MВведение. Проблема снижения карбонового следа приобретает особую актуальность в связи с непрерывным ростом среднегодовой температуры на земном шаре [1, 2, 3]. Развитие этого процесса связывают с увеличением содержания в атмосфере парниковых газов, в том числе диоксида углерода. Основной источник диоксида углерода, связанный с деятельностью человека – сжигание ископаемого топлива, которое в значительных объемах потребляется в аграрном секторе экономики [4, 5, 6]. Ископаемое топливо используют при изготовлении, техническом обслуживании и производственной эксплуатации сельскохозяйственной техники. Количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу машинно-тракторными агрегатами зависит от множества факторов рассматриваемой системы, в том числе от параметров и режимов работы трактора и агрегата в целом [7, 8, 9]. В ряде исследований было выявлено [10, 11, 12], что параметры машинно-тракторных агрегатов влияют на величину формируемого урожая, а все сельскохозяйственные растения вовлечены в процесс кругооборота углерода в природе. Поэтому составление методики расчета величины выброса диоксида углерода машинно-тракторными агрегатами в аграрном секторе экономики с учетом их влияния на формируемый урожай зерновых культур представляет научный и практический интерес и ставится целью проводимого исследования.Цель исследований разработка метода расчета выброса диоксида углерода машинно-тракторными агрегатами на технологических операциях в растениеводстве при возделывании зерновых культур.Условия, материалы и методы. При проведении исследований использовали метод математического моделирования работы машинно-тракторных агрегатов (МТА) на основе интегрального критерия оптимизации – удельный суммарный выброс диоксида углерода в атмосферу. Для составления математической модели воспользуемся наработанным, в сфере эксплуатации МТА, прикладным математическим аппаратом, опираясь на достижения агрономических наук.По нашему мнению количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу при эксплуатации почвообрабатывающих и посевных машинно-тракторных агрегатов в аграрном производстве, складывается из следующих составляющих:СО2=СО2и.тр+СО2и.схм+СО2и.пр+СО2рто+СО2с.р.+СО2упр+СО2тсм+СО2агр++СО2упл®min,                                                           (1)где СО2 – удельный суммарный выброс диоксида углерода, кг/га;СО2и.тр, СО2и.схм, СО2и.пр. – количество СО2, выброшенное соответственно при изготовлении трактора, сельскохозяйственной машины, прицепа, приходящееся на 1 га, кг/га; СО2рто – количество СО2, выброшенное в атмосферу при проведении ремонта и технического обслуживания трактора, прицепа и сельскохозяйственной машины, кг/га; СО2с.р. –количество СО2, выброшенное в атмосферу при сборке и разборке агрегата, кг/га; СО2упр – количество СО2, выделяемое механизатором при управлении трактором, кг/га;СО2тсм – количество СО2, выброшенное при сжигании топлива двигателем трактора, кг/гa; СО2агр – количество СО2 из атмосферы не связанное урожаем, из-за его потерь в связи с нарушением агротехнических сроков выполнения технологической операции, кг/га; СО2упл – количество СО2 не связанное урожаем из атмосферы, из-за его потерь в связи с уплотнением почвы движителями трактора кг/га.Предлагаемый показатель (удельный суммарный выброс диоксида углерода, кг/га) и будет критерием оптимизации параметров и режимов работы машинно-тракторных агрегатов. При разработке метода снижения выбросов диоксида углерода необходимо выявить зависимость каждого слагаемого правой части уравнения (1) от параметров и режимов работы трактора и сельскохозяйственной машины, а также факторов рассматриваемой системы трактор-оператор-орудие-поле-почва-урожай (ТООППУ) и внешней среды.Результаты и обсуждение. Для расчета двух последних слагаемых (СО2агр, СО2упл) критерия оптимизации в уравнении (1), необходимо выявить размеры потерь урожая из-за нарушения агротехнических сроков выполнения технологической операции и уплотнения почвы ΔY и обосновать – сколько диоксида углерода поглощает единица зерновой части той или иной культуры с учетом ее соломистости.Информации по поглощению СО2 культурными растениями в литературе мало и она разноречива. Попробуем теоретически обосновать, сколько потребляет та или иная культура диоксида углерода из атмосферