Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЗАТРАТЫ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В АГРОСИСТЕМЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЧЕРНОЗЕМЬЯ

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЗАТРАТЫ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В АГРОСИСТЕМЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЧЕРНОЗЕМЬЯ"

с^'^ЗЛГ

На правах рукописи ПАШКОВА Марина Ивановна

ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЗАТРАТЫ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В АГРОСИСТЕМЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЧЕРНОЗЕМЬЯ

03.00.16 - экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Курск - 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Привало Клавдия Ильинична

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Стифеев Анатолий Иванович

доктор сельскохозяйственных наук Ступаков Иван Александрович

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный университет»

Защита состоится « и » ¿¿¿¿О./С^Т?4с—2004 г, в « /О » чгхов на заседании диссертационного совета Д 27.fi '1 01 при Фе^-рль-ном государственном образовательном у ре*;, • - ;>ес-

сионального образования «Курская госучг, т тст-

венная академия им. проф. И.И, Иванова» по ул.

К. Маркса, 70.

С диссертацией можно ознакомиться - о иол ио-геке Ф;,, .ого государственного образовательного учреждения Еысшего профессионального образования «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова»

Автореферат разослан «_»

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук,

профессор \ ^^ В.П.Герасименко

общая характеристика работы

Актуальность темы. Последствия экономических и социальных реформ 90-х годов отрицательно сказались на общем состоянии народного хозяйства в целом и аграрном секторе в частности.

Ослабление роли государства в управлении народным хозяйством привело к серьезным негативным последствиям в экологии и экономике аграрного сектора. На 26 млн. гектаров, или почти на треть, сократились посевные площади, в 8 раз уменьшилось использование минеральных удобрений и в 5 раз - органических. Нарушена рациональная система земледелия, направленная на воспроизводство плодородия почвы, снизилась урожайность основных сельскохозяйственных культур и продуктивность животноводства [В.Д. Муха, Н.И. Картамышев, Д.В. Муха, 2001; А. Ткач, 200С].

Количество коров сократилось с 20,5 до 12,1 млн. голов, а количество производимой продукции по сравнению с 1990 г. снизилось на 47% [А. Гордеев, 2000; Е. Никифорова, 2003],

Исходя из глубинных причин кризисного состояния аграрного сектора, оценкой оптимальности развития сельского хозяйства должны служить комплексные критерии, отражающие рациональность использования природных ресурсов и экологическую устойчивость производства [СЛ. Огарков, 2000; А.Д. Шафранов, 2000; В.В. Кузьменко, 2002].

В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, связанные с оценкой функционирования биосистемы «корм-> животное», где эффективность использования энергии корма в синтез получаемой продукции примерно на 30-50% ниже биологических возможностей этого процесса [K.M. Солнцев, 1989; К.И. Привало, 1999].

При этом, одним из факторов, определяющих интенсивность использования сельскохозяйственных угодий и эффективность внедрения ресурсосберегающих технологий в растениеводство, служит уровень развития животноводства. Отсюда и актуальность исследований, которая предусматривает экспериментальное обоснование оптимального соотношения экологических факторов, обеспечивающих повышение эффективности использования энергии, полученной в растениеводстве, на продукцию животноводства.

Цель исследований - обосновать экологические факторы и их количественные соотношения, обеспечивающие максимум продуктивности агроэкосистемы при минимальных затратах биогенных ресурсов.

Для достижения намеченной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Оценено экологическое состояние производства продукции растениеводства и животноводства в ряде хозяйств, отобранных для проведения исследований.

2. Обоснованы наиболее существенные факторы и их соотношения, обеспечивающие максимальную продуктивность агроэкосистемы, применительно к конкретным почвенно-климатическим условиям.

3. Определена, методами математического моделирования, эффективность использования биогенных ресурсов в животноводстве при различной структуре агроэкосистемы. Г"1

Ц^УСХАз

4. Рассчитана статистическая надежность и адекватность оценки эффективности использования биоресурсов по величине коэффициента биоконверсии энергии корма и природоемкостн производства животноводческой продукции.

5. Установлено соотношение экологических факторов, обеспечивающее рациональное использование биоресурсов в пределах биосистемы икорм-> животное» на микроуровне.

Новизна работы заключается в экспериментальном обосновании важнейших экологических факторов и их соотношения, обеспечивающие максимальную продуктивность агроэкосистемы в зависимости от её производственной структуры. Определены оптимальные значения коэффициентов биоконверсии энергии корма как критериев экологической устойчивости при производстве продукции животноводства и показателя природоемкостн. Установлен биологический потенциал конверсии энергии корма в пределах биосистемы торм->жиеотное» и факторы, его определяющие.

Положения, выносимые на защиту:

1. Плотность поголовья и соотношение видов сельскохозяйственных животных, как важнейшие факторы, определяющие эффективность использования биоресурсов, полученных в агрофитоиенозе.

2. Повышение концентрации обменной энергии в сухом веществе фитомассы урожая, как показатель роста продуктивности и устойчивости агроэкосистемы.

3. Установление предельно допустимой продуктивности агроэкосистемы по показателю природоемкостн производства продукции животноводства.

Практическая значимость исследований. Методы оценки предельно допустимой продуктивности агроэкосистемы могут быть использованы при разработке перспективных планов развития производства, как на уровне отдельных сельскохозяйственных предприятий, так и регионального АПК.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на годичных научных конференциях профессорско-преподавательского состава КГСХА (Курск, 2001,2002,2003), всероссийских конференциях (Пушкино,2002; Белгород, 2002), международных симпозиумах (Сумы, 2002; Санкт-Петербург, 2003), расширенном заседании кафедр «Кормопроизводства и зоогигиены» и «Высшей и прикладной математики» Курской государственной сельскохозяйственной академии (Курск, 2003).

Публикация результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 5 работ в центральной и местной печати и две находятся в печати.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа в объеме 177 страниц компьютерного текста состоит из введения, обзора литературы, методики исследований, экспериментальной части, выводов и предложений производству, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах, содержит 5 рисунков и 25 таблиц. Список использованной литературы включает 237 источников, в том числе 17 иностранных.

материалы и методика исследований

Исследования выполнены на протяжении 1998-2003 гг. при кафедре «Кормопроизводства и зоогигиены» КГСХА и в производственных условиях АПК Медвенского района Курской области.

В качестве исходной информации использованы производственные и экспериментальные данные, полученные в научно-хозяйственных опытах по кормлению коров. Общая схема исследований включала:

1. Планирование пассивного (макроуровень) и активного (микроуровень) эксперимента, отбор и формирование групп хозяйств — в пассивном эксперименте, отбор и формирование групп подопытных животных — в активном эксперименте.

2. Предварительный сбор и формирование массивов статистических данных, характеризующих эффективность функционирования изучаемых биосистем на макро - и микроуровнях, применительно к конкретным природно-климатическим и экономическим условиям черноземных почв Медвенского района.

3. Проведение статистического анализа полученных массивов производственных н экспериментальных данных с целью формирования матриц планирования эксперимента, обоснования наиболее комплексных и информативных выходных параметров и факторов, их описывающих.

4. Обоснование выбора вида (структуры, типа) модели (производственной функции) и системы моделей, методов их построения и статистического анализа точности.

5. Оценка и интерпретация результатов анализа полученных моделей с целью обоснования наиболее оптимальных вариантов функционирования изучаемой биосистемы.

Для оценки эффективности функционирования биосистемы «корм~> животное» использовано значение коэффициента биоконверсии энергии корма в продукцию животноводства (на молоко, прирост живой массы, на поддержание жизни), который выражается через отношение чистой энергии продукции (молоко + прирост) к обменной энергии корма. В свою очередь, количественное значение каждого из указанных компонентов зависит от большого числа факторов, действующих как внутри биосистемы, так и за её пределами [В.Д. Муха, О.Е. Привало, 1995, 2002; В.В. Островский, 1993]. И эта особенность учитывалась при моделировании изучаемого процесса.

Расчет коэффициента биоконверсии энергии на макроуровне осуществлялся по формуле:

К- ЧэнЖ 100 % .

ОЭфм

где ЧэнЖ - чистая энергия (ГДж/га), заключенная в живой массе животных и произведенном молоке в расчете на гектар посевной площади, а ОЭфм - обменная энергия, заключенная в фитомассе урожая, полученного с той же посевной площади.

Формула расчета коэффициента биоконверсии на микроуровне внешне имеет тот же вид, но в отличие от макроуровня в числителе стоит энергия продукции, полученная в сутки от одного животного, а в знаменателе - суточное поступление обменной энергии с кормом,

Формирование массива исходной информации на макроуровне. На базе 9 хозяйств из 14, имевшихся в списочном составе АПК Мед-венского района Курской области, собраны и систематизированы многолетние статистические данные (с 19S0 по 1989 гг). При этом, по модельному хозяйству (СХПК «Амосовский») статистические данные систематизированы за периоде 1980 по 1999 гг.

На основе полученных данных рассчитаны показатели, характеризующие биологическую (экологическую) эффективность производства молока в зависимости от энергетической обеспеченности кормового баланса, плотности и соотношения поголовья сельскохозяйственных животных, продуктивности основного стада. Сформированы матрицы исходной информации для построения производственных функций, описывающих изучаемую систему на макроуровне.

Формирование массива исходной информации на микроуровне. Использованы экспертентальные данные, полученные в двух научно-хозяйственных опытах по содержанию коров на силосно-сенажкых рационах с различной концентрацией обменной энергии. При организации опытов применялся традиционный принцип нормирования, предусматривающий составление единого рацнона (ОР) для всех подопытных коров с последующим включением в суточную диету 250-300 г комбикорма на каждый килограмм надоенного молока в первом опыте и 350-450г - во втором.

При проведении опытов через каждые 15 дней индивидуально учитывались следующие показатели: потребление корма, живая масса, суточная продуктивность, химический состав молока. Это позволило оценить уровень суточного поступления энергии и её синтез в продукцию, рассчитать значения коэффициентов биоконверсии, сформировать матрицы исходной информации для построения производственных функций.

Методы статистического исследования зависимостей. Весь процесс статистического исследования условно подразделялся на пять этапов:

- информационный (сбор необходимой статистической информации);

-корреляционный анализ (выявление структуры и тесноты связей

между исследуемыми переменными с помощью парной и частной корреляций);

- статистических исследований (определение вида зависимостей или параметризация модели);

- оценка мультиколлинеарности (отбор наиболее информативных независимых переменных), причем мультнколлинеарными сч1ггались факторы, для ксюрых коэффициент парной корреляции превосходит 0,8;

- построение математических моделей (вычисление оценок ненз вестных параметров и анализ точности полученных уравнений связи).

Для вычисления оценок неизвестных параметров уравнения множественной нелинейной регрессии нами использована процедура Special / Advanced Regression / Nonlinear Regression ППП St ¡»graphics.

Проверка значимости оценок неизвестных параметров уравнения и статистический анализ точности проводились с помощью критерия Стьюдента в той же программе, что и при вычислении самих оценок.

Проверка адекватности модели осуществлялась с помощью F-критерня (критерия Фишера), который вычислялся через коэффициент детерминации R2 по формуле:

б

*

где п - объем выборки, р — число оцениваемых параметров. Модель считается адекватной, если Р> > гДе ^а\к\\к2 •

табличное значение критерия Фишера, определяемого при значимости С£= 0,05 и числе степеней свободы к(=р и к2=п-р-1.

Для упрощения вычислений были введены нормированные независимые переменные величины. Нормирование осуществлялось по формуле:

_ где х^ — I - ое реальное значение независимой переменной; X - среднее значение независимой переменной х; А - коэффициент нормирования, который находится по формуле:

л

п

где а - число всевозможных значений переменной.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Состояние растениеводства и энергетическая обеспеченность животноводства. При анализе состояния растениеводства района обращает на себя внимание высокий удельный вес посева зерновых, составляющий 69,5±1,4%, а по кооперативам Дубрава и Рождественский - 75%. За счет этого валовое производство зерна, при средней урожайности, равной 27,4±1Д8 ц/га, достигает 213±б,2 тонны на 100 га посевной площади (таблица 1).

Таблица 1 • Средние показатели интенсивности производства зерна и сахарной свеклы

в хозяйствах Медвенского района за период с 1980 по 1990 гг.

Показатели Названия хозяйств ц среднем

Дубрава Амо-совка Спасский (ара-сов-ский Гас-томля Высокое Катаеве-кий Чере* мош-ное Рож-дест-вен-сгае X а

1 2 ' а 4 5 6 7 а 0 40

I юсевная площадь, га 3244 3838 2339 3329 3125 4079 2143 3693 1678 3052 274

Под зерновыми, га % 2453 2491 1712 2282 2041 2723 1427 2573 1261 2107 176,5

75,0 65,0 73.3 6й,5 65,3 ее,5 еа,5 76,2 6&.5 4.4

урожаи ность.цТа 23,3 25,6 зо,а £ё,4 ¿4,4 24,0

валовое производство, т 5715 8793 4913 5705 6164 7199 4138 6278 3026 5769 1677

под сахарной свеклой, га % 404 641 ' 442 720 07В 745 2Й7 4Й7 24? ьЦа 1вь,а

12,4 13Л 14,1 16,3 16,4 1<М 10,7 10,4 12,2 13,3 2.2

урожайность, ц/г а 240 473 "304 524 ¿¿1 Ж 335 255 267 Й2.Э 76.1

валовое производство. т 9767 30316 13448 16354 17025 19115 9616 12462 7339 15055 6899

Высокому удельному весу посева зерновых соответствует адекватное снижение посевных площадей, занятых под кормовыми культурами. Среднестатистическое значение этого показателя по массиву исходной информации составляет 23,34±2,33%. При этом урожайность многолетних и однолетних трав, равная соответственно 95,4±6,11 и 102±8,7б ц/га, свидетельствует о низкой, на период проведения исследований, агротехнической культуре возделывания трав, особенно многолетних, В результате этого относительно низкая урожайность кормовых культур является одним из наиболее существенных факторов, лимитирующих не только производство кормов, но и интенсивность использования земли, оцениваемую по выходу обменной энергии в фитомассе получаемого урожая (таблица 2).

Таблица 2 - Средние показатели интенсивности возделывания кормовых культур в хозяйствах Мед венского района за период с 1980 по 1990 гг.

Показатели Названия хозяйств В сре днем

Дубрава (И 01 о г < Спасский Тарасов-ский Гастомля Высокое >5 § и ш ф г к а. я и о , 4) О О <и эс ч и § I К 10 £ е X С

Куку руза на зеленый корм и силос

площадь, га 220 263 153 241 336 322 183 244 94,2 228 25,7

% от пашни 5,6 5,32 4,87 5,4 8,11 6,22 6,82 5,22 4,66 5,8 0,36

урожайность, ц/га 279 414 292 252 359 195 255 240 379 296 24,2

Производство многолетних трав

площадь, га 159 263 185 293 196 274 251 309 110 227 22,4

% от пашни 4,93 6,86 8,25 8,62 6,28 6,73 11,72 8|42 6,57 7,62 0,65

урожайность, ц/га 85,3 131,4 116 89,1 83,4 87,9 97,5 98 70,6 95,4 6,11

Производство однолетних трав

площадь, га 203 518 327 239 349 367 164 348 78 288 43,6

% от пашни 6,26 13,38 13,23 7,15 11,12 9 7,69 9,58 4,65 9,11 1,0

урожайность, ц/га 138 115 88,1 99,1 94,8 90,7 90,3 63,1 147 102 8,76

Особенности структуры посевных площадей при низкой интенсивности возделывания кормовых культур определили энергетическую обеспеченность животноводства, равную 33,3±3,4 ГДж на условную голову, при концентрации обменной энергии (КОЭ), равной 8,73±1,9 МДж/кг.

