Biotechnological complex based on renewable energy sources used for intellectual grassland farming in desert and semi desert zones

Dorzhiev Sergei Sodnomovich PhD in Technical Science Leading Research Fellow at the Federal Agricultural Engineering Center of the All-Russian Institute for Mechanization  109428, Russia, g. Moscow, pr-d 1-I institutskii, 5 DSS.61@mail.ru Bazarova Elena Gennadjevna PhD in Technical Science Leading Research Fellow at the Federal Agricultural Engineering Center of the All-Russian Institute for Mechanization    109428, Russia, g. Moscow, pr-d 1-I institutskii, 5 bazelgen08@mail.ru

Rozenblum Mariya Igorevna Leading Engineer at the Federal Agricultural Engineering Center of the All-Russian Institute for Mechanization    109428, Russia, g. Moscow, pr-d 1-I institutskii, 5 Maryrozenblum@mail.ru

Введение. Пастбищное животноводство, как показывает мировая практика и опыт поколений, одно из самых рентабельных областей в производстве животноводческой продукции, так как затраты на ее производство на 40—50% меньше чем при стойловом содержании ^{[1, с.18-29]}.

Практическую осуществимость восстановления пастбищного животноводства подтверждает современная сельскохозяйственная практика. Этот вид хозяйствования продолжает давать 70% мирового производства мяса, шерсти и шкур. Аборигенное животноводство эффективно используется в современном Китае и Монголии, в наиболее устойчивых животноводческих предприятиях юга России.

Производительность пастбищ, полей и кормовых культур сильно зависит от климатических условий. Постепенное сокращение летних осадков и увеличение потепления в вегетационный период может вызвать снижение производительности пастбищ и увеличение голых земель. Рамочная Конвенции ООН об изменении климата (UNFCCC 2007) прогнозирует, что будет снижаться продуктивность пастбищных угодий в полузасушливых и засушливых районах Азии до 40—90% при увеличении температуры на 3°С в сочетании с сокращением летних осадков ^{[2, с.3-16]}.

Неоправданное изменение специализации животноводческой отрасли, замена пастбищной технологии сезонного использования сельскохозяйственных угодий стационарной, увеличение масштабов земледелия, регулярного орошения, перегрузка пастбищ во многих странах привели к потере устойчивой среды обитания. В результате нерационального землепользования пастбищные угодья деградировали, значительно потеряв биологическую и экономическую продуктивность ^{[3, с.28-34]}. 70% засушливых земель в мире или около 3,6 млрд га подвержены процессу деградации. Глобальной проблемой стало возникновение антропогенных пустынь.

Вышеизложенные проблемы заставляют многие страны мира, включая Россию, стремиться предпринимать адекватные действия в области устойчивого землепользования, используя как новые, так и традиционные природосберегающие технологии ^{[2, с.3-16]}.

Цель работы: создание благоприятных условий для пастбищного животноводства в пустынях и полупустынях путем комплексного окультуривания с использованием возобновляемых источников энергии.

Задачей является разработка биотехнологического комплекса для интеллектуального пастбищного животноводства, включающего окультуривание деградировавших земель, пустынь, полупустынь, создание благоприятного экологического каркаса для разведения сельскохозяйственных животных, системы мониторинга, водоснабжения и прочей инфраструктуры на базе возобновляемых источников энергии.

Новизна исследования заключается в теоретическом обосновании основных элементов цифровой интеллектуальной системы, их характеристик и функций, которые позволят реализовать задачу по повышению энергообеспеченности пастбищного животноводства.

Материалы и методы. В различных почвенно-климатических (природных) зонах и высотных поясах основой питания выпасающихся животных являются естественные кормовые угодья, распределенные неравномерно. Уровень продуктивности пастбищной растительности определяется условиями увлажнения и теплообеспеченностью растительных сообществ. Благоприятные условия для продукционного процесса растений: фотосинтеза, дыхания, транспирации, роста, а также увлажнения и аэрации почвы создаются благодаря пропорциональности тепла и влаги. В других природных зонах отмечается диспропорция между величиной радиационного баланса и увлажнением, вызываемая как нарастающим избытком к северу, так и увеличивающимся недостатком увлажнения (осадки) к югу от зоны широколиственных и мелколиственных лесов ^{[3, с.28-34]}. Так под воздействием солнечной радиации в пустынях почва на глубине до 0,5 м, где размещается корневая система растений, прогревается до 70-80 оС, корни растений слабо приживаются даже при интенсивном орошении, т.к. влага быстро испаряется. В ночное время воздух над поверхностью земли охлаждается до —10 ºС.

Вопросами улучшения теплового режима почвы в России много занимались А. И. Воейков и Г. А. Любославский. По мнению А. И. Воейкова орошение пустынь и сухих степей должно серьезно понизить температуры почвы и воздуха, уменьшить их амплитуду, повысить влажность почвы и воздуха. Регулирование климата почвы в теплое время года имеет целью создать благоприятные условия для роста, развития и урожая культурных растений. Осуществляется это рядом агротехнических мероприятий: изменением растительного покрова, обработкой почвы, мульчированием, поливом, созданием защит из растений, осушением и др. ^{[4, с.29-38]}.

Степень нагревания почвы зависит от ее теплоемкости, теплопроводности, а верхнего слоя - и от излучения. Сухие почвы быстрее нагреваются, затем быстро охлаждаются. На распределение температуры также влияет ориентировка склонов по отношению к странам горизонта, крутизна и экспозиция склонов ^[5].

Пояс постоянной температуры - уровень Земли, температура которого равна среднегодовой температуре данной местности. Глубина расположения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от первых метров до 20-30 м. ^{[6, с.50-52]}. Глубина проникновения годового хода температуры почвы составляет в южных широтах — примерно 10 м. Ниже этих глубин лежит слой постоянной годовой температуры, где не только суточные, но и годовые колебания температуры не наблюдаются ^[7]. Среднегодовая температура у поверхности земли в пустынях варьируется в пределах 13—20 оС ^[8]. Выше пояса постоянных температур располагается зона сезонного изменения грунта. В таблице приведены температуры грунта на глубинах 0,05, 0,8, 1,2 и 1,6 м в разные месяцы в различных аридных регионах.

Таблица 1

Среднемесячные температуры грунта на различных глубинах

Результаты и обсуждение. Для поддержания комфортных температур плодородных горизонтов 0,2-0,5м в пределах 25⁰С предлагается использовать естественную температуру нижних горизонтов грунта с использованием термосифонов и антигравитационных тепловых труб (АГТС) или контурные тепловые трубы (КТТ).

Контурные тепловые трубы (КТТ) - это теплопередающие устройства, работающие по закрытому испарительно-конденсационному циклу и использующие капиллярные силы для транспортировки теплоносителя. Данные устройства нашли успешное применение в системах терморегулирования космических аппаратов ^[9].

Принцип действия антигравитационной тепловой трубы (АГТС) основан на использовании капиллярных сил. В испарителе находящийся в контуре легкокипящий хладагент, вскипая, отнимает тепло от верхнего прогретого солнечной радиацией слоя почвы. Под воздействием возникающей при этом разности давлений пар направляется от испарителя вниз к конденсатору, где он конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования нижнему горизонту грунта с температурой, равной среднегодовой температуре воздуха ^[10]. Для большинства полевых сельскохозяйственных культур оптимальная температура днем составляет 25°С, ночью — 16-18°С. Далее под воздействием капиллярных сил хладагент по капиллярам в виде канавок, расположенных вдоль внутренних стенок антигравитационной тепловой трубы, поднимается наверх в испаритель, где повторяется цикл теплообмена между верхним и нижним слоями грунта. Хладагент подбирается таким образом, чтобы температура кипения равнялась температуре верхнего нагретого солнечной радиацией слоя грунта.

При содержании сельскохозяйственных животных на пастбищах определяются следующее основные задачи:

- Водоснабжение, обводнение и орошение территорий;

- Мониторинг параметров окружающий среды, оценка кормовых запасов, в том числе видеомониторинг от преступных посягательств в реальном режиме времени;

- Аккумулирование водных ресурсов, поддержание экологического каркаса;

- Охрана и мониторинг здоровья животных. Снижение вредного влияния резких колебаний погоды;

- Инфраструктура и связь;

- Организация социально-бытовых условий для персонала;

- Передача данных в автоматическом режиме на центральные посты связи.

Несмотря на то, что пастбищное животноводство в условиях российских реалий является экономически выгодным, в настоящее время отсутствует единый подход к формированию системы технического оснащения в системе инфраструктуры пастбищного и отгонного животноводства, а также не определен порядок и методический принципы проведения технических экспертиз по выбору и оценке технических средств, предлагаемых для оснащения инфраструктуры.

Для обоснования требований к техническим средствам (ТС) необходимо провести анализ всей системы пастбищного и отгонного животноводства, ее структуры, показателей, принципов функционирования.

Комплектация ТС, необходимые для оснащения интеллектуальных пастбищ отгонного животноводства проводится по модульному принципу, т. е. создается мобильный комплекс ТС.

Предлагаемый состав комплекса:

• энергетический модуль (многоустановочные ветроэнергетические ус-тановки с вихревым ускорителем).

• модуль связи;

• система для обеспечения водой и водоотвод;

• модуль оценки кормовых запасов;

• блок мониторинга

• система АГТС для регулировки температуры почвы

Выводы. Опустынивание, деградация земель, а также постоянный рост населения и возникающие в связи с этим потребности в продовольствии предусматривают поиск новых природосберегающих технологий в области окультуривания почв и восстановления пустынь для создания пастбищ.

Биотехнологический комплекс для интеллектуального пастбищного животноводства, включающий создание благоприятного экологического каркаса для разведения сельскохозяйственных животных (в частности использование антигравитационных тепловых труб для понижения температуры почвы до благоприятной для роста кормовых культур), системы мониторинга, водоснабжения и прочей инфраструктуры на базе возобновляемых источников энергии может быть эффективно применен для освоения пустынь и полупустынь для интеллектуального пастбищного животноводства.