необходимо ввести параметр, интегрально отражающий поток энергии на входе в систему. Такой параметр должен быть выражен как функция от заданных потребностей и соотношения между внутренними потоками энергии. Эта функция будет являться целевой функцией системы.

Коэффициенты, дифференцированные для различных видов продукции и адаптированные под местные природные условия, представлены в приложении 1 (см.табл. 1-8 в прил. 1).

Основные параметры модели. Переменные модели для растениеводства -это площади под часть пшеницы, технические культуры и прочие виды продукции, предназначенные для внешнего потребления. На основании ранее определённого количества продукции животноводства однозначно определяется количество корма (в кормовых единицах), необходимого для ведения животноводства.

К управляющим параметрам модели, определяющимся на этапе оптимизации, относятся следующие переменные: 5,. - площадь, отводимая под г'-ю культуру;

Я}- площадь, отводимая под производство /-й культуры для внешнего потребления;

5 - общее количество обрабатываемых площадей;

В/1 - побочный продукт 1-й культуры, используемый для производства биогаза;

В2— побочный продукт 1-я культуры, используемый в качестве удобрения; В31 - побочный продукт /-й культуры, используемый в качестве корма; Вц - побочный продукт у'-й отрасли животноводства, используемый для производства биогаза; побочный продукт у-й отрасли животноводства, используемый в качестве удобрения;

Рь РП) Ре - потребности системы соответственно в удобрениях, кормах и энергии;

Ут. К, Уе ~ закупаемые извне удобрения, корма и энергия.

Балансовые соотношения, принятые в модели представлены ниже. Вычисление потребностей по [Бровкин, 1988]: в удобрениях Рк = ^ Л ' ' > (13) где /к— потребность /'-ой культуры в питательных веществах А:-го вида (табл. 6 прил. 1); и,- средняя урожайность для /-го типа продукции растениеводства; где Н — потребность у'-го типа продукции животноводства в кормах пго вида на т продукции (табл. 3 прил. 1); Yj - запланированный выход продукции животноводства; в кормах Рп-^К/Уг

14) в энергии Ре = £ г, ■ и, - Б, + £ Г,. ■ '

15) где г — затраты энергии на производство /'-ой культуры (табл.1 прил. 1); г, - затраты энергии в у-ой отрасли животноводства (табл. 3 прил. 1); Балансы по [Бровкин, 1988]: по удобрениям Рк = Vm -rj^+Y, В2, • qki + J] B2j ' 4kj, (16) i J где r/km- коэффициент использования питательных веществ из удобрений от-го типа (табл. 5 прил. 1); qh — содержание питательных веществ в побочном продукте /-ой культуры (табл. 4 прил. 1); qkj- содержание питательных веществ в побочном продукте j-ой отрасли животноводства (табл. 4 прил. 1); по кормам ans + - + HB3i • К-, (17) i i где am - содержание кормовых компонентов в закупаемых удобрениях; где ат - содержание кормовых компонентов в растительных продуктах (табл. 7 прил. 1); а)у -содержание кормовых компонентов в побочном продукте /-ой культуры (табл. 7 прил. 1); по энергии ре = К + 2 Ви ' ei + S Вч ' eJ , (18) j где е - энергия, получаемая при производстве биогаза из побочного продукта z'-ой культуры (табл. 2 прил. 1);

Cj - энергия, получаемая при производстве биогаза из побочного продукта j-ой отрасли животноводства (табл. 2 прил. 1);

Ограничения: по площадям - $ ; (19) i по удовлетворению запланированных потребностей:

Bu+B2l+B3i<wrurSi, (20) где w - отношение побочного продукта к основному для i-rо типа продукции растениеводства (табл. 1 прил. 1);

Blj+Bll<^,-Yj, (21) tjxqWj— отношение побочного продукта к основному для j-го типа продукции животноводства (табл. 3 прил. 1);

ВзГа1<м-Рп, (22) где ju - доля грубых кормов;

Общий вид целевой функции по [Бровкин, 1988]: z = (с,х) -» min, (23) где z - значение целевой функции соответствующее конкретным значениям переменных, характеризующих состояние системы (именно эта величина и подлежит минимизации), с - вектор коэффициентов целевой функции, х - вектор основных переменных модели, был сохранен, однако в нашей модели мы полагаем, что она описывает не общую рентабельность агроэкосистемы, а исключительно ее экономичность в энергетическом аспекте.

Целевая функция в данной работе представляет собой энергетическую «стоимость» потребляемых внешних ресурсов: п z = Tjc'V> ->min> (24) i где Vi - потоки потребляемых ресурсов {Vm, Vs, Ve),

Ci - энергетическая стоимость потоков удобрений, кормов и энергии приведены в табл. 1, 3 и 8 в прил.1).

Расчет энергетического баланса АГЭС был сделан на основе программы «Agronom 1.0», интерфейс которой представлен в прил. 2.

4.2 Оценка потоков агроэкосистемы СПК «Нелюбино» при построении балансовой модели

Набор данных, реализованных в программной версии модели, описывает урожайность и энергетическую ценность кормов, выращиваемых в Томской области, потребности скота наиболее распространенных в ней пород, а также уточненные данные, связанные с производством биогаза из различных побочных продуктов.