Исходя ш существующих норм, такие параметры энергетической обеспеченности соответствуют продуктивности коров в пределах 30003200 кг молока за лактацию. Однако в реальных условиях производства этот показатель составил 2460±340 кг, что на 23% ниже ожидаемого.

Как свидетельствуют данные, приведенные в таблице 3 (рис.1), максимальные значения валового производства молока и продуктивности основного стада, достигнутые в отдельных хозяйствах, не совпадают с максимальной энергетической обеспеченностью кормового баланса. Отсюда следует, что энергетическая обеспеченность кормового баланса в условиях пассивного эксперимента не является фактором, лимитирующим дальнейший рост продуктивности скота и валового производства молока.

Таблица 3 - Питательность кормового баланса, продуктивность основного стада и валовое производство молока

Наименование хозяйств Питательность кормового баланса (на усл. голову) На 100 га посевной площади

сухое вещество, ц оэ, ГДж КОЭ, МДжГкг коров, голов удой на корову, Ч производство молока, ц

Дубрава 49,7 43,8 8,81 18,1 20,5 372

Амоеовский 35,4 30,8 8,70 17,8 30,2 537

Спасский 35,7 31,4 8,80 22,2 24,0 530

Тарасоесхий 36,16 31,5 8.71 22,8 22,7 519

Гастомля 33,3 28,6 8,6 26,1 24,3 632,6

Высокое 29,8 26,2 8,79 21,8 24,6 533,6

Китаевский 36,6 32,2 8,80 17,4 23,3 391

Черемошное 38,25 34,8 9,11 14,1 21,5 359

Рождественский 46,4 40,8 8,79 14,5 30,0 429,7

X 37,9±2,2 33,3±3,4 8,7±1,9 19.4±4 24,6±3,4 47Э,2±34,7

Именно факт несовпадения энергетической обеспеченности кормового баланса с показателями продуктивности основного стада и валового производства молока создал необходимость дополнительного и более детального анализа полученной информации с помощью корреляционного анализа (коэффициентов парной и частной корреляций).

Коэффициент парной корреляции между показателями плотности поголовья животных и производством молока (г2 *=0,859) свидетельствует о том, что между этими факторами существует теснейшая линейная зависимость. Однако коэффициент частной корреляции (гг =0,307) такой тесной зависимости не подтвердил,

В то же время, коэффициенты парной корреляции между валовым производством молока с одной стороны, продуктивностью коров и энергетической обеспеченностью кормового баланса - с другой, оказались статистически не достоверными. Но это еще не отрицает существования причинно-следственной связи между этими показателями, а лишь подчеркивает, что в рассматриваемых условиях уровень развития

■Дубрава ОАмосовсхий ВСпаесшй

ОТарасовсиий ОГясгомля П Высокое

□Китаеесмй □Черемошное □Рождественский

Рис. 1 - Валовое производство молока е зависимости от питательности кормового баланса

растениеводства, продуктивность основного стада и энергетическая его обеспеченность не являются факторами, лимитирующими эффективность и валовой объем производства молока.

Это заключение нашло подтверждение и при оценке интенсивности производства молока в модельном хозяйстве, осуществленной на основе построения линейных моделей. Выходным параметром является валовое производство молока, а объясняющими факторами - плотность поголовья КРС, концентрация обменной энергии и сырого протеина, удельный вес зерна в рационе. Анализ моделей показал, что при сложившихся параметрах полевого кормопроизводства, дальнейший рост валового производства молока, при относительно высокой эффективности использования кормов на продукцию, может быть достигнут лишь за счет интенсивного воспроизводства основного стада, обеспечивающего оптимальную, для данного уровня развития растениеводства, плотность поголовья крупного рогатого скота (таблица 4).

Экологически допустимый максимум производства молока.

Анализ статистических данных производственной деятельности отобранных для исследований хозяйств показал, что рост валового производства молока может быть обеспечен при разном количественном соотношении между плотностью и структурой животноводства, с одной стороны, и средним удоем на фуражную корову, с другой. Критерием оптимальности соотношения плотности поголовья животных и уровня продуктивности основного стада служит достижение максимального значения коэффициента биоконверсни энергии корма

Таблица 4 - Обоснование параметров роста валового производства молока в модельном хозяйстве

Годы На 100 га посевной площа 4И

условных голов крупного рогатого скота произведено молока, ц

всего в том числе коров

2003 23.30 11,65 319

2004 26,22 14,56 326

2005 31.30 16,74 400

2006 33,50 19,25 527

2007 50,00 25,02 601

в продукцию животноводства при минимальной прнродоемкости производства.

Для изучения коэффициентов биоконверсии и факторов, его определяющих, была создана матрица исходных и расчетных статистических данных и проведен её статистический анализ.

Установлено, что значение коэффициента биоконверсии энергии корма в продукцию животноводства изменяется в пределах от 4,6 до 28,8%, при среднем его значении, равном 10,7 ±1,33% , а в синтез молока соответственно-от 3,44 до 10,97%, при среднем значении 5,47±0,4%.

Как показали результаты корреляционного анализа, наиболее существенными факторами, определяющими значение коэффициента биоконверсии энергии корма в синтез молока (К3 ), служат такие биотические факторы фитогенного и зоогенного характера, как:

- энергетическая ценность кормового баланса, ГДж/условную голову (Х();

- удой на фуражную корову, ц (х();

- валовое производство молока, ц/100 га посевной площади (Х7);

плотность поголовья свиней, условных голов/100 га посевной площади (хв).

Методами математического моделирования установлена зависимость коэффициента биоконверсии Кз от выбранных факторов в виде следующих производственных функций: Кз = 5,1- 1,3X4+ 0,25х7-0,51х»+0,35к42-0,1<>хД

Я2=84,8; Р= 24,5, [2]

Кл = 4,94 - 1,4х4+ 0,26х(-0,48х, - + 0,22 х4х» + 0,465 х42,

К2 = 86,3; Р= 27,6. [3]

Коэффициенты уравнений (2), (3) значимы на уровнях 90 и 80%. Независимые переменные входят в производственные функции в нормированном виде. При этом нормирование осуществлялось по формуле (1) с учетом_ средних значений: х< =51,2 ГДж; = 24,53 ц; х7 = 478 ц/100га; х<> = 6,8 условной головы и коэффициентов нормирования, соответственно равных: А4=12,09; - 3,65; А7 =92,03; А$ = 3,91.

Исследование модели (2) проведено с целью установления реально существующего соотношения параметров развития растениеводства,

молочного скотоводства и свиноводства, обеспечивающих максимальную величину коэффициента биоконверсии энергии корма в синтез молока на макроуровне.

Установлено, что величина максимума Кз достигается при валовом производстве молока 550 и/Ю0 га и зависит от уровня энергетической обеспеченности (Х4) и плотности поголовья свиней, выраженной в условных единицах (х9).

Для нахождения максимума К3 фиксировались значения х4 (на среднем и ниже среднего уровнях) и х? (на минимальном, среднем и максимальном уровнях), а модель (2) преобразована к виду:

К) = (5,1 +0,25X7 - 0,1 бх72) +В, [2а]

где В= - 1,3x4 -0,51х9 +0,3 5>ч2 - постоянная величина при фиксированных значениях х^ и х9.

Величина максимума зависит от В и определяется уровнями фиксированных значений х^ к х». В силу этого, максимум коэффициента биоконверсии изменяется в широких пределах: от 10,46%, при минимальных показателях энергетической обеспеченности кормового баланса и плотности поголовья свиней, до 2,53% - при средней энергетической обеспеченности и максимальной плотности поголовья свиней (таблица 5).

Таблица 5 - Параметры достижения максимума биоконверсии энергии корма в синтез молока

Независимые переменные величины

X» (обменной энергии на условную голову, ГДж) хд (условных голов свиней на 100 га посевной площади)

минимум среднее максимум

1.07 6,80 27,3

Значение коэффициента биоконверсии, %

24,8 10,46 9,72 7,04

30,0 9,32 8,57 5,90

35,0 8,31 7,57 4.90

40,0 7,46 6,71 4.04

45,0 6,72 5,97 3,30

51,25 5,94 5,20 2,53

Полученные результаты свидетельствуют о том, что, применительно к конкретным производственным условиям, увеличение плотности поголовья свиней выше 6,8 условной головы резко снижает значение коэффициента биоконверсии и служит одним из признаков нарушения экологической устойчивости производства.

Об этом же свидетельствует и оценка природоемкости производства молока Ее, вычисленная по формуле:

Е0 = Р/Д,

где Р - расход кормов, выраженный в энергетических единицах (ГДж) в расчете на 100 га посевной площади, и определяется как произведение показателя энергетической обеспеченности кормового баланса

(\р4) и плотности поголовья коров (хр8>; Д • валовое производство молока на 100 га посевной площади.

Продуктивность основного стада и оптимальное соотношение поголовья коров и свиней в условных головах определены с дополнительным исследованием уравнения (3). Сравнительные данные природоем-кости и коэффициента биоконверсии приведены в таблице 6 (рис. 2).

Таблица € - Природоемкость производства молока, ГДж/ц

Плотность Плотность Энергетическая обеспеченность кормового баланса, ГДж/условную голову (х%) Коэффициент

поголо- пого- биокон-

вья свиней (х%) ловья корое (Л) 24,8 30 35 40 45 51,2 версии, % (Кг)

30,2 1,36 10,50

28,0 1,53 9,32

1,07 26,0 1,65 8,33

24,0 1,74 7,45

22,0 1,80 6,75

19,0 1,78 5,96

25,25 1,14 9,71

24,06 1,31 8,62

6,8 23.0 1,46 7,63

22,0 1,60 6,74

20,9 1,71 6,05

19,5 1,82 5,20

15,9 0,72 7.0

16,01 0,87 5,9

27,3 16,30 1,04 4,9

16,80 1,22 4,0

17,80 1,45 3,3

21,20 1,97 2,50

Обращает на себя внимание тот факт, что при плотности поголовья свиней, равной 1,07 условной головы на 100 га посевной площади (минимум по массиву), сокращение поголовья коров от 30,2 до 19,0 снижает коэффициент биоконверсии от 10,5 до 6,75, т.е. почти в 1,6 раза. При этом природоемкость производства молока возрастает с 1,36 до 1,78, т.е. примерно в 1,3 раза; соотношение поголовья свиней и коров изменяется от 0,03 до 0,06.

