Биоэнергия

Урожай культур и факторы. лимитирующие урожай

Производство первичной биомассы. Общее количество биомассы (в пересчете на сухое вещество), производимой в биосфере, составля­ет по расчетам около 110 млрд. т в год, из которых около 4 млн. т про­изводится на обрабатываемой площади. Категории биомассы представле­ны в таблице 11 [3, 9]; основная ее доля приходится на леса и океаны. Если принять среднюю теплотворную способность биомассы равной 18 ГДж/т (сухое вещество), то общая энергетическая характеристика мировой биомассы выразится величиной 2000 млрд. ГДж в год.

Средняя эффективность превращения падающей радиации равна примерно 0,04%. Малая доля этой энергии, получаемая человеком от лесного и сельского хозяйства, эквивалентна примерно 70 млрд. ГДж; это количество энергии значительно меньше общей энергии, используе­мой человеком в форме топлива (около 300 млрд. ГДж). Однако лесное и сельское хозяйство представляют основную часть человеческой дея­тельности. С точки зрения производства энергии, результат незначитель-

Таблица п. Чистое производство первичной биомассы в различных условиях окружающей среды

Источник биомассы

109 т сухого вещества

В год

Леса

31,4

Залесенные территории, са­

Ванны и луга

8,9

Тундры, пустыни, скалы,

Льды и т. д.

1,1

Культивируемые площади

4,1

Болота, марши, озера и т. д.

2,8

Океаны Примерно 62

Ный, но с точки зрения производства продуктов питания и кормов для животных, он значителен.

Производство материалов с содержанием энергии, аналогичным содержанию энергии в ископаемом топливе, означало бы революцию в мировом сельском и лесном хозяйстве. Сравнение показателей содер­жания энергии в обычных видах топлива и в различных формах биомас­сы представлено в главе 1.

Урожай с 1 га. Низкая эффективность превращения энергии излу­чения биосферой является результатом низких урожаев растительной массы с гектара. В таблице 12 показаны урожаи, составляющие от 5 до 80 т сухого вещества с 1 га в год на площадях, покрытых раститель-

Таблица 12. Урожай фотосиитетической биомассы (включая корни) в различных условиях окружающей среды

Урожай, т

Источник биомассы

Сухого вещества

В год с 1 га

Тропический лес

10 — 25

Тропическое сельское хозяй­

Ство

20-80

Лес умеренной зоны

5-20

Сельское хозяйство умерен­

Ной зоны

10-30

Пустыня

0,01-0,02

Океан

1-2,5

Саванны и луга.

4-16

Тундра

0,05-2,0

Ностью, в сравнении с урожаями от 0,01 до 2,5 т в год в океанах, пусты­нях и тундре [9]. Даже урожай 10 т в год дает только около 180 ГДж/га в год энергии.

Максимальное количество углеводов, полученных в результате фото­синтеза в лаборатории при красном свете, соответствует эффективности энергии превращения 27% (10 квантов/моль фиксированной С02). В сельском хозяйстве максимальные урожаи за короткие периоды эк­вивалентны только примерно 10% общей видимой радиации. В течение вегетационного периода эффективность превращения энергии может упасть до 0,9 — 1,6 % для культур умеренного климата и до 5 % для тро­пических культур [9]. В условиях резкого недостатка влаги в пусты­нях или недостатка питательных веществ в океанах указанные значения могут снизиться в 20 раз. Растительные сообщества умеренных зон, несмотря на среднюю эффективность превращения солнечной энергии, равную примерно 1 %, в условиях интенсивного возделывания могут иметь значительно более высокий показатель эффективности.

Общая продукция фотосинтеза целиком в условиях сельского и лесного хозяйства обычно не собирается. Значительная ее часть остается на месте, перегнивает и возвращается в почву в виде питательных ве­ществ и углерода. Продукция фотосинтеза, используемая человеком, зависит от культуры: у деревьев — стволы, у зерновых культур — зерно, у картофеля — клубни. Остальные части растений могут найти менее выгодное применение (например, солома или силос), но ценность расте­ния определяется урожаем наиболее ценных ег© частей. В таблице 13

Таблица 13. Рекордные и средние урожаи осиоввых культур в США

Рекордный

Рекордный

Средний

Культура

Урожай сырой

Сбор сухого

Урожай сухой

Массы, т/га

Вещества, т/га

Массы, т/га

Кукуруза

19,3

18

4,4

Пшеница

14,5

14

1,8

Соя

7,4

6,4

1,4

Картофель

94,1

19

5,7

Сахарная свекла

121

29

10

Показаны рекордные и средние урожаи основных культур в США [10]. В таблице также показан сбор сухого вещества [11]. В других странах урожаи часто ниже, чем те, которые считаются допустимыми в США. Средние урожаи пшеницы и кукурузы в основных странах-производите­лях приведены® таблицах 14 и 15 [12].

Порядок показателей урожайности по обеим культурам является аналогичным, а энергосодержание собранной продукции составляет от

Таблица 14- Средний урожай пшеницы в основных

Страиах-производителих

Страна

Средний урожай пшеницы, т/га

Нидерланды Великобритания Франция США

Аргентина Австралия Турция

4,4 4,0

3.0 1,7 1,6 1,2

1.1

Таблица 15. Средний урожай кукурузы в основных странах-производителях

Страна

Средний урожай кукурузы, т/га

Канада

США

Румыния

Бразилия

Южная Африка

Индия

4,7 4,3 1,9 1,3 1,2 1,0

18 до 80 ГДж/га (несоответствие данным таблицы 13 объясняется ис­пользованием иных источников информации). Средние урожаи стволо­вой древесины и сельскохозяйственных культур в США аналогичны и составляют от 3 до 4 т/га в год [13]. Однако деревья обычно выра­щивают на более бедных почвах, чем те, которые отводятся под сель­скохозяйственные культуры.