К важнейшей характеристике кормов относится, прежде всего, энергетическая ценность корма - содержание в нем кормовых единиц (КЕ). Усредненные значения этого показателя для различных видов кормов, используемых в модели, приведены в табл. 7 в прил. 1. Мы используем овсяную кормовую единицу (КЕ) - это питательность 1 кг сухого (стандартного) овса, эквивалентная продукции 150 г жира (или 1414 ккал энергии), отложенного в теле взрослого вола при скармливании овса. Кормовая единица - это показатель общей (энергетической) питательности органического вещества корма. На основе КЕ рассчитывают кормовые нормы и составляют рационы для сельскохозяйственных животных. Овсяная кормовая единица составляет 5893,5 -106 Дж чистой энергии.

Корма являются основным фактором ведения животноводства, непосредственно влияющим на его продуктивность. В модели допускается как производство кормов внутри системы (за счет основного и побочного продуктов растениеводства), так и закупка кормов извне (импорт). Доля побочного продукта растениеводства в кормах (соломы, ботвы и тому подобное) заранее ограничивается из-за их низкой усвояемости.

При учете потребности животноводства в кормах последние подразделяются в модели на 2 группы: концентраты и грубые корма.

За солому принимается смесь собственно соломы и силосных остатков. Принимаем плотность измельченной воздушно-сухой массы за 15%. Нами принят выход биогаза при использовании современного оборудования, л <5 который равен 0,2 м /кг или 200 м /т. Выход энергии на тонну растительных отходов равен 5 -109 Дж /т.

В хозяйстве «Нелюбино» экономически целесообразны при кормлении крупного рогатого скота полуконцентратные рационы, содержащие оптимальное количество грубых, сочных и концентрированных кормов, и обеспечивающие равномерную нагрузку на желудочно-кишечный тракт.

Побочный продукт, а также отходы сельскохозяйственного производства могут использоваться для удовлетворения различных потребностей АГЭС, а точнее в трёх направлениях: в качестве корма; в качестве органического удобрения; в качестве сырья для производства биогаза.

За среднего забиваемого мясного бычка принимаем 18-ти месячного бычка среднего веса (360 кг) с приростом 800-900 гр/день, убойным выходом 60% и мясистостью туши 80%. Принимая выход за 170 кг мяса на голову и срок откорма (18 месяцев) как полный, приходим к расходам в 3195 КЕ/голову. Для получения тонны необходимо 5,9 голов или 18850 КЕ/т мяса (без учёта корма стельной коровы), а с учётом - 19.900 КЕ/т мяса. Выход навоза с молодняка — примерно 4 тонны за год с головы, т.о. выход с дойной коровы за 100 суток примерно 3,5-5,1 тонны, т.е. соотношение мясо к побочному продукту 1:3,5 - 1:5,1. Солома содержит 0,251 м/кг сухого вещества, энергия сгорания которой составляет 25ТО6 Дж на м3 биогаза.

4.3 Оптимизация функционирования агроэкосистемы СПК «Нелюбино» при использовании энергии на биогаз

Проверка работы модели осуществлена на основе ретроспективного анализа, применительно к тому, как бы функционировала АГЭС «Нелюбино» в 1991, 1999 и 2004 годах, если бы использовались отходы производства: вторичная продукция на биогаз, а продукт, оставшийся от переработки биогаза, - на удобрение. Оптимизация проводилась соответственно в два этапа:

1) оптимизация функционирования АГЭС «Нелюбино» с учётом использования вторичного продукта производства (Еп=Еб/г сол +Еб/гнав);

2) оптимизация функционирования АГЭС «Нелюбино» с учётом использования вторичного продукта (Ец =Еб/г сол +Еб/г нав) и третичного продукта (Еш =Есол-тсол +Енав-тнав) производства.

Минимизация целевой функции требует максимального производства концентратов на местах, максимального использования навоза в качестве удобрений и биогаза из соломы с целью обеспечения заданного уровня сельскохозяйственного производства.

В рамках постановки задачи одним из главных является максимальное производство концентратов на месте, тогда целевая функция принимает сразу низкие значения. Нехватка растительных продуктов при этом компенсируется за счет импорта, что существенно снижает экономичность всей системы в целом.

Заключение

В результате выполнения диссертационного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Ограниченность энергетических ресурсов становится одним из факторов, определяющих темпы экономического роста. Использование технической энергии во всех сферах производства за последние 100 лет увеличилось в 14-15 раз. Исторический опыт показывает, что увеличение энергопотребления является индикатором нарастания конфликта между человечеством и биосферой. В условиях недостаточности и заметного удорожания основных видов энергоресурсов проблема экономии энергии в сельскохозяйственном производстве - одна из важнейших. Она должна решаться с учетом максимального использования возможностей агроэкосистем по частичному самообеспечению энергией, а также некоторыми другими компонентами, воспроизводимыми в собственном биологическом цикле.

2. Итогом научного анализа энергетической эффективности функционирования любой техноэкосистемы вообще и агроэкосистемы в частности должна быть оценка потоков энергии в физических величинах, что позволит более адекватно переводить их в какие-либо экономические. Исследование структуры энергетических потоков позволяет количественно описать процесс функционирования агроэкосистемы.