При плотности поголовья свиней, равной 6,8 условной головы на 100 га посевной площади (средней по массиву), наблюдается та же тенденция снижения коэффициента биоконверсии и увеличения природо-емкости, но в других количественных значениях в 1,9 и 1,6 раза соответственно; соотношение поголовья свиней и коров изменяется от 0,27 до 0,35.

Если плотность поголовья свиней равна 27,3 условной головы (наибольшая по статистическому массиву), то максимальное значение коэффициента биоконверсии 7%, достигается при поголовье коров 15,9 головы/100 га посевной площади и энергетической обеспеченности

Ео 12

ш ^ р £ Плотность поголовья коров, у.г.

О Природ оемкость при 24,8 ОЭ ГДж/у.г. И При ЗОГДж/у.г. □При 35 ГД* //.г. ОПри 40ГДж/у.г.

□ При 45 ГДж^у.Г, "При 51,2 ГДж/у.Г.

НК,%

Рис 2. При род оем кость производства молока как критерий предельно допустимой продуктивности агроэкосистемы

кормового баланса в пределах 25 ГДж. Однако, для достижения этих показателей продуктивность коров должна быть не менее 3500 кг молока за лактацию. Это возможно при энергетической обеспеченности не

менее 30 ГДж на условную голову.

Это значит что при специализации предприятия на свиноводстве (плотность поголовья свиней не ниже 27,3 условной головы), экологически устойчивое производство молока (для внутрихозяйственного использования) может быть достигнуто при плотности коров не более 15 голов на 100 га посевной площади и энергетическом обеспеченности кормового баланса не менее 30 ГДЖ на условную голову.

Таким образом, с учетом энергетической обеспеченности кормового баланса и различном соотношении плотности поголовья свннен и коров, можно заключить, что предельно допустимая продуктивность агроэко-системы возможна лишь при соотношении плотности поголовья свиней и коров не выше 0,3 (на 1 условную голову свинеи не более л условных голов коров), коэффициента биоконверсии, равном не менее 8/о, и прн-родоем кости Ео=1 А

Конверсия энергии в пределах биосистемы «ко/7.11->жиеотное». Значение коэффициента биоконверсии, полученное на макроуровне, отражает не потенциальные возможности биосистемы «корм->жиеот-кое»у а оптимальность организационной структуры, обеспечивающей производство молока при различной эффективности использования природных ресурсов.

В связи с этим возникла острая необходимость в проведении активного эксперимента по оценке биологической эффективности конверсии энергии корма в синтез молока в зависимости от концентрации обменной энергии (КОЭ) конкретного рациона и индивидуальных особенностей животных.

Статистический анализ экспериментальных данных, полученных в результате проведения двух научно-хозяйственных опытов на 60 коровах, показал, что »^тинный биологический потенциал конверсии энергии корма в синтез молока в пределах биосистемы «корм->животное» в 2,5-10 раз превышает показатели биоконверсии, достигнутые в условиях производства.

Такие различия в показателях эффективности биоконверсии энергии корма в синтез молока, полученные в условиях производства и активного эксперимента, подтверждают правильность высказанного предположения о возрастающих производственных энергетических потерях. Они зависят как от количественных и качественных характеристик материально - энергетических потоков, поступающих с кормами, так и индивидуальных особенностей животных.

Если сопоставить количественные и качественные параметры энергетической обеспеченности рационов, то в условиях эксперимента они характеризуются средним уровнем суточного поступления обменной энергии, равной 173,5±5,62 МДж/голову, или 63,33 ГД.. на условную голову в год. Это не на много выше средней энергетической обеспеченности кормового баланса по массиву статистических данных, которая в среднем равна 51,2±4,04 ГДж, что лишь на 19% ниже, чем в условиях эксперимента. Естественно, что эта разница не настолько значительна, чтобы в 2,5-10 раз снизить эффект ивность биоконверсии. Однако, качественные параметры энергетической обеспеченности кормового баланса, оцениваемой по концентрации обменной энергии, свидетельствуют о том, что в условиях эксперимента этот показатель на 28% выше, чем в условиях производства и составил 10,1710,07% в сравнении с 7,95 ±0,3 2% соответственно.

Существенное влияние на эффективность биоконверсии энергии корма в синтез молока в условиях эксперимента оказали индивидуальные особенности животных. Для опытов были отобраны животные с живой массой в среднем 589+14,47 кг и суточной продуктивностью 18,96+0,88 кг, что составляет 6920+321 кг молока на корову в год. В производственных же условиях средняя живая масса и годовой удой коров находились в пределах 480-500 кг и 2457±244 кг соответственно.

