Вплив різних методів боротьби з бур’янами на енергоефективність та навколишнє середовище в органічному виробництві цукрових буряків (частина 2)

 

За матеріалами статті на тему «Вплив механічних та інтелектуальних методів боротьби з бур’янами на енергоефективність та навколишнє середовище в органічному виробництві цукрових буряків» («Influence of mechanical and intelligent robotic weed control methods on energy efficiency and environment in organic sugar beet production») онлайн журналу «Сільське господарство» («Agriculture»), 11, 2021 р.

Урожайність цукрових буряків

Захист рослин та обраний спосіб боротьби з бур’янами впливають на врожайність цукрових буряків. Аналітичні розрахунки показали, що найвища середня врожайність буряків (65,2 т/га-1) була передбачена у варіантах із використанням роботизованих методів боротьби з бур’янами (E6, E7), коли механічне міжрядне розпушування проводилося за допомогою дизельних та електричних роботів (Рис. 3). Найнижча середня врожайність цукрових буряків (33,5 т/га-1) у 2015 та 2017 роках була зареєстрована після застосування міжрядного обрізання та мульчування бур’янами (Е2), а в 2016 році — після застосування міжрядного обрізання та мульчування проміжною культурою (E3) (36,4 т/га-1). Такі значні відмінності між показниками врожайності були спричинені метеорологічними умовами. Значні відмінності в урожайності органічного цукрового буряка (р < 0,05) були виявлені лише шляхом порівняння методів механічної боротьби з бур’янами з іншими методами — Е2, Е3 та Е4, за винятком Е1 та Е4.

Рис. 3. Середня урожайність цукрових буряків за різних методів боротьби з бур’янами. E1 — механічна боротьба з бур'янами (міжрядне розпушування), E2 — механічна боротьба з бур'янами (міжрядне обрізання та мульчування бур'янами), E3 — пригнічення бур'янів (міжрядне обрізання та мульчування проміжною культурою), E4 — термічна боротьба з бур'янами (термічна обробка), E5 — міжрядне розпушування (автоматичне), E6 — міжрядне розпушування (робот на дизельному двигуні) та E7 — міжрядне розпушування (електричний робот).

Індикатори енергії

Загальне середнє споживання енергії під час виробництва цукрових буряків за трирічний період, незалежно від методів боротьби з бур’янами, коливалося від 26 671 МДж/га-1 до 29 615 МДж/га-1 (Рис. 4). Найбільша частка витрат енергії припадає на органічні добрива (48-53%) та дизельне паливо (29-35%). Споживання енергії сільськогосподарською технікою становило в середньому 14,7% від загальних витрат енергії та залежало від загального робочого часу на гектар.

Рис. 4. Вплив методів боротьби з бур’янами на витрати енергії під час виробництва органічних цукрових буряків. E1 — механічна боротьба з бур'янами (міжрядне розпушування), E2 — механічна боротьба з бур'янами (міжрядне обрізання та мульчування бур'янами), E3 — пригнічення бур'янів (міжрядне обрізання та мульчування проміжною культурою), E4 — термічна боротьба з бур'янами (термічна обробка), E5 — міжрядне розпушування (автоматичне), E6 — міжрядне розпушування (робот на дизельному двигуні) та E7 — міжрядне розпушування (електричний робот).

З урахуванням робочого часу, електроенергії, цукрових буряків та проміжних культур витрати енергії становили незначну частку від загального енергоспоживання — 2,4%. У даному дослідженні середній приріст чистої енергії становив 171 879 МДж/га-1, а середня енергопродуктивність виробництва цукрових буряків — 1,83 кг/МДж-1. Застосування міжрядного розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні (E6) мало найвищу енергопродуктивність — 2,41 кг/МДж-1, досягнуту, коли середня за три роки урожайність буряків склала 65,2 т/га-1. Співвідношення відновлюваних джерел енергії до загальних витрат енергії було найвищим (53,7%) при застосуванні автоматизованого міжрядного розпушування з камерами (E5).

Відновлювані джерела енергії можуть використовуватися повторно, однак вони досить обмежені. Співвідношення невідновлюваних джерел енергії було найвищим (51,4%) при застосуванні міжрядної термічної обробки (E4).

Визначення коефіцієнта енергоефективності вказує на те, чи технологія виробництва рослин отримує (> 1), чи втрачає енергію (< 1). Застосовуючи різні методи боротьби з бур’янами для органічного виробництва цукрових буряків, найвищий коефіцієнт енергоефективності (Рис. 5) був досягнутий при механічному міжрядному розпушуванні дизельним роботом (Е6) (9,16), а найменший — при міжрядному обрізанні та мульчуванні бур’янами (E2) (5,19).

Рис. 5. Вплив методів боротьби з бур’янами на коефіцієнт енергоефективності. E1 — механічна боротьба з бур'янами (міжрядне розпушування), E2 — механічна боротьба з бур'янами (міжрядне обрізання та мульчування бур'янами), E3 — пригнічення бур'янів (міжрядне обрізання та мульчування проміжною культурою), E4 — термічна боротьба з бур'янами (термічна обробка), E5 — міжрядне розпушування (автоматичне), E6 — міжрядне розпушування (робот на дизельному двигуні) та E7 — міжрядне розпушування (електричний робот).

Парникові викиди

Результати розрахункових викидів парникових газів представлені на Рис. 6. Оцінка різних методів боротьби з бур’янами в органічному виробництві цукрових буряків показала, що завдяки високій концентрації азоту органічні добрива були найважливішим фактором. Загальні парникові викиди від органічного виробництва цукрових буряків становили від 4 471 до 4 693 кг CO2/га-1, залежно від застосовуваного методу боротьби з бур’янами.

Найкращі показники викидів парникових газів, які свідчили про стійкість технології виробництва органічних буряків, були досягнуті при застосуванні механічного міжрядного розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні (E6) (5,80), електричного робота (E7) (5,56) та автоматизованого розпушування міжрядь (E5 ) (5,49) (Рис. 7).

Рис. 6. Вплив методів боротьби з бур’янами на викиди парникових газів у навколишнє середовище. E1 — механічна боротьба з бур'янами (міжрядне розпушування), E2 — механічна боротьба з бур'янами (міжрядне обрізання та мульчування бур'янами), E3 — пригнічення бур'янів (міжрядне обрізання та мульчування проміжною культурою), E4 — термічна боротьба з бур'янами (термічна обробка), E5 — міжрядне розпушування (автоматичне), E6 — міжрядне розпушування (робот на дизельному двигуні) та E7 — міжрядне розпушування (електричний робот).

Рис. 7. Вплив методів боротьби з бур’янами на коефіцієнт викидів парникових газів. E1 — механічна боротьба з бур'янами (міжрядне розпушування), E2 — механічна боротьба з бур'янами (міжрядне обрізання та мульчування бур'янами), E3 — пригнічення бур'янів (міжрядне обрізання та мульчування проміжною культурою), E4 — термічна боротьба з бур'янами (термічна обробка), E5 — міжрядне розпушування (автоматичне), E6 — міжрядне розпушування (робот на дизельному двигуні) та E7 — міжрядне розпушування (електричний робот).

Обговорення

У цьому розділі розглядається вплив семи різних механічних, термічних та інтелектуальних робототехнічних методів боротьби з бур’янами на витрати палива, енергоспоживання, парникові викиди та урожайність під час органічного виробництва цукрових буряків. Основним обмеженням дослідження було те, що неможливо було проводити дослідження всіх методів в однакових умовах. На дослідному полі проводилися дослідження чотирьох методів боротьби з бур’янами E1-E4 (міжрядного розпушування (E1), міжрядного обрізання та мульчування бур’янами (E2), міжрядного обрізання та мульчування проміжною культурою (E3) та міжрядної термічної обробки (E4)), результати були отримані в реальних ґрунтово-кліматичних умовах. Тим часом для порівняння автоматизованих та роботизованих методів боротьби з бур’янами E5-E7 (автоматичне міжрядне розпушування за допомогою камер відстеження рядків (E5), міжрядне розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні (E6) та міжрядне розпушування за допомогою робота на сонячній енергії (E7)) через відсутність обладнання, урожайність цукрових буряків та інші результати, необхідні для даного дослідження, були розраховані на основі даних інших досліджень.

Споживання палива

У контексті споживання палива найбільш енергоємною технологічною операцією було транспортування, яке становило близько 35,5% від загального обсягу витрат палива, потім збирання врожаю (26,9%) та оранка (13,6%). Решта палива йде на підготовку землі до посівної, внесення органічних добрив, посівну та боротьбу з бур’янами та становить близько 24% від загальних витрат палива. Метод боротьби з бур’янами E7 мав найнижчу витрату палива завдяки використанню електричного робота. Автоматизоване міжрядне розпушування мало найнижчу витрату палива, порівняно з іншими методами з використанням дизельного палива, оскільки використання візуальних камер для відстеження рядків дозволяє працювати з більшою швидкістю. Результати раніше проведених досліджень показали, що автоматичне контрольоване видалення бур’янів на 7-15% ефективніше при 8 км/год-1, а не при 4 км/год-1. З екологічної точки зору найбільш забруднюючим методом боротьби з бур'янами була міжрядна термічна обробка (Е4) через низьку робочу швидкість.

Аналізуючи відсоток споживання дизельного палива для боротьби з бур’янами, найбільші витрати палива, які становили 18,65%, було виявлено під час міжрядної термічної обробки (Е4), потім слідують міжрядне розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні (9,36%) (E6) та звичайне міжрядне розпушування (E1) (9,12%).

Урожайність цукрових буряків

В ЄС середня врожайність органічного цукрового буряка становить близько 50 т/га-1. У даному дослідженні було встановлено, що врожайність буряків залежала від методів боротьби з бур’янами і коливалася від 65,2 т/га-1 (Е6 та Е7) до 33,5 т/га-1 (Е2). При використанні хімічних методів боротьби з бур’янами врожайність цукрових буряків коливається від 27,2 до 73,7 т/га-1, а найменша врожайність була виявлена в контрольному зразку (20,7 т/га-1). Дослідження врожайності цукрових буряків при застосуванні ручного контролю бур’янів, проведені в Чехії, виявили, що врожайність цукрових буряків може коливатися в середньому від 38,9 до 63,2 т/га-1. Було виявлено, що втрати врожайності можуть різнитися залежно від регіону вирощування цукрових буряків. Польові випробування, проведені в Німеччині та Росії, показали, що врожайність буряків була вищою в Німеччині (82,9-95,0 т/га-1), порівняно з отриманими показниками в Росії (37,9-54,6 т/га-1).

Найнижчу врожайність цукрових буряків (E2 та E3) можна пояснити значно швидшим розвитком бур’янів, порівняно з буряками, адже якщо бур’яни вчасно не знищити, вони можуть розсіюватися по всьому полі. Окрім того, що бур’яни зменшують врожайність та якість цукрових буряків, вони також можуть призводити до більших витрат робочої сили та значних фінансових збитків. Аналіз даних попередніх досліджень показав, що міжрядні культури, такі як бур'яни та проміжні посіви, конкурують із цукровим буряком та негативно впливають на його урожайність та цукристість.

У застосуванні різних методів боротьби з бур’янами важливим фактором є ущільнення ґрунту, що має значний вплив на ріст сільськогосподарських культур. Низька маса роботів, у порівнянні з традиційною великою та важкою сільськогосподарською технікою, дозволяє зменшити ущільнення ґрунту. Цукровий буряк чутливий до тиску ґрунту, через що зменшується листова поверхня, кінцева врожайність та параметри якості коренеплодів, вирощуваних на ущільнених ґрунтах. Візуальним показником ущільнення ґрунту є довжина коренів, на що впливає тиск коліс сільськогосподарських тракторів та машин. Контроль частоти та положення сільськогосподарської техніки в полі на чітко визначених коліях може допомогти зменшити ущільнення ґрунту. Ущільнення ґрунту має негативні наслідки, такі як зменшення пористості ґрунту, зменшення аерації, зниження насиченої гідравлічної провідності тощо. Як правило, ущільнення ґрунту призводить до негативних умов росту та розвитку рослин завдяки високій механічній стійкості коренів, зменшенню аерації ґрунту та накопичення води.

Енергетична оцінка

Найбільше споживання енергії було виявлено при міжрядному розпушуванні за допомогою робота на сонячній енергії (E7) (29 615 МДж/га-1) та міжрядній термічній обробці (E4) (29 499 МДж/га-1). Це було викликано тим, що робоча швидкість та продуктивність роботи були найнижчими при роботі з використанням робота на сонячній енергії та застосуванні термічних методів боротьби з бур’янами (E7 — 0,27 га/год-1; E4 — 0,52 га/год-1). Для порівняння, при застосуванні звичайного міжрядного розпушування (Е1) продуктивність роботи становила 0,80 га/год-1.

Орієнтовне загальне середнє споживання енергії 27 844 МДж/га-1 входить в діапазон значень споживання енергії, визначений іншими дослідниками: 11 100 - 35 800 МДж/га-1. Дослідження, проведені в Туреччині, показали, що при врожайності цукрових буряків 68 т/га-1 енергетична продуктивність становила 1,98 кг/МДж-1. Сербські дослідники, вивчаючи енергетичні та економічні показники виробництва цукрових буряків, визначили енергетичну продуктивність цукрових буряків 1,57 кг/МДж-1 при врожайності 48,2 т/га-1.

На показник коефіцієнта енергоефективності в основному впливала врожайність цукрових буряків. Значну різницю в енергоефективності (р < 0,05) було виявлено між методами автоматизованого робототехнічного міжрядного розпушування (автоматичне міжрядне розпушування за допомогою камер відстеження рядків (E5), міжрядне розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні (E6), міжрядне розпушування за допомогою робота на сонячній енергії (E7)) та міжрядним обрізанням та мульчуванням бур’янами (E2) та міжрядним обрізанням та мульчуванням проміжною культурою (E3).

Також була виявлена ​​суттєва різниця між міжрядною термічною обробкою (E4), автоматичним міжрядним розпушуванням за допомогою камер відстеження рядків (E5) та міжрядним розпушуванням за допомогою робота на дизельному двигуні (E6)). Вчені порівнювали звичайні та органічні методи вирощування цукрових буряків і виявили, що коефіцієнт енергоефективності в органічних посівах був значно нижчим — від 4,02 до 8,21. У даному дослідженні загальний коефіцієнт енергоефективності всіх технологій вирощування цукрових буряків становив 7,18. У Великобританії було виявлено, що цукровий буряк у середньому виробляє в 9,7 разів більше енергії, ніж споживає. Органічне виробництво цукрових буряків використовує більше енергії для боротьби з бур’янами та внесення органічних добрив.

У деяких випадках одного лише механічного методу боротьби з бур’янами може бути недостатньо. Цей спосіб не завжди може повністю знищувати всі бур’яни, що ростуть дуже близько до рослин у рядку. У таких випадках часто все ще використовується ручний метод боротьби з бур’янами.

Парникові викиди

На органічні добрива припадає найбільша частка парникових викидів — у середньому близько 83%. У менших масштабах, але все ще значних, навколишнє середовище забруднювалося дизельним паливом, машинами та насінням; 10%, 6,4% та 0,4% відповідно. На електроенергію та зріджений газ (LPG) припадає незначна частка викидів парникових газів. Вчені виявили, що у виробництві цукрових буряків системи, що використовують електроенергію для зрошення, мають найбільшу частку викидів парникових газів (73%), потім ідуть азотні добрива (15%) та дизельне паливо (7%).

Оцінка впливу методів боротьби з бур'янами на навколишнє середовище показала, що найбільший вплив на парникові викиди був пов'язаний з технікою та дизельним паливом. Що стосується викидів парникових газів від використання палива, то найчистішими методами боротьби з бур’янами виявилися міжрядне розпушування за допомогою робота на сонячній енергії (E7) та автоматичне міжрядне розпушування за допомогою камер відстеження рядків (E5), а викиди парникових газів від використання палива становили відповідно 416 та 447 кг CO2/га-1. Оцінка впливу самої техніки на навколишнє середовище показала, що найменше забруднення спостерігалося при міжрядному обрізанні та мульчуванні бур’янами (E2) та автоматичному міжрядному розпушуванні за допомогою камер відстеження рядків (E5),  відповідно 226 та 230 кг CO2/га-1, а найбільше — при міжрядному розпушуванні за допомогою робота на сонячній енергії (E7) (476 кг CO2/га-1). Це було головним чином спричинено дуже низькою продуктивністю електричного робота (0,27 га/год-1).

Результати коефіцієнтів парникових викидів зумовлені більшою врожайністю цукрових буряків, пов'язаною з автоматизацією процесу та меншими парниковими викидами. Дещо нижчий коефіцієнт викидів парникових газів (4,87) був отриманий під час звичайного механічного розпушування міжрядь (E1).

Суттєва різниця була виявлена лише при порівнянні міжрядного розпушування (E1), автоматичного міжрядного розпушування за допомогою камер відстеження рядків (E5), міжрядного розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні (E6) та міжрядного розпушування за допомогою робота на сонячній енергії (E7) з міжрядним обрізанням та мульчуванням бур’янами (E2), міжрядним обрізанням та мульчуванням проміжною культурою (E3) та міжрядною термічною обробкою (E4). Загальний середній коефіцієнт парникових викидів становив 4,47.

 

Висновки

У даному дослідженні було проведено аналітичний аналіз для визначення енергоспоживання та парникових викидів при органічному виробництві цукрових буряків. Було підраховано, що в середньому на виробництво органічних буряків витрачається 27 844 МДж/га-1 енергії, тоді як виділена енергія становила 199 724 МДж/га-1. Найбільшу частку споживання енергії склали органічні добрива (50,6%) та дизельне паливо (33,6%). Після оцінки ефективності використання енергетичних ресурсів із застосуванням різних методів боротьби з бур’янами було встановлено, що цукровий буряк можна вирощувати найбільш енергоефективним способом за допомогою робота на дизельному двигуні. Енергоефективність, енергопродуктивність та чистий приріст енергії дорівнювали 7,18, 1,83 кг/МДж-1 та 171 879 МДж/га-1 відповідно. Частка відновлюваної та невідновлюваної енергії у загальному споживанні енергії склали 51,7% та 48,3% відповідно.

Результати показали, що найнижче загальне споживання енергії (26 671 МДж/га-1) було отримано при використанні автоматичного міжрядного розпушування за допомогою камер відстеження рядків (E5). Тим часом найвищий коефіцієнт енергоефективності (9,16) був досягнутий при використанні робота на дизельному двигуні (Е6).

Найвищу врожайність органічних буряків (65,2 т/га-1) було виявлено у тих варіантах, де цукровий буряк вирощувався при застосуванні міжрядного розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні (E6) та робота на сонячній енергії (E7), а найменшу (33,5 т/га-1) — при застосуванні міжрядного мульчування бур'янами (Е2).

Аналіз парникових викидів показав, що загальні викиди парникових газів становили від 4 471 до 4 693 кг CO2/га-1, залежно від застосовуваного методу боротьби з бур’янами. Основним джерелом парникових викидів були органічні добрива — більше 80%. Найвища стійкість органічного виробництва цукрових буряків була досягнута при застосуванні міжрядного розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні (E6).

Дослідження показало, що інтелектуальні роботизовані методи боротьби з бур’янами, порівняно із звичайними методами, можуть зменшувати енергетичні витрати, збільшувати врожайність сільськогосподарських культур та скорочувати викиди парникових газів у навколишнє середовище, одночасно покращуючи якість навколишнього середовища та виробляючи органічні продукти харчування. Узагальнюючи результати аналізу, можна зробити висновок, що зменшення споживання дизельного палива та органічних добрив, таких як гній, є найважливішим фактором контролю викидів парникових газів в органічному виробництві цукрових буряків. Завдяки високій точності та невеликій масі машин, використання автоматизованих та роботизованих методів боротьби з бур’янами має перспективне майбутнє. Однак економічна ефективність, технологічна надійність та простота використання роботизованих методів боротьби з бур’янами у фермерських господарствах є важливими аспектами, які все ще потребують досліджень. Потрібні нові експериментальні дослідження для порівняння змін властивостей ґрунту та процесів його ущільнення за допомогою роботизованих та звичайних машин для захисту рослин. Також важливо оцінити та порівняти в реальних ґрунтово-кліматичних умовах вплив роботизованих методів на різницю в ефективності боротьби з бур’янами, робочому часі, споживанні енергії та парникових викидах.


690