Лимитирующие факторы. Большинство растений растет в среде, являющейся в какой-то степени неблагоприятной для их развития [8]. Хотя адаптация и позволяет растениям выживать в более неблагоприят­ных условиях, процесс ее может происходить за счет потери урожая био­массы. Считается, что растения, произрастающие в естественных усло­виях, обладают скорее высокой способностью к воспроизводству, чем способностью давать высокий урожай. В течение столетий человек отби­рал растения, дававшие высокий урожай тех частей растения, в которых он был заинтересован. Урожай как в естественных условиях, так и в Условиях, созданных человеком, связан с генетическим строением растения, а также со степенью удовлетворения его потребностей. Физи­
ческие потребности растения — это потребности в свете, тепле и субстра те для закрепления стебля и корней (желательно, чтобы субстрат обла дал ионообменными свойствами для связывания питательных веществ), Химические потребности — это потребности в воде, диоксиде углерода, кислороде и минеральных элементах питания. Факторы, ведущие к за­медлению роста в благоприятных условиях окружающей среды, — это сорняки, болезни, вредители, сильные ветры, засоленность, и щелочность почвы, присутствие токсических соединений. В США была разработана классификация площадей [10] в соответствии с наличием лимитирую­щих факторов (табл. 16). Только 12% почв свободны от влияния фак­торов, лимитирующих беспрепятственное пополнение питательных ве­ществ, вынесенных с урожаем.

Таблица 16. Факторы, лимитирующие урожайность в США

Площади, находящиеся под воздействием лими­тирующего фактора, %

Засуха

Малоплодородные почвы Низкие температуры Высокая влажность Засоленность, щелочность

Ослабление действия лимитирующих факторов. Во всем мире вода считается фактором, наиболее часто ограничивающим рост растений, и орошение в значительной мере способствует повышению урожайности культур. Однако орошение стоит дорого, а грунтовые и поверхностные воды, необходимые для орошения, во многих частях мира не могут удовлетворить существующих потребностей ввиду их малых запасов. Обеспечение водой требует затрат энергии. При неблагоприятных усло­виях дренажа орошение вызывает серьезные проблемы, связанные с засолением; это, в свою очередь, ограничивает размеры площадей, где может проводиться орошение.

Лимитирующий фактор

Там, где лимитирующим фактором является климат, трудно обой­тись без создания дорогостоящих инфраструктур. В условиях умеренных зим могут быть использованы теплицы для выращивания ценных тепло­любивых культур. В условиях чрезмерно жаркого климата для произ­водства тех же культур используются теплицы, оборудованные охлади­тельными устройствами с использованием специальных испарителей [14]. Оба варианта требуют больших затрат энергии и не годятся для производства биотоплива.

Развитие технологии за последние годы облегчило до некоторой сте­пени борьбу с сорняками, вредителями и болезнями. Тем не менее мы стоим перед необходимостью постоянной разработки новых методов. Их использование также требует расходов дополнительных количеств энергии.

Для постоянного получения высоких урожаев необходимо систе­матическое внесение удобрений. Основными минеральными питательны­ми веществами являются азот, фосфор и калий. Внесение этих элементов в почву в сочетании с орошением, селекцией растений и механизацией явилось основной причиной резкого повышения урожайности культур в текущем столетии. Производство удобрений требует затрат больши:. количеств энергии (восстановление атмосферного азота или переработка минералов, содержащих фосфор и калий). Было внесено предложение использовать остатки фосфатных руд только для нужд сельского хозяй­ства, теГк как ресурсы фосфатов являются даже более ограниченными, чем энергетические ресурсы [15].

Кроме факторов окружающей среды, лимитирующих урожай, су­ществуют также человеческие факторы. Одним иЗ наиболее важных человеческих факторов является болезнь. Существенным препятствием развитию сельского хозяйства в тропиках и основным лимитирующим фактором заселения значительных территорий тропической зоны явля­ются такие болезни, как эндемическая речная слепота и трипаносомиаз [4].

Как указывалось выше, действие факторов, лимитирующих получе­ние высоких урожаев, может почти всегда быть смягчено при определен­ных затратах. Растения можно обеспечить водой, питательными вещест­вами, теплом, диоксидом углерода и т. д. и получить высокий урожай. Издержки оправдываются стоимостью продукции. Однако издержки мо­гут измеряться с точки зрения энергетических затрат; к этой теме мы вернемся позднее при полной оценке энергетических затрат в сельском и лесном хозяйстве.

Биоэнергия

Анаэробное разложение биомассы

Применение метода анаэробного разложения биомассы в развиваю­щихся странах. Издержки производства при использовании небольших реакторов определить нелегко. По имеющимся данным, начиная с 1972 г. в Китае было построено семь миллионов небольших …

Моторный спирт

Из всех процессов производства биотоплива процесс превращения углеводов растений в моторный спирт, по-видимому, в наибольшей степени завладел общественным мнением и значительно укрепил статус биоэнергии. Благоприятные экономические показатели в Бразилии и …

Растительные масла

Растительные масла, каучук, эфирные масла и-растительные воска имеются в продаже по доступным ценам. Сравнение цен на некоторые продукты-приводится в таблице 48. Разница в цене между дешевыми растительными и минеральными маслами …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.