Биоэнергия: технология, термодинамика

УРОЖАЙ КУЛЬТУР И ФАКТОРЫ. ЛИМИТИРУЮЩИЕ УРОЖАЙ

Производство первичной биомассы. 0(лцее 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. ГДжв 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-

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-

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 его частей. В таблице 13

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-производите - лях приведены® таблицах 14 и 15 [12].

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

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 за медлению роста в благоприятных условиях окружающей среды, — это сорняки, болезни, вредители, сильные ветры, засоленности 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 фак торов, лимитирующих беспрепятственное пополнение питательных ве­ществ, вынесенных с урожаем.

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 усло - Ьиях дренажа орошение вызывает серьезные проблемы, связанные с засолением; это, в свою очередь, ограничивает размеры площадей, где может проводиться орошение.

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 болыциг. количеств энергии (восстановление атмосферного азота или переработка минералов, содержащих фосфор и калий). Было внесено предложение использовать остатки фосфатных руд только для нужд сельского хозяй­ства, т£к 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.