ENERGETICKÉ TOKY A ENERGETICKÉ BILANCE V RŮZNÝCH ÚROVNÍCH

EKOSYSTÉMU, V ZEMĚDĚLSTVÍ A VYUŽITÍ KALORIMETRICKÝCH METOD PŘI

BILANCOVÁNÍ.

Zdeněk Strašil - A, Petr Homolka - B

A - Výzkumný ústav rostlinné výrobyB - Výzkumný ústav živočišné výroby

Charakteristickým znakem organizmu nebo celého ekosystému je, že v nich dochází ke vzájemné výměně hmoty a energie. Jsou to systémy termodynamicky otevřené, poněvadž do nich stále přicházejí energie. Na druhé straně dochází ke ztrátám energie především vyzařováním, biochemickými procesy a přeměnou hmoty.

V přirozených ekosystémech jsou vzájemné vztahy organizmů i vztahy organizmů k biotickému prostředí takové, že tok energie vytváří jasně definovanou potravní strukturu a druhovou rozmanitost. Složky ekosystému jsou ve vzájemných funkčních a trofických vztazích, jejichž důsledkem jsou prostorové vztahy a prostorová struktura.

V ekosystémech uměle vytvořených člověkem platí stejné zákonitosti jako v přirozených, ale rovnováha mezi jednotlivými složkami musí být uměle udržována činností člověka, který musí dodávat navíc nějakou formu energie, která se označuje jako dodatková energie.

ENERGETICKÉ BILANCE ZEMĚ

Z celkového obrovského zářivého toku ze slunce (3,8.1026 J.s-1) do prostoru dopadá neustále na povrch atmosféry země pouze asi jedna dvoumiliardtina. K povrchu atmosféry na plochu kolmou ke směru dopadajících paprsků se dostává během dne sluneční záření o průměrné hustotě 1,38 kJ.m-2.s-1 (= 1,38 kW.m2). Tato hodnota se nazývá solární (sluneční) konstanta. Prakticky veškeré sluneční záření je v oblasti vlnových délek 280 až 3 000 nm s maximem kolem 470 nm.

Kromě vstupů slunečního záření existují ještě další vstupy energie do ekosystémů. Je to tok tepla z nitra Země k povrchu, který teče i v noci, ale je velmi malý (4 . 10-2 J.m-2.s-1) a je 6 000 x menší než vstupy slunečního záření. Dále je to tok ohřevného tepla, který vzniká při dýchání všech živých organizmů. Další tok tepla do atmosféry je teplo uvolňované procesy spojenými s lidskou civilizací

(průmysl, doprava).

Schéma globální energetické bilance Země

EKOSYSTÉM Do ekosystému biosféry na právě osvětlené polovině povrchu

Země dopadá průměrně jenom 0,65 kJ.m-2s-1 (tj. 0,65 kW.m-2), tj. 47 % toku zářivé sluneční energie dopadající na horní hranici zemské atmosféry.

Sluneční záření dopadající na povrch země, tj. do ekosystému má určité spektrální složení. V průměru asi 9 % hustoty záření je ultrafialové záření, které má rozsah spektra 290 až 380 nm. Jeho podíl je malý, neboť je z větší části pohlceno v ionosféře a ozónosféře. Obě tyto vrstvy tvoří ochranný filtr před negativními vlivy tohoto záření na biosféru.

Maximum hustoty záření je v oblasti viditelného záření (průměrně 45 %), které má rozsah mezi 380 až 750 nm. Tomuto rozsahu odpovídá zhruba fotosynteticky aktivní záření (FAR). Jeho spektrální rozsah je dán absorpčními spektry fotosyntetických pigmentů, především chlorofylů. FAR Je jediným přímo využitelným zdrojem energie pro primární produkci, která začíná fotosyntetickými ději, a tedy i pro další potravní řetězce.

Asi 46 % představuje infračervení záření s vlnovou délkou delší než 750 nm. Skládá se z jednotlivých spektrálních pásů, protože bylo v atmosféře selektivně absorbováno vodní parou, oxidem uhličitým, kapičkami vody v mracích a prachem.

EKOSYSTÉM

Modifikace v ozáření povrchu půdy nebo porostu jsou způsobovány především lokálními vlastnostmi biotopu. Příkon energie je závislý na úhlu dopadajících paprsků. Závisí nejen na postavení slunce (měnící se nejen během dne a roku) a zeměpisné šířce, zeměpisné výšce ale i na úhlu sklonu ozařované plochy a expozici.

Jakmile dopadne sluneční záření do porostu rostlin, dochází nejen k jeho dalším modifikacím kvantitativním ale i také ke změnám v kvalitativním složení. Příkon sluneční energie, který byl dosud nezávisle proměnou se stává ekologicky závislou funkcí v ekosystému.

Do ekosystému dopadá přímé i nepřímé (tj. globální) sluneční záření, v němž je v průměru 45 až 49 % fotosynteticky aktivního (FAR) mezi 380 až 740 nm vlnové délky. Rostliny mohou teoreticky maximálně využít 13 % globálního záření ( 27 % absorbované energie FAR). Průměrné fotosyntetické využití FAR na vazbu energie fotosyntézou je však v reálných porostech a podmínkách mnohem nižší.

EKOSYSTÉM U rostlin je nejčastějším aktivním povrchem, na kterém dochází

k modifikaci, zelený list. Při dopadu záření na list dochází k reflexi (odrazu). Zelené listy odrážení 10 až 20 % kolmo dopadajících paprsků. Množství odražené energie závisí na postavení listu a na povaze povrchu listu. Největší část dopadající zářivé energie je v listech absorbováno. Všechna absorbovaná energie s výjimkou části vázané fotosyntézou je přeměněna na teplo. Záření také prochází listem (transmise). Prošlé záření je přeměněno nejen kvantitativně (je snížena hustota záření) ale i kvalitativně. Prošlé záření je složeno z vlnových délek kolem 500 nm, tj. v zelené oblasti spektra a z vlnových délek přes 800 nm, tj. z dlouhovlnné části červeného spektra.

Záření v nižších patrech spektra má proto zcela jiné specifické spektrální složení, kterému odpovídá adaptace rostlin zde rostoucích (heliofyty – slunobytné rostliny, heliosciofyty, sciofyty – stínobytné rostliny).

Záření pohlcené rostlinou nebo rostlinným porostem, s výjimkou záření využitého fotosyntetickými procesy a mimo nepatrného množství záření absorbovaného při morfogenetických procesech se mění na teplo. Pro popsání úplné energetické bilance porostu je sestavena bilanční rovnice. Energetické bilanční rovnice porostu platí v zásadě i pro celý ekosystém.

Energetická bilanční rovniceQN = Ik + Id - Ie - λE - H - P- F - R

V této rovnice je QN čistý příjem (tok) energie v porostu. Bude-li kladný, tj. vyšší než 0, porost se ohřívá, bude-li záporný, tj. nižší než 0, porost se ochlazuje. V dlouhodobém průměru je nulový.

Ik je iradiace (ozářenost) v oblasti viditelného záření (včetně FAR) a záření UV, pohlcená porostem jako přímé i difúzní sluneční záření. V noci je nulová.

Id je iradiace (ozářenost) v infračervené oblasti. Je to dlouhovlnné záření pohlcené porostem o vlnové délce větší než 3 000 nm, je to především tepelné záření atmosféry.

Ie je tepelné (infračervené) záření vydávané porostem (povrchem vegetace i půdou) do prostoru. Podle Stefan-Boltzmannova zákona je úměrné čtvrté mocnině absolutní teploty vyzařujícího povrchu, tj. průměrné teploty T aktivního povrchu porostu či rostliny.

Ie = εσT4 (kde ε je emisivita, vyjadřující odlišnost povrchu, σ je tabulková Stefan-Bolzmannova konstanta a T je absolutní teplota povrchu v Kelvinech).

λE je spotřeba latentního (skupenského) tepla výparu vodní páry při transpiraci a ostatním výparu (evaporaci) vody. Na výpar 1 g vody se spotřebuje veliké množství tepla (λ je přibližně 2,45 kJ.g-1).

H je výdej ohřevného (pocitového) tepla, tj. tepla projevujícího se zvýšením teploty okolního vzduchu. Je to tedy ohřívání vzduchu rostlinami.

P je záření pohlcené půdou. Ve dne je odvod tepla do půdy kladný, v noci záporný. V létě je celková tepelná bilance půdy kladná a v zimě záporná.

F (fotosyntéza) je čistá rychlost fotosyntetické vazby fotosynteticky aktivního záření (FAR), popř. dalších fotochemických procesů. Tvoří jen asi 0,5 až 10 % energie z pohlceného záření.

R (respirace) je rychlost vzniku tepla doprovázejícího dýchání a růst. Je relativně velmi malá.

Působení záření

Přímé účinky záření Fyziologické působení záření závisí na vlnové délce.

Ultrafialové záření (kratší než 380 nm) má morfogenní účinky a působí často destruktivně. Uvnitř oblasti viditelného záření je mezi 380 až asi 740 nm záření fotosynteticky aktivní (FAR), které vyvolává fotochemické reakce fotosyntézy. Blízké infračervené záření (blízko nad 1 000 nm) má opět značné morfogenní a fotoperiodické účinky (indukce kvetení, tvorba orgánů, klíčení).

Tepelné účinky pohlceného záření Spočívají v tom, že převážná část slunečního záření v

oblasti vlnových délek delších než 380 nm (tj. viditelného a ultračervené záření) je pohlcována rostlinami a půdou a mění se v teplo.

VYUŽITÍ FAR Při fotosyntéze je energie záření absorbována a

přeměňována ne energii chemických vazeb. Každému molu přijatého oxidu uhličitého odpovídá zisk potenciální energie rovnající se 114 kcal (477 kJ). Rychlost karboxylace (rychlost zpracování přijatého CO2) závisí především na přísunu CO2, koncentraci akceptoru a aktivitě enzymů. Efektivita tvorby energie záleží také na druhu rostliny a cestě asimilace (C3, C4, CAM), kterou tyto rostliny používají.

Pokud by bylo veškeré FAR pohlceno fotosyntetickým aparátem a použito na tvorbu nových chemických vazeb, potom biochemické a fotosyntetické procesy umožňují teoreticky využít jen 27 % absorbovaného záření FAR. Praktické využití FAR je však mnohem nižší. Tento jev způsobuje mnoho faktorů k nimž patří neúplná absorpce, dýchání, nelinearita závislosti fotosyntézy na ozářenosti FAR, transport produktů do místa spotřeby apod.

VYUŽITÍ FAR

Pro využití sluneční energie rostlinami byl definován koeficient využití energie slunečního záření (η) jako poměr obsahu energie v sušině čisté primární produkce ze sumy slunečního záření, obojí za stejný časový úsek, nejčastěji za vegetační období nebo za rok. Chceme-li vyjádřit efektivitu fotosyntetického využití FAR, je nutno sumu záření vyjádřit jako sumu FAR. Protože ve většině ekologických měření nejsou k dispozici měření FAR, ale převážně jen měření celkové globální radiace, lze převést globální záření na FAR násobením průměrným koeficientem 0,47.

Nejvyšší reálné hodnoty η vzhledem k absorbovanému FAR se uvádějí v mírném pásmu pro přirozený porost rákosu 4 až 7 %. Průměrné hodnoty koeficientu η typických biomů kolísají mezi 1,5 % pro tropický deštný prales až po 0,04 % u porostů polopouští. Lesy mají svou výškovou strukturou vyšší průměrné hodnoty (temporální opadavý les 1,0 %, boreální jehličnatý 0,75 %), savany a stepi 0,5 %. Hodnoty využití energie slunečního záření zemědělskými plodinami během vegetace se pohybují od 1 do 2,5 %. Vysoké produkci hodnoty byly zjištěny u cukrovky 2,5, pšenice 2,7 až 1,9, brambor 0,15 až 0,65, trvalých travních porostů 0,1 až 0,8. V krátkých časových úsecích vegetačního období plodiny lze dosáhnou značně vysokých hodnot. Pro období metání pšenice jsou udávány hodnoty využití energie slunečního záření 6,5 %, pro cukrovku 7 až 9 %.

Energetické bilance

Z hlediska stanovení využití sluneční energie ve vztahu k akumulaci energie do sušiny rostlinných orgánů a stanovit tak využití dopadajícího slunečního záření je nutné znát spalné teplo sušiny. V tomto případě se nevyužívá spalné teplo vyjadřované ve formě brutto energie, ale ve formě netto energie, tedy energie skutečně akumulované v rostlinách po odečtení popelovin.

Energetické bilance využití jak přirozených tak dodatkových energetických vstupů se mohou kalkulovat na různých úrovních od buňky, části rostlin, jednotlivých rostlin, částí ekosystému, celého ekosystému až po biosféru.

Z fyziologického hlediska lze stanovit energetické bilance organizmů od úrovně buňky až po jednotlivé rostliny. Sledují se účinky záření a teploty na životní procesy v rostlinách, využití uhlíku a produkce sušiny, využití a koloběhy minerálních látek, vodní provoz apod.

Ze zemědělského hlediska se provádějí energetické bilance buď jednotlivých živočichů, jednotlivých rostlin, plodin nebo celých osevních postupů. Lze provádět i kompletní energetické bilance rostlinná výroba – živočišná výroba – půda.

ENERGETICKÉ BILANCE V ZEMĚDĚLSTVÍ Energetické bilance v zemědělství mají na rozdíl od bilancí

přirozených rostlin nebo společenstev tu odlišnost, že člověk při pěstování zemědělských plodin používá dodatkové energetické vklady.

Zemědělství má oproti ostatním odvětvím národního hospodářství, která jsou s výjimkou těžby paliv a energie především spotřebiteli energie, zcela odlišný charakter. Na jedné straně je spotřebitelem energie na druhé straně transformuje sluneční i dodatkové energie na biologickou hmotu, která poskytuje energii na zajištění dalších procesů (fytomasu je možno využít na výrobu paliv – spalování, metanol, etanol, bioplyn apod.) nebo ve formě krmiv slouží k výživě hospodářských zvířat i člověka.

Účelem energetického hodnocení je odhalovat existující rezervy a optimalizovat energetické vklady do výrobního procesu z hlediska dosažení co největšího výrobního efektu při nízké spotřebě energie. Kvantifikace energetických vstupů a výstupů a sestavení energetických bilancí výrobního procesu rostlinné a živočišné výroby poskytuje nový pohled na význam jednotlivých plodin nebo živočichů ve struktuře osevních postupů a živočišné výroby.

Hodnocení přímé spotřeby energie ukazuje na efektivnost zemědělství. Druhý způsob dává přehled o úrovni a podílu dalších odvětví národního hospodářství na využití v zemědělství.

ENERGETICKÉ BILANCE V ZEMĚDĚLSTVÍ

Zemědělství se dá z hlediska toku a transformace energie rozdělit na tři podsoustavy, které tvoří cyklický řetěz. Rostlinnou výrobu - živočišnou výrobu – půdu – rostlinnou výrobu. Prvním článkem řetězce je podsoustava rostlinné výroby, kde zelené rostliny (primární producenti) transformují kinetickou energii slunečního záření a dodatkovou energii vkládanou člověkem na potenciální energii organické hmoty. Druhým článkem je podsoustava živočišné výroby, která transformuje organickou hmotu vytvořenou v rostlinné výrobě na koncentrovanější a kvalitnější živočišné produkty a část organické hmoty vrací do půdy. Třetím článkem je podsystém půda, kde reducenti žijící v půdě (mikroorganizmy, houby, bezobratlí apod.) přeměňují organickou hmotu zbytků rostlin a odpady ze živočišné výroby na živiny a humus, čímž vytvářejí podmínky pro další efektivní transformační cyklus zemědělské soustavy.