Именно по причине таких существенных различий в показателях продуктивности животных и КОЭ на макро- и микроуровнях, при построении моделей, описывающих конверсию энергии корма в пределах

биосистемы <.<корм->животиое», в качестве независимых переменных величин взяты х^ (живая масса, кг), хр3 (суточный удой, кг/100 кг живой массы), хр4 (потребление сухого вешества, кг/100 кг живой массы), хр7 и хРз (концентрация в сухом веществе рациона сырого протеина и обменной энергии):

Кз* = 32,755 + 2,83x2 + 29,22х3 -3,63х5 + 6,0х2х3- 0,89х2х5 -- 6,695 х3х5 + 11,02 х3 + 0,63 х5 ,

И =99%; ¥= 117,41 [4]

У™ = 3,05 + 0,2 х» - 0,08х2 + 0,31х3 - 0,08х2х3+ 0,27х3х8 --0,84х/-0,03хял

Р=12,7, [5]

здесь Кз - коэффициент бноконверсии энергии корма в синтез молока на микроуровне, %; Усв = х/ - суточное потребление сухого вещества, кг/100 кг живой массы; х2, х3, х5, х8 - нормированные переменные для соответствующих реальных величин, перечисленных выше. Коэффициенты уравнений значимы на уровнях 90 и 85%.

Так как фактическое поступление энергии в организм животного на микроуровне определяется потреблением сухого вещества на единицу живой массы (х/) и КОЭ в сухом веществе рациона (х®р), то первоначально проведено исследование уравнения [5], Представление его в виде:

Усв=-0,84х3Ч(0,31 +0,27х8)*х3+(3,05+0,2ху-0,08хг -0,08X2X8-0,03X8), [5-а]

и исследование на экстремум (при фиксированных значениях х2 и Хв на минимальном, среднем и максимальном уровнях) позволило получить данные, приведенные в таблице 7.

Таблица 7 - Потребление сухого вещества в зависимости от КОЭ

Живая масса, кг КОЭ, МДж/кг На 100 кг живой массы

максимальное потребление сухого вещества, кг суточный удой, кг

460 9,58 2,05 3,11

10,2 3,29 3,30

11,12 4,50 3,59

588,9 9,58 2,38 3,11

10,2 3,08 3,30

11,12 3,54 3.59

712 9,58 2,70 3,11

10,2 2,88 3,30

11,12 2,94 3,59

Анализ данных таблицы 7 показывает, что максимальное потребление сухого вещества на единицу живой массы в среднем возрастает от 2,38 до 3,54 кг/ 100 живой массы, и достигается при концентрации обменной энергии в рационах, равной 9,58; 10,2 и 11,12 МДж/кг.

При этом животные с меньшей живой массой более остро реагируют на рост КОЭ в рационах. Так, коровы с живой массой 460 кг при использовании рационов с концентрацией обменной энергии от 9,58 до

11,12 МДж/кг, повышали потребление сухого вещества от 2,05 до 4,50 кг/ 100 кг живой массы, или в 2,2 раза, а с максимальной живой массой (712 кг) - лишь в 1,1 раза. Величина суточного удоя у коров с живой массой 460 и 712 кгвозросла с 14,31 до 16,51 и с 22,14 до 25,56 кг соответственно.

Полученные результаты служат экспериментальным подтверждением тому, что величина живой массы коров на микроуровне и их суммарная живая масса на единицу посевной площади (плотность поголовья) - на макроуровне являются наиболее существенными экологическими факторами, определяющими конверсию энергии корма в продукцию животноводства.

Правильность сделанного заключения подтверждается результатами исследований уравнения [4] при фиксированных значениях независимых переменных (х2, х^ и х$) на уровнях, полученных из анализа модели [5] . Максимальные значения коэффициента бноконверсии приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Коэффициент биоконверсии при различном соотношении живой маосы и уровня кормления животных

Живая КОЭ. Суточное Суточный удой, Коэффици-

масса, кг МДж/кг поступление кг ент биокон-

обменной аерсии (Кэ*),

энергии, МДж %

460 10,2 154 15,18 30,33

588,9 9,58 134 18,32 36,86

10,2 185 19,44 36,46

712 9,58 184 22,14 27,26

10,2 209 23,50 39,28

Анализ данных, приведенных в таблице 8, показывает, что наиболее существенным фактором, определяющим коэффициент биоконверсии энергии в синтез молока на микроуровне, служит живая масса животных, с увеличением которой от 460 до 712 кг суточное потребление сухого вещества возрастает при поступлении обменной энергии от 158,6 до 208,6 МДж соответственно. Это свидетельствует о том, что более крупные животные отличаются не только высокой экологической устойчивостью, но и способностью одинаково эффективно использовать обменную энергию независимо от КОЭ в сухом веществе рациона.

Коровы с минимальной живой массой наиболее требовательны к качеству рационов. Они обеспечивают эффективное использование энергии в синтез молока (К3*= 30,33%) только при концентрации обменной энергии, равной 10,2 МДж/кг.

Таким образом, результаты активного эксперимента по оценке конверсии энергии корма в пределах биосистемы «корм~>животпое» и факторов, её определяющих, не только подтвердили данные, полученные в производственных условиях, но и дифференцировали их в зависимости от индивидуальных способностей животных.

выводы и предложения

1. Экологический максимум производства молока, применительно к почвенно-климатическим и сложившимся экономическим условиям Центрального Черноземья, составляет 550ц молока на 100 га посевной площади и повышается с ростом интенсивности использования земли, оцениваемой по выходу физиологически доступной энергии в продукции растениеводства и животноводства с единицы посевной площади.