3. Агроэкосистема характеризуется экологической ёмкостью, то есть определенным количеством ресурсов, которые образуются в ней в течение определённого периода, и пределом количества производимой продукции, по достижении которого дальнейший рост производительности невозможен. Существование и функционирование АГЭС происходит благодаря деятельности человека.

4. Агроэкосистема представляет собой неравновесную искусственно поддерживаемую потоками энергии, вещества и информации совокупность растений, животных и почвенного покрова для получения конкретных видов питательных ресурсов, необходимых для развития человека (общества). Эта совокупность не может относиться к категории биоценоза, т.к. она неустойчива, а связи между элементами искусственно поддерживаются человеком. Саморегуляция АГЭС осуществляется при непосредственном участии человека, он выполняет функции задающего воздействия, заданного состояния и определяет пути достижения цели.

5. Потенциал природных возобновляемых энергетических ресурсов

Томской области, и территории СПК «Нелюбино» в частности, позволяет решить многие энергетические проблемы региона, в том числе и проблемы ресурсосбережения в сельском хозяйстве. Целесообразно использование возобновляемых источников энергии в децентрализованных системах электроснабжения, с применением энергоустановок средней и малой мощности.

6. При правильном использовании ресурсов система может дать резкое повышение экономичности использования энергии. Исследуемое хозяйство имеет значительные возможности по производству биогаза из побочного продукта, а также использования продукта производства биогаза в качестве высококонцентрированного удобрения.

Апробация разработанной нами модели на конкретном примере СПК «Нелюбино» показала следующие результаты:

152,3-1012 Дж, в 1999 г. - 114,3-1012 Дж, в 2004 г. - 93,3-Ю12 Дж.

Непосредственные трудовые затраты работников СПК «Нелюбино»

12 составили в среднем 0,1'10 Дж. Природная рента агроэкосистемы в энергетических единицах в целом составила ПР — 30,01-Ю16 Дж/год.

2. Нами разработан алгоритм балансовой модели АГЭС на основе потоков вещества, энергии и информации, а на базе полученного алгоритма создана программа «Agronom 1.0», адаптированная под природные условия Томской области. Применение программы для расчета энергетических затрат позволяет ускорить анализ и рассчитать большое количество вариантов функционирования, что важно в научном и практическом плане. В модель заложены значительные возможности развития и адаптации, в силу чего она легко может быть использована для любого региона и выполнения более широкого спектра задач.

3. АГЭС, представляя собой замкнутую структуру функциональных отношений, действует на основе вещественно-энергетических и информационных обратных связей между основными элементами. Энергетический анализ замкнутой структуры показал, что энергетическая эффективность АГЭС может увеличиться в среднем на 13% за счёт уменьшения потребности во внешней энергии и перераспределения её внутри системы. Выявлено что, при использовании энергии побочной продукции, (за счёт производства биогаза и использования продукта производства биогаза в качестве удобрения) АГЭС «Нелюбино» могла бы обеспечить себя энергетическими ресурсами на 1/3 от суммарных энергетических затрат.

4. Результаты проведенных исследований также показали, что из применявшихся ранее (1991-2004 гг.) схем функционирования АГЭС, более выгодной и экономически оптимальной является действовавшая в 2004 году схема, когда по структуре посевных площадей, по объёму производства она оказалась наиболее сбалансированной. Достаточно компактное по размерам хозяйство СПК «Нелюбино» способно обеспечить себя энергией на 36%.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Фузелла, Татьяна Шалвовна, Томск

1. Акимова, Т.А. Экология. Природа-Человек-Техника: уч. для вузов / Т.А. Акимова, А.П. Кузьмин, В.В. Хаскин. М. : Ю-ДАНА, 2001. - 343 с.

2. Акимова, Т.А. Экономика природы и человека / Т.А. Акимова, В.В. Хаскин. М. : Экономика, 2006. - 334 с.

3. Алексеев, В.В. Перспективы развития альтернативной энергетики и её воздействие на окружающую среду / В.В. Алексеев, H.A. Рустамов, К.В. Чекарев, Л.А. Ковешников. М. : Кацивели, 1999. - 152 с.

4. Андрющенко, С.А. Взаимодействие экономических и экологических процессов в региональных агросистемах / С.А. Андрющенко // Региональные агросистемы: Экономика и социология. Саратов, 1994. — С. 68 - 72.

5. Антипова, Т.И. Экологические принципы агромелиорации / Т.Н. Антипова, Н.И. Решеткина // Вест. РАСХН. № 3. - 1995. - С. 35-38.

6. Арманд, А.Д. Самоорганизация сельского хозяйства чернозёмной зоны (субъективная оценка) / А.Д. Арманд, О.В. Кайданова, В.А. Караваев // Сер. географ. № 2. - 2003. - С.23-28.

7. Артюшин, A.M. Краткий справочник по удобрениям / A.M. Артюшин, Л.М. Державин. М. : Колос. - 1984. - 208 с.

8. Бакин, H.H. Результаты климатических испытаний солнечной батареи в натурных условиях г. Томска / H.H. Бакин, В.К. Ковалевский, А.П. Плотников и др. // Оптика атмосферы и океана. 1998. - Т. 11. - № 12. -С. 1337-1340.

9. Бибиков, С.Н. Некоторые аспекты палеоэкономического моделирования/ С.Н. Бибиков// Сов. археол. 1969. - № 4. - С. 13-17.

10. Бойден, С. Западная цивилизация с биологической точки зрения:

11. Очерки по биоистории / С. Бойден // Диалектика социального и природного в развитии человека и его отношениях с миром. -М., 1990. Вып. 1. - С. 521.

12. Бровкин, В. А. Математические модели для эколого-энергетического анализа функционирования агросистем: дис. . канд. биол. наук / В. А. Бровкин; Ин. геогр. АН РФ. М., 1988. - 155 с.

13. Бровкин, В.А. Оценка функционирования агросистем: эколого энергетический анализ / В.А. Бровкин, Е.А. Денисенко, М.А. Семёнов // Изв. Ак. Наук. Сер.геогр. № 1. - 1991. - С.47-53.

14. Брылев, A.M. Энергоёмкость сельскохозяйственного производства / A.M. Брылев, В.В. Рецев // Экономика сельского хозяйства. 1986. - №6. — С. 36-42.

15. Будыко, М.И. Глобальная экология / М.И. Будыко. М. : Мысль, 1977—327 с.

16. Булаткин, Г.А. Энергетическая эффективность применения удобрений в агроценозах. Методические рекомендации / Г.А. Булаткин. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР. - 1983.-46 с.

17. Булаткин, Г.А. Эколого-энергетические аспекты продуктивности агроценозов / Г.А. Булаткин. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР. - 1986. -210 с.

18. Булаткин, Г.А. Вырастить и сжечь? Биотопливо вряд ли решит все проблемы энергетики / Г.А. Булаткин // Поиск . №35. - 2007. - С. 6.

19. Булаткин, Г.А. Эколого-энергетические основы оптимизации продуктивности агроэкосистем / Г.А. Булаткин. М. : ИФПБ РАН . - 2008. - 366 с.

20. Безруких, П.П. Горизонты возобновляемой энергетики / П.П. Безруких, Д.А. Бушуев, В.Н. Пузаков. // Энергетическая политика. 2006. - № 6. - с. 24-33.

21. Безруких, П.П. Проблемы повышения энергоэффективности Российской экономики / П.П. Безруких, В.А. Малахов // Энергоаудит. № 3.- 2007. С. 46-48.

22. Васьков, И.А. Энергетическая эффективность технологий производства яровой пшеницы / И.А. Васьков, A.B. Яковенко, Г.И. Романов // Земледелие.- № 6. 1986. - с.50-52.

23. Вернадский, В.И. Биосфера. М.: Мысль, 1967. — 376 с. Вернадский, В.И. О задачах и организации прикладной научной работы Академии наук СССР / В.И. Вернадский // Начало и вечность жизни. - М.: Сов. Россия, 1989. - С. 363-364.

24. Возобновляемая энергия. М. : Изд-во Интерсоларцентр. 1998. - № 4. Володин, В. М. Агроэкологичёские принципы систем земледелия / В. М. Володин, Р. Ф. Еремина. - М.: Колос, 1993. - С. 28-40

25. Володин, В.М. Методика ресурсно-экологической оценки Эффективности земледелия на биоэнергетической основе / В.М. Володин, Р.Ф. Еремина, А.Е. Федорченко, А.А.Ермакова. Курск: ЮМЭКС, 1999. -48 с.

26. Володин, В.М. Экологические основы оценки и использования плодородия почв. М. : 2000. - 334 с.

27. География в таблицах: Справ, пос. М. : Дрофа, 1997. - 92 с. География Томской области / под ред. A.A. Земцова. - Томск : Изд -во ТГУ, 1988.- 243 с.

28. Гильманов, Т.Г. Линейная модель многолетней динамики почвенного органического вещества / Т.Г. Гильманов // Вестник МГУ, биол. Почв. № 6.- 1974.-С. 69-73.

29. Гильманов, Т.Г. Математическая модель процесса накопления гумуса в степных почвах / Т.Г. Гильманов // Бюл. почв, ин-та им. В.В.Докучаева. -№ 10.- 1975.-С. 78-84.

30. Глобальная экологическая перспектива-3 (ГЕО -3). М.: ЮНЕП, 2002. -504 с.

31. Горшков, В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни / В.Г. Горшков. М.: ВИНИТИ, 1995. - 470 с.

32. Демек, Я. Теория систем и изучение ландшафта / Я. Демек. М.: Прогресс. - 1977.- 183 С.

33. Денисенко, Е.А. Модель агроценоза яровой культуры / Е.А. Денисенко, С.П. Поленок, М.А Семёнов. М.: ВЦ АН СССР. - 1988. - 27с.

34. Денисенко, Е.А. Механизмы функционирования и структурной организации агросистем: дис. . канд. биол. наук / Е.А. Денисенко ; Ин. геогр. АН РФ. М., 1990.- 160 с.

35. Денисенко, Е.А. Энергетическая оценка производства озимой пшеницы на территории России / Е.А. Денисенко, О.В. Фельдман. // Изв. Ак. Наук, сер. геогр. 2000, № 6. - С. 71-79.

36. Державин, JI.M. Комплексное применение химических средств / JI.M. Державин // Химия в е.- х. 1983. - № 3. - С. 12-13.

37. Евсеева, Н.С. География Томской области. Природные условия и ресурсы / Н.С. Евсеева. Томск : Изд -во ТГУ, 2001. - 222 с.

38. Жученко, A.A. Стратегия адаптивной интенсификации сельскохозяйственного производства / A.A. Жученко, А.Д. Урсул. -Кишинев, 1983.-120 с.

39. Жученко, A.A. Адаптивный потенциал культурных растений (эколого-генетические основы). Кишинев: Штинца, 1988. - 767 с.

40. Заславский, М.Н. Эрозия почв / М.Н. Заславский. М.: Мысль, 1979.245 с.

41. Завалишин, H.H. Моделирование экологических систем по заданной диаграмме «запасы-потоки» / H.H. Завалишин, Д.О. Логофет // Мат.модел. -т.9. №9. - 1997. - С. 3-17.

42. Заикин, В.П. Севооборот и органическое вещество / В.П. Заикин // Сельское хозяйство за рубежом. 1983. - № 8. - С. 5-6

43. Инишева, Л.И. Торфяные ресурсы Томской области и их использование / Л.И. Инишева, B.C. Архипов, С.Г. Маслов, Л.С. Михантьева. -Новосибирск: Изд. СОРАСХН. 1995.-88 с.

44. Иоганзен, Б.Г. Природа Томской области / Б.Г. Иоганзен. -Новосибирск : Зап.-Сиб. изд., 1971. 176 с.

45. Каверин, A.B. Роль эколого-экономических исследований в оптимизации землепользования отдельного хозяйства / A.B. Каверин // Научные основы повышения плодородия почв. Саранск. - 1983. - 156 с.

46. Каюмов, М.К. Программирование урожаев / М.К. Каюмов. М.: Московский рабочий, 1986. - 182 с.

47. Кадастр возможностей / под ред. Б.В. Лукутина. Томск : Изд-во НТЛ . - 2002 - 275 с.

48. Кант, Г. Биологическое растениеводство: возможности биологических агросистем / пер. с нем. С.О. Эбель. М. : Агропромиздат, 1988. - 207 с.

49. Климат Томска / под ред. С.Д. Кошинского, Л.И.Трифоновой, Ц.А.Швер-Л. : Гидрометеоиздат. 1982. - 176 с.

50. Ковда, В.А. Почвоведение. Типы почв, их география и использование / В.А. Ковда, Б.Г. Розанов. М. : Высшая школа. - 1988. - 400 с.

51. Кокс, Дж. В. Взаимосвязь между затратами и выходом продукции в агросистемах / Дж. В. Кокс // Сельскохозяйственные экосистемы. М.: Агропромиздат. - 1987. - С. 186-208.

52. Котлярова, О.Г. Надо переходить на ландшафтное земледелие / О.Г. Котлярова // Земледелие. 1990, № 6. - С. -35-38.

53. Кузнецов, М.С. Эрозия и охрана почв / М.С.Кузнецов, Г.П.Глазунов. -М. : Изд-во МГУ. 1996. - 335 с.

54. Кузьмин, В. В. Использование энергетических ресурсов в современном сельском хозяйстве / В. В. Кузьмин, С. В. Усанова //

55. Энергоресурсосберегающие технологии и системы в АПК: Межвузовский сборник научных трудов. Морд. гос. ун-т. Саранск: Типогр. "Крас. Окт.". -2003.-с. 75-78.

56. Кулинич, В.А. Биогаз из навоза Электронный ресурс. / Нива Кубани. Электрон, журн. - 2006, № 30 (892).-URL:http://pressa.kuban.info/article/nivakubani/42897 (дата обращения 7.04.2009).

57. Лазовский, В.В. Оценка труда энергетическими критериями / В.В. Лазовский // АПК: Экономика, управление. 1992. - № 7. - С. 33-36.

58. Миркин, Б.М. Фитоценология. Принципы и методы / Б.М. Миркин, Г.С. Розенберг. М. : Наука. - 1978. - 212 с.

59. Молоснов, Н.Ф. Актуальные проблемы энергообеспечения и энергосбережения в сельском хозяйстве ТЭК / Н.Ф. Молоснов // Топлив.-энерг. комплекс. 2004. — №2.-106 с.

60. Миндрин, A.C. Энергоэкономическая оценка сельскохозяйственной продукции / A.C. Миндрин. М. : ВНИИЭТУСХ, 1997.- 187 с.

61. Миндрин, A.C. Энергоэкономическая оценка сельскохозяйственной продукции: дис. .д-ра экон. наук: 08.00.05. / A.C. Миндрин. Электронный ресурс. Из фондов Российской Государственной библиотеки. Электрон, дан. - М.: РГБ, 2003 (дата обращения 2.01.2009).

62. Митчелл, Р. 101 ключевая идея: экология / Р. Митчелл. М.: Гранд ФАИР-ПРЕСС, 2001. - 223 с.

63. Мокренко, В. Д. Гидрогеологические условия Обь-Томского междуречья / В. Д. Мокренко, В. Я. Герасимов // Труды Томских учёных по системам водоснабжения. Томск. - 2005. - С. 34-44.

64. Неклюдов, А.Ф. Эффективность полевых севооборотов в Западной Сибири / А.Ф. Неклюдов, В.В. Чибис, A.A. Шмаков // Земледелие на рубеже XXI в. М., 2003. - С.245-250.

65. Непряхин, Е.М. Почвы Томской области / Е.М. Непряхин. Томск : Изд-во Том. ун-та, 1977. 23 с.

66. Невидимова, О.Г. Стратегия самоорганизации: геосистемная репрезентация / О.Г. Невидимова, A.B. Поздняков // Самоорганизация социальных систем: Сб. статей Всерос. Сем. Сиб. Академия гос. службы. Новосибирск : СибАГС, 2007. С. 108-121.

67. Новиков, Ю.Ф. Энергобаланс АПК и биоэнегретика агросистем / Ю.Ф. Новиков // Доклад ВАСХНИЛ. 1984. - № 5. - С. 4-9.

68. Одум, Г. Энергетический базис человека и природы / Г. Одум, Ю. Одум. М.: Прогресс. 1978. - 379 с.

69. Одум, Ю. Основы экологии / Ю. Одум. М. : Наука, в двух томах. -1984.-740с.

70. Одум, Ю. Сельскохозяйственные экосистемы / Ю. Одум. М. : Агропромиздат. - 1987. - 223 с.

71. Панцхава, Е.С. В перспективе Россия крупнейший поставщик биотоплива на мировой рынок / Е.С. Панцхава, В.А. Пожарнов // Энергия. -2005,- №6. -С. 10-19.

72. Панцхава, Е.С. Возможности использования биогазовых технологий втепличных хозяйствах / Е.С. Панцхава // Теоретические основы современных технологий. 2007. - № 5. - С. 20.

73. Подолинский, С.А. Труд человека и его отношение к распределению энергии/С.А. Подолинский. Изд-во Слово. - 1880, Т. 4-5. - С.135-211.

74. Полуектов, P.A. Динамические модели агроэкосистемы / Полуектов P.A. СПб. : Гидрометеоиздат. 1991. - 312 с.

75. Поздняков, A.B. Концептуальные основы решения проблем устойчивого развития / A.B. Поздняков. Томск, 1995. - 150 с.

76. Поздняков, A.B. Стратегии российских реформ / A.B. Поздняков. -Томск, 1998.-324 с.

77. Поздняков A.B. Самоорганизация целостных систем как результат спонтанного стремления к равновесию // Оптика атмосферы и океана. 2002 а. - Т. 15, № 1. - С.101-109.

78. Поздняков, A.B. Новый методологический подход к анализу функционирования агроэкосистем / A.B. Поздняков, К.А. Шуркина // Вестн. Томск, гос. ун-та. 2008. -№ 316. - С. 206-212.

79. Почему нам нужны возобновляемые источники энергии? Электронный ресурс. / ЭСКО. Электрон, журнал. - № 2. - август 2007 - URL: http://esco-ecosys.narod.ru/ (дата обращения 2.12.2009)

80. Розанов, Б.Г. Глобальные тенденции изменения почв и почвенного покрова / Б.Г. Розанов, В.О. Таргульян, Д.С. Орлов // Почвоведение. 1989. -№5.-С. 5-18.

81. Севернев, М.М. Энергосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве / М.М. Севернев. М.: Колос. - 1992. -190 с.

82. Семенов, М.А. Моделирование агросистем / М.А. Семенов, В.А.Бровкин, С.П. Поленок // Сообщения по прикладной математике. М. : ВЦ АН СССР.-1987. -37 с.

83. Справочник зоотехника // под. ред. А.П.Калашникова, O.K. Смирнова. М. : Агропромиздат. 1986. - 479 с.

84. Статистический ежегодник (2000 2006 гг.). - Томск : Томскстат, 2007. -312с.

85. Таран, И. В. Сосновые леса Западной Сибири / И. В. Таран. -Новосибирск: Наука, 1973. 291 с.

86. Толчельников, Ю.С. Эрозия и дефляция почв. Способы борьбы с ними / Ю.С. Толчельников. М. : Агропромиздат. -1990. -158 с.

87. Томская область в Сибирском Федеральном округе: статистический сборник // Территориальный орган Федеральной службы Государственной статистики по Томской области (ТОМСКСтат). Томск: Томскоблкомстат, 2007.- 104 с.

88. Тооминг, X. Солнечная радиация и формирование урожая / Х.Г. Тооминг. JI. : Гидрометеоиздат. - 1977. - 200 с.

89. Торнли, Д. Математические модели в физиологии растений Д. Торнли. Киев: Наукова Думка. - 1982. - 321 с.

90. Труд и занятость населения в Томской области (2002-2006): статистический сборник / Территориальный орган Федеральной службы Государственной статистики по Томской области (ТОМСКСтат) официальное изд. Томск: Томскоблкомстат, 2007. - 40 с.

91. Фельдман, О.В. Эмергетический подход к оценке эффективности использования ресурсов / О.В. Фельдман, Е.А. Денисенко, Д.О. Логофет // Пробл. окр. среды и прир. рес. ВИНИТИ АН РФ. - 1998. - №6. - с.66-81.

92. Шрамко, JI.E. Экономическое обоснование энергоёмкости производства сельско-хозяйственной продукции: автореф. дис. . канд. экон. наук / JI.E. Шрамко. Косино, 1984. - 21 с.

93. Чернов, К. В. Экономико-экологическая эффективность системобработки почвы в различных агроландшафтах (на примере Правобережья Саратовской области): дис. . канд. с.-х. наук / К. В. Чернов ; НИИ сел.-хоз. юго-востока. Саратов, 2000. - 162 с.