Energetickou náročnost v zemědělské výrobě z hlediska dodatkové energie lze hodnotit dvěma způsoby, a to hlediska přímé spotřeby energie nebo podle celkové spotřeby energie (tj. energie přímé plus nepřímé). Kromě přímé spotřeby energie v zemědělských výrobních procesech ve formě paliv, elektrické energie, tepla, lidské práce využívá zemědělství také nepřímou formu energie. Nepřímá energie je ta, která se spotřebovává na výrobu zemědělské techniky (zemědělských strojů a traktorů apod.) produktů chemického průmyslu (průmyslová hnojiva, herbicidy, pesticidy, stimulátory růstu apod.) a zemědělskou výstavbu, včetně výroby stavebních materiálů.

ENERGETICKÉ BILANCE V ZEMĚDĚLSTVÍ

Energetickou náročnost v zemědělské výrobě z hlediska dodatkové energie lze hodnotit dvěma způsoby, a to hlediska přímé spotřeby energie nebo podle celkové spotřeby energie (tj. energie přímé plus nepřímé). Kromě přímé spotřeby energie v zemědělských výrobních procesech ve formě paliv, elektrické energie, tepla, lidské práce využívá zemědělství také nepřímou formu energie. Nepřímá energie je ta, která se spotřebovává na výrobu zemědělské techniky (zemědělských strojů a traktorů apod.) produktů chemického průmyslu (průmyslová hnojiva, herbicidy, pesticidy, stimulátory růstu apod.) a zemědělskou výstavbu, včetně výroby stavebních materiálů.

Hodnocení přímé spotřeby energie ukazuje na efektivnost zemědělství. Druhý způsob dává přehled o úrovni a podílu dalších odvětví národního hospodářství na využití v zemědělství.

Tok a transformace energie v podsoustavě

rostlinná výroba.

V podsoustavě rostlinná výroba transformují zelené rostliny kinetickou energii slunečního záření na potenciální energii organické hmoty. Využití slunečního záření rostlinami je relativně malé, přesto tvoří podstatnou složku v energetické bilanci rostlinné výroby, neboť nejméně desetinásobně převyšuje veškeré přímé dodatkové energie dodávané do zemědělství ve formě paliv apod.

Rostliny využívají také další energetické vstupy (spotřeba dodatkových energií), které tvoří soubor všech energií spotřebovaných ve výrobním procesu a přecházejících s určitou účinností do konečného výrobku.

Energetické výstupy (produkce energie) tvoří souhrn energetického obsahu vyprodukované biomasy a nevratných energetických ztrát. Z vyprodukované biomasy připadá část na užitnou produkci (hlavní a vedlejší), část na rostlinné zbytky a kořenovou biomasu. Podstatná část nesklizené biomasy se vrací do výrobního procesu ve formě energie akumulované v půdě, Nevratné ztráty obecně zvyšují entropii prostředí. Produkce energie vytvořená rostlinami se stanovuje převážně jako spalné teplo měřené na kalorimetrech.

Tok a transformace energie v podsoustavě rostlinná výroba

Nejuniverzálnější metodou výpočtu energetického obsahu rostlinné produkce je stanovení bruttoenergie (spalného tepla) jednotky sušiny produkce. Pro stanovení bruttoenergie se využívá kalorimetrických metod. Tento způsob je při energetických bilancích také ve světové literatuře nejčastěji využíván a používá se také v rostlinné výrobě pro stanovení energetického obsahu produkce.

Energetická bilance obecně srovnává vstupy energií do výrobního procesu s energetickými výstupy. Lze stanovit energetický zisk, který se definuje jako rozdíl mezi získanou a vloženou energií. Energetický koeficient je poměr získané energie k přímým a nepřímým energetickým vkladům. Energetická účinnost výrobních procesů v rostlinné výrobě je podíl získaných a vložených energií. Z praktických důvodů se může celková energetická účinnost rozčlenit na účinnost slunečního záření a technologickou účinnost.

Hranice zvláště při stanovení nepřímých energetických vstupů mohou být velmi široké, proto, abychom dospěli k srovnatelným výsledkům při výpočtu energetických bilancí, musíme dodržovat určité postupy. Proto byly vypracovány metodiky pro postup výpočtů přímých i nepřímých energetických vstupů a výstupů.

Tok a transformace energie v podsoustavě rostlinná výroba

Na celkové dodatkové vstupy je z běžných zemědělských plodin nejnáročnější cukrovka 39,87 GJ.ha-1, potom brambory 38,35 GJ.ha-1 , dále pšenice 25,26 GJ.ha-1, vojtěška GJ.ha-1. Celkové vstupy dodatkové energie se mohou dále dělit na jednotlivé dílčí vstupy.

Jednotlivé dílčí vstupy se liší podle plodin a použitých agrotechnických opatření a z průměrných celkových dodatkových vstupů (30,19 GJ.ha-1) v průměru představují: živá práce 9,4 %, fosilní energie 22,3 %, stroje 12,8 %, chemické prostředky 46,1 %, osiva 9,9 %.

Vysoký podíl dodatkové energie u chemických prostředků je dán hlavně vysokou energetickou náročností na výrobu průmyslového dusíku (v průměru 82,5 GJ.t-1 - pro srovnání energetická potřeba výroby fosforečných hnojiv je v průměru 17,7 5 GJ.t-1, draselných 9,6 GJ.t-1) , kterého se aplikují relativně vysoké dávky.

Případná závlaha se může podílet na energetických vstupech podle druhu závlahy od 6,6 do 21,8 % z celkových energetických vstupů. Závlaha působí jako akumulátor, který zintenzivňuje a zefektivňuje intenzitu toku energie a stabilitu soustavy.

Tok a transformace energie v podsoustavě rostlinná výroba

Největší energetické výstupy (produkci bruttoenergie celkem = hlavní + vedlejší produkt) vykazuje z výše uvedených plodin cukrovka 214,31 GJ.ha-1, méně vojtěška 107,08 GJ.ha-1, pšenice 104,40 GJ.ha-1, brambory 88,62 GJ.ha-1.

Provedeme-li energetické bilance potom měrná spotřeba energie na 1 vyprodukovaný GJ je pro cukrovku 0,19, vojtěšku 0,12, pšenici 0,24, brambory 0,43. To znamená, že z uvedených plodin má nejpříznivější energetickou bilanci tedy má vysoký přírůstek energie na jednotku vstupů dodatkové energie vojtěška.

Tok a transformace energie v podsoustavě

živočišná výroba

Živočišná výroba hraje v rámci a toku energie v zemědělství důležitou funkci. Vazbou a podstatnou částí vstupů energie do systému je spojená s podsoustavou rostlinná výroba ve formě krmiv, které jsou vysoce koncentrovaným zdrojem energie. Tuto energii transformují hospodářská zvířata na ještě koncentrovanější potenciální energii obsaženou v živočišných produktech.

Všechna dodaná energie se nepřemění na potenciální energii živočišných produktů. Část energie se spotřebovává na uchování životních funkcí zvířat, část energie se degraduje a ve formě tepla apod. odchází z podsoustavy bez využití.

Část energie obsažené v krmivech, stelivu, výkalech a moči zvířat, které jsou z hlediska živočišné produkce odpadem, se dostává ve formě organických hnojiv do podsoustavy půda. V půdě se transformuje na humus a minerální látky.

Tok a transformace energie v podsoustavě živočišná výroba

Podsoustava živočišná výroba se skládá z jednotlivých odvětví (skot, ovce, prasata, drůbež apod.), jež mají specifické požadavky na vstupy energie různého druhu, a které s různou efektivitou transformují potenciální energie obsažené ve specifických produktech živočišné výroby. Hlavní zdroj energie, který ovlivňuje tok energie do podsoustavy živočišná výroba je energie krmiv.

Bruttoenergie (spalné teplo) používaná pro stanovení energetického obsahu v rostlinné výrobě však nevyjadřuje užitnou hodnotu plodin při jejich transformaci přes živočišnou výrobu, která je dána jejich stravitelností a utilizací. Proto se v živočišné výrobě používá i jiných metod. Z tohoto hlediska je účelnější hodnocení krmiv v množství stravitelné energie popřípadě metabolizovaná energie a netto energie.

Stanovení stravitelné a metabolizovatelné energie se provádí na základě bilančních pokusů na všech kategoriích hospodářských zvířat. Od množství přijaté brutto energie krmiv se odečte energie vyloučených výkalů a získá se stravitelná energie. Od stravitelné energie se odečte energie moče a plynů a získá se metabolizovatelná energie. Metabolizovatelnou energii je možno vypočítat přibližně ze stravitelné energie násobením koeficientem 0,81.

Tok a transformace energie v podsoustavě živočišná výroba

Dalším způsobem je používání regresních rovnic v závislosti na obsahu stravitelných živin. Systém metabolizovatelné energie bere do úvahy všechny důležité faktory ovlivňující utilizaci metabolizovatelné energie. Respektuje účinnost metabolizovatelné energie pro různé životní funkce jednotlivých zvířat a vyjadřuje ji v závislosti na koncentraci energie.

Tok a transformace energie v živočišné výrobě vyžaduje kromě krmiv vstupy energie dalších druhů. Technologický proces totiž vyžaduje, podobně jako v podsoustavě rostlinná výroba, různé druhy výrobních prostředků a pracovních předmětů, které mají energetickou hodnotu (ustájovací prostory, strojní vybavení apod.). Jedná se o nepřímé energetická vklady. Různé druhy hospodářských zvířat mají specifické požadavky i na tyto vstupy energie. Kvantifikace jednotlivých vstupů a výstupů energie do živočišné výroby lze stanovit podle vypracovaných metodik. Celkové vstupy pro dojnice se udává 38,3 GJ.ks-1, pro skot ve výkrmu 18,3 GJ.ks-1, pro prasnice 13,206 GJ.ks-1, pro prasata ve výkrmu 3,635 GJ.ks-1.

Tok a transformace energie v podsoustavě živočišná výroba

V porovnání s energetickou náročností rostlinné výroby, kde v průměru na 1 GJ vstupu energie z fosilních zdrojů se vyprodukuje 7,3 GJ výstupu energie ve fytomase nebo 4,6 GJ sušiny hlavního a vedlejšího produktu, je energetická náročnost živočišné výroby vyšší. Na 1 GJ výstupu energie je v průměru potřeba při započtení hlavního a vedlejšího produktu a organických hnojiv podle energie sušiny 1,058 GJ.

Také je podstatný rozdíl mezi energetickou náročností produkce jednotlivých druhů hospodářských zvířat. Při hodnocení produkce a její energetické náročnosti se jevily ze sledovaných zvířat jako nejvýhodnější skot ve volném výběhu a dojnice. Výkrm ustájeného hovězího dobytka je v porovnání s prasaty méně výhodný. Další předností prasat je, že mají rychlejší reprodukci.

Při stanovení energetické hodnoty výstupů ze živočišné výroby se většinou vychází z energetické hodnoty (kalorické hodnoty) jednotlivých produktů, která udává množství energetických jednotek, které se uvolní z příslušného produktu v metabolickém procesu člověka.

Tok a transformace energie v podsoustavě půda

Také podsoustava půda je neoddělitelnou součástí toku látek a energie v zemědělské soustavě. Vstup energie do systému půda se uskutečňuje dvěma cestami. Prvním vstupem a zdrojem energie je sluneční záření. Do půdy vstupuje pouze 0,01 až 0,02 % sluneční energie, která dopadá na zemský povrch.

Podstatná část této energie se vynakládá na procesy spojené s koloběhem vody a výměnou teploty v soustavě půda - organizmy - atmosféra, hydrosféra a litosféra. Pouze malá část ( průměru kolem 1 %) se transformuje na energii chemických vazeb organických a minerálních látek a akumuluje se v půdě.

Druhým zdrojem vstupu energie do půdy je organická hmota, které se zúčastňuje na tvorbě půdy.

Tok a transformace energie v podsoustavě půda

Základní vlastností organické hmoty půdy je její proměnlivost. Je to dáno tím, že organická hmota půdy je nedělitelnou součástí biologického koloběhu látek a energie, ve kterém se nepřetržitě v krátkodobých i dlouhodobých cyklech střídají procesy syntézy organických sloučenin a jejich mineralizace.

Přirozená dynamická rovnováha se v procese tvorby a rozkladu humusu v podmínkách obhospodařování půd mění a současně se formuje nová rovnováha, která odpovídá celkové nižší zásobě humusu. Proto je nutné organickou hmotu do půdy dodávat. Za nositele úrodnosti půdy je všeobecně považován humus, kde je nahromaděno velké množství sluneční energie, a který je tvůrcem struktury půdy a rezervoárem živin.

Tok a transformace energie v podsoustavě půda

Podobně jako v podsoustavách rostlinná výroba a živočišná výroba je možné stanovit v podsoustavě půda energetické bilance. Při energetickém hodnocení se převážně vychází z bilancí organické hmoty (uhlíku) případně dusíku v půdě. Bilanci lze sestavit na základě struktury výroby v podniku. Při bilancích vycházejících z bilance dusíku se stanoví kvantifikace výstupu N z půdy a vklad N do půdy. Na základě porovnání vstupů a výstupů N se získá rozdíl. Přitom se předpokládá, že v případě, kdy je výstup N větší než jeho vstup, tento rozdíl se uhrazuje z mineralizovaného humusu v půdě. Sušina humusu v půdě má poměr C:N – 10 : 1, to znamená, že množství odčerpaného N nad úroveň dodaného dusíku do půdy se mineralizovalo desetinásobné množství sušiny humusu.

Na základě toho je možné potom bilancovat humus v půdě. Vypočtený mineralizovaný humus můžeme dát do vztahu k nově vytvořenému humusu. Nově vytvořený humus pochází ze vstupů (kořeny a zbytky po sklizni, chlévský hnůj apod.), přičemž se jeho množství vypočítá na základě využití koeficientů humifikace a obsahu C v rostlinných zbytcích.

Tok a transformace energie v podsoustavě půda

Bilanci organické hmoty v půdě lze stanovit pro jednotlivé plodiny, celé osevní postupy nebo celou rostlinou výrobu. V půdě se uskutečňuje obrovský tok a transformace energie. Např. Čislák uvádí, že za celou rostlinnou výrobu vstupuje ročně na 1 ha půdy 167,44 GJ sušiny organické hmoty, z toho 134 GJ v kořenech a posklizňových zbytcích a 33,44 GJ v organických hnojivech.

Podíl energie organických hnojiv na celkových vstupech energie do půdy byl 20 %. Z toho se humifikovalo 7,67 GJ.ha-1 energie humusu, což představovalo 40 % z energie celkem humifikovaného množství organické hmoty v půdě. Transformace organických hnojiv na humus je podstatně příznivější než u kořenových zbytků, protože na 1 GJ energie humusu je potřebné dodat 4,36 GJ energie sušiny organických hnojiv.

Analýza energetické bilance organické hmoty v půdě odhaluje i rozdílný význam, vliv a podíl jednotlivých plodin na toku a transformaci energie v soustavě.

Tyto údaje dokumentují, že z energetického hlediska má půda a organická hmota v ní obsažená velký význam při celkovém toku a transformaci energie v zemědělství.

Energetický model zemědělské soustavy NZ = nevratné ztráty, čísla udávají orientační relativní energetické vklady – výstupy za

předpokladu energetického obsahu rostlinné produkce = 100

ZÁVĚR

Energetickými bilancemi a to nejen v zemědělství lze sledovat tok a transformace energie. Takto lze získat informace a kvantifikovat jevy a procesy, které při sledování pochodů jen na látkové úrovni jsou těžko uskutečnitelné. Využitím bilancí lze postřehnout základní směry a tendence přeměny látek a energie, najít důležité články a formulovat východiska pro racionálnější usměrnění toku a transformace energie.

Komplexním studiem zemědělské soustavy a jejích jednotlivých složek je možné dojít ke zvýšení intenzity toku a efektivnějšímu využívání přímých i nepřímých forem energie vstupujících do zemědělské soustavy.