2. Достижение урожайности по кормовым культурам в пределах 39,3 ц корм, ед, и более повышает интенсивность использования земли, оцениваемую по выходу обменной энергии в урожае сельскохозяйственных культур, если удельный вес зерновых в структуре посевных площадей не превышает 55%.

3. Коэффициент биоконверсии энергии корма в синтез молока, как критерий экологически допустимого максимума производства молока, определяется плотностью поголовья сельскохозяйственных животных, энергетической обеспеченностью кормового баланса (ГДж / условную голову) н концентрацией обменной энергии в используемых рационах (МДж/кг сухого вещества).

4. Энергетическая обеспеченность кормового баланса на среднем уровне, равном 33,3±3,4 ГДж на условную голову, применительно к условиям проведения исследований, не является фактором, лимитирующим дальнейший рост валового производства молока, в том числе и значения экологически допустимого максимума его производства.

5. Экологический максимум производства молока, при котором значение коэффициента биоконверсии достигает 8,62% и более, а приро-доемкость производства молока не превышает 1,53 ГДж/ц, наступает при плотности коров и свиней, равной 25,2-28,0 и 1,07-6,8 условной головы на 100 га посевной площади,

6. В условиях сложившегося эколого-экономического состояния производства в аграрном секторе, численность коров на 100 га посевной площади, при которой наступает экологически допустимый максимум производства молока, снижается от 28 до 15 голов при росте плотности свиней от 6,8 до 27,3 условной головы на 100 га посевной площади.

7. Увеличение плотности поголовья свиней от 1,07 до 6,8 условной головы на 100 га посевной площади при энергетической обеспеченности кормового баланса в пределах 25-50 ГДж на условную голову снижает коэффициент биоконверсии с 8,03 % до 7,29 % и адекватно повышает при-родоемкость производства молока с 1,25 до 1,97 МДж/ц, или на 58%.

8. Коэффициент биоконверсии, полученный на макроуровне, отражает не потенциальные возможности биосистемы «корм->жиеотное», а оптимальность организационной структуры, обеспечивающей производство молока при различной эффективности использования природных ресурсов. Истинный биологический потенциал конверсии энергии корма в синтез молока в 2,5-10 раз превышает показатели, достигнутые в условиях производства.

9. Наиболее существенными факторами, определяющими биологический потенциал конверсии энергии корма в синтез молока, равный 30,33-39,28%, служат энергетическая обеспеченность суточного рацио-

на, оцениваемая потреблением сухого вещества (кг/100 кг живой массы), живая масса животного и суточная продуктивность.

10. Суточное потребление сухого вещества на единицу живой массы, как критерий энергетической обеспеченности животного и эффективности использования поступающей энергии на синтез молока, определяется КОЭ{Ш,2 МДж/кг) и живой массой животного.

11. Увеличение живой массы коров от 460 до 712 кг при одинаковых условиях проведения эксперимента обеспечивает рост суточного удоя от 15,2 до 23,5 кг и коэффициента биоконверснн энергии корма в синтез молока от 30.3 до 39,3% соответственно. Это служит экспериментальным подтверждением роли плотности поголовья (эквивалент живой массы животноводства), как наиболее существенного фактора, определяющего валовой объем, интенсивность и экологическую устойчивость производства молока.

практические предложения

При мониторинге экологической устойчивости и обосновании перспективных параметров развития агроэкосистемы на уровне районного АПК или отдельных сельскохозяйственных предприятий применительно к условиям Центрального Черноземья следует использовать апробированные в данной работе методы статистического анализа массовых производственных данных и, в частности, математическое моделирование, которое позволяет экспериментально обосновать значения экологических факторов и критериев, определяющих допустимый рост интенсивности производства молока.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пашкова М.И. Методы сбора информации, описывающей параметры биосистемы «корм->животпое» II В сб.; Улучшение продуктивных качеств, профилактика и лечение болезней сельскохозяйственных животных.- Курск: Изд-во КГСХА, 2003. - С.76-78.

2. Привало К.И., Пашкова М.И. Трансформация энергии в пределах бно-систсмы «растение-ж:iвотное»// В сб.: Формирование и развитие аграрного рынка,- С. - Петербург, 2002, - С. 203.

3. Привало К.Я, Привало O.E., Пашкова М.И., Мамонова Л.Г. Особенности моделирования АПК в виде функционально взаимосвязанных биосистем/ // В сб.: Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения.- Белгород: Изд-во БГСХА, 2002. - С.66-67.

4. Привало К.И., Кузнецова B.C., Москалев A.A., Пашкова М.И. Эффективность использования высокоэнергетических рационов в кормлении молочного скота И BicKHK Сумського нашональиого аграрного ушверсгтегу. Науково-методичней журнал, серя «Тваринннитво», вып.б. - Сумы, 2002, - С,485-488,

5. Привало O.E., Москалев A.A., Привало К.И., Пашкова М.И., Кузнецова B.C. Эффективность производства молока в зависимости от качества используемых кормов/ //В сб.: Современные проблемы ветеринарной диетологии и нутрицнологии. - С.- Петербург, 2003. - С. 179-180.

Формат 60x84 1/16, Бумага для множительных аппаратов. Печать на копировальном аппарате КГСХА. Усл. печ. л, 1Д Уч.-изд. л. IД Тираж [00 экз.

30 3 9