94. Энциклопедия климатических ресурсов РФ / под ред. Н.В. Кобышевой, К.Ш. Хайруллина. С-Петербург : Гидрометеоиздат. - 2005. - 319 с.

95. Albegov, М. A general regional agricultural model (CRAM) applied to a region in Poland // JJASA Reports, Vol. 6. № 2. - 1982. - P. 145-207

96. Bastianoni, S. A definition of «pollution» based on thermodynamic goal Functions//Ecol. Model.- 1998.-Vol. 113.-P. 163-166

97. Bosserman, R. Sensitivity of cycling measures derived from ecological flow analysis // Ecol. Model. 1989. - Vol. 48,- P. 45-64.

98. Braxter, K. The energetics of British agriculture / K.L. Braxter // Biologist. — 1975.-Vol. 22.-P. 11-18.

99. Brilllouin, L. Science and information theory / L. Brilllouin. -N.Y.: Acad. Press. 1956.-263 p.

100. Brown, M. Emergy-based indices and ratios to evaluate sustainability: monitoring economies and technology toward environmentally sound innovation /— Ecol. Eng. 1997. — № 9. - P. 51-69.

101. Dame, R. Analysis of energy flows in an intertidal oyster reef / R.F. Dame, B.C. Patten // Mar. Ecol. Progr. Ser. -№ 5. 1981. - P. 363-380.

102. Dazhong, W. Energy inputs in agricultural systems of China / W. Dazhong, D. Pimentel // Agriculture, Ecosystems and Environment. 1984. - Vol. 11. - P. 29-35.

103. Deleage, J. Eco-energetical analysis of an agricultural system: The French case in 1970 / J.P. Deleage, J.M. Julien, N. Sauget-Naudin and C.Souchon // Agro-Ecosystems. 1979. - Vol. 5. - P. 345-365

104. Chen, Z. Emergy analysis of Chinese agriculture // Agricult., Ecosys. and Envir.- 2006. -№ 115.-P. 161-173.

105. Chen, Z. The Concept of Agricultural Productivity on Ecosystem Scale and Its Measurement // Agricultural Sciences in China. 2006 - P. 707-712.

106. Costanza, R. Understanding and Solving Environmental Problems in the 21st Century: Toward a New, Integrated Hard Problem Science / R. E. Costanza, S. E. Jorgensen. Elsevier, Amsterdam, 2002. — 324 pp.

107. Energy from biomass in Europe / Ed. W.Palz, P.Chartier. — London : Appl. sci. publ. 1980. — 234 p.

108. Finn, J. Measures of ecosystem structure and function derived from analysis of flows / J.T. Finn // J. Theor. Biol. Vol. 56. - 1976. - P. 363-380

109. Fujinoa, J. Vision for utilization of livestock residue as bioenergy resource in Japan 11 Biomass and Bioenergy. 2005. - № 29. - P. 367-374.

110. Handbook of energy utilisation in agriculture / Ed. D.Pimentel. Florida: CRC Press. - 1980.-475 p.

111. Han, B.P. Residence time of matter and energy in econetworks at steady state / B.P. Han // EcoI.Model. Vol. 104. - 1997a. - P. 289-302.

112. Hannon, B. The structure of ecosystems / B. Hannon // Theor. Biol. Vol. 41.- 1973.-P. 535-546.

113. Herendeen, R. Energy analysis and EMERGY analysis a comparison // Ecol. Model.-2004.-№ 178.-P. 227-237.

114. Herendeen, R. Growth dilution in multilevel food chains // Ecol. Model. -2004.-№ 178.-349-356.

115. Herendeen, R. Ecological network Anslysis, Energy analysis // Encyclopedia of Ecology. 2008. - P. 1072-1083.

116. Higashi, M. Extended input-output flow analysis of ecosystems // Ecol. Model.- 1986. Vol. 32. - P. 137-147.

117. Higashi, M. Network trophic dynamics: the tempo of energy utilization in ecosystems // EcoI.Model. 1993a. - Vol. 66. - P. 43-64.

118. Higashi, M. Network trophic dynamics: the modes of energy utilization in ecosystems // EcoI.Model. 1993b. - Vol. 66. — P. 1- 42

119. Huang, S. Ecology and economy: emergy synthesis and public policy in Taiwan//Envir. Manag. 1991. - Vol. 32-P. 313-333.

120. J0rgensen, S. Ecosystem as self-organizing critical systems // Ecol. Model. -1998.-Vol. lll.-№ 2. P. 261-268.

121. Jorgensen, S.E., Toward a thermodynamics of biological systems // Ecodynamics. 2005. - № 1.-10-15.

122. Margalef, R. Information theory in ecology / R. Margalef // G. Syst. 1958. -Vol. 3.-P. 36-371.

123. Nicol, K. Models of soil loss and water use. Spatial agricultural Structure and the environment / K J. Nicol, E.O. Heady, H.C. Mandsen. Iowa: Iowa State Univ. - The CARD report. - № 49 - 1974. - 232 p.

124. Odum, H. Environmental accounting, emergy and environmental decision making / H.T. Odum. New York : John Willey&Sons Inc. - 1996. - 370 p. Odum, H.T. Simulation and evaluation with energy systems blocks // Ecol. Model. -Vol. 93.- 1996.-P. 155-173.

125. Odum, H. Explanations of ecological relationships with energy systems concepts // Ecol. Model. 2002. - № 158. - 201-211.

126. Odum, H. Concepts and methods of ecological engineering / Ecol. Engin. 2003. - № 20. - P. 339-361.

127. Parikh, J. Kromer G. Modelling energy and agriculture interactions: an application to Bangladesh / J.K. Parikh, G. Kromer. Int. Ins. For Appl. Syst. Anal. - 1984. - 63 p.

128. Patten, B. Energy cycling in the ecosystem / B.C. Patten // Ecol. Model. Vol. 28.- 1985.-P. 1-71.

129. Pimentel, D. Food production and energy crisis / D. Pimentel, L.E. Hurd, A.C. Bellotti // Science. -1973. Vol. 182.- P. 443-449.

130. Pimentel, D. Energy and food / D. Pimentel // Nutrition and Agricultural Development. 1979.-Vol. 7.-P. 179-183.

131. Pimentel, D. Biomass energy from crop and forest residues / D. Pimentel, M. A. Moran, S. Fast//Science. 1981. -Vol. 212. - P. 1110-1115.

132. Pimentel, D. Environmental energetic and economic comparison of organic and conventional farming systems / D. Pimentel. Bioscience. - 2006. - 55. - P. 573-582.

133. Ruiter, P. Modelling food webs and nutrient cycling in agro-ecosystems / // TREE. 1994. - Vol. 9. - № 10. - P. 378-383.

134. Ruiter, P. Biodiversity in soil ecosystems: the role of energy flow and community stability // Appl. Soil Ecol. 1998. - Vol. 10. -№ 3. - P. 217-228.

135. Sverezhev, Y. On some general properties of tropic networks / Yu.M. Sverezhev // Ecol. Model. 1997- Vol. 94. - P. 209-214.

136. Svirezhev, U. Termodynamic orientors: how to use thermodynamic concepts in ecology / U. Svirezhev // Ecotargets, goal functions and orientors. SpringerVerlag, Berlin-Heidelberg. 1998,- P. 102-122

137. Shonnon, C. A mathematical theory of communication / C.E. Shonnon // Bell. Systems Techn. J. Vol. 27. -№ 379. - 1948. -P.313-332.

138. Smil, V. Energy analisys and agriculture / V. Smil, P. Nachman, Th.V. Long Colorado: Westview Press. - 1983. - 191 p.

139. Spatial Agricultural Structure and environment. Iowa: Iowa State Univ., the CARD report № 49. - 1974. - 232 p.

140. Stanhill, G. Energy and agriculture: a national case study / G. Stanhill //

141. Agroecosystems. 1974. - Vol. 3. - P. 205-217.

142. Steinhart, J. Energy use in the U.S. food system / J.S. Steinhart, C.E. Steinhart // Science. 1974. - Vol. 184.- № 4134. - P.307-316.

143. Stout, B. Energy for world agriculture / B.A. Stout. Rome.FAO agricultural series. 1979. - № 7. - 286 p.

144. Steinborn, W. Entropy as an indicator of sustainability in agro-ecosystems: North Germany case study // Ecol. Model. 2000. - № 133. - P. 247-257

145. Svirezhev, Y. Ecol. Model. Yuri M. Svirezhev. 2000. - Vol. 132. - № 1-2. -P. 11-22.

146. Svirezhev, Y. Nonlinearities in mathematical ecology: Phenomena and models. Would we live in Volterra's world? // Ecol. Model. 2008. - № 216. - P. 89-101.

147. Svirezhev, Y. Entropy and entropy flows in the Biosfere // Encyclopedia of. Ecology. 2008.-P. 1306-1314.

148. Tappeiner U. Modelling vegetation patterns using natural and anthropogenic influence factors: preliminary experience with a GIS based model applied to an Alpine area // Ecol. Model. Vol. 113. - 1998. - P. 225-237.

149. The potential impacts of large-scale biomass production on US agriculture. -Card report № 130. Iowa : Iowa State Univ. - 1985. - 101 p.

150. Ulanovicz, R. Growth and Development Ecosystems Phenomenology / R. Ulanovicz. New York : Springer Verlag. - 1986. - 230 p.

151. Ulanowicz, R. An informational synthesis of ecosystem structure and Function // Ecol. Model. 1997. - № 95. - P. 1-10.

152. Ulgiati S, Brown M. Emergy and ecosystem complexity // Numer Simulat. -2009. 14.- 310-321.

153. Waldea, J.F. Statistical aspects of multilayer perceptrons under data limitations // Computational Statistics & Data Analysis. 2004. - № 46. - P. 173 — 188.

154. Zhu, W. The Concept of Agricultural Productivity on Ecosystem Scale an Its Measurement // Agricultural Sciences in China. 2006. - № 5. - P. 707-712.

155. Woodwell, J.C. A simulation model to illustrate feedbacks among resource consumption, production, and factors of production in ecological-economic systems // Ecol. Model. 1998. - Vol. 112. - P.227-247.

Информация о работе

Фузелла, Татьяна Шалвовна
кандидата географических наук
Томск, 2009
ВАК 25.00.36

Диссертация

Энергетический подход к определению эффективности и оптимизации функционирования агроэкосистем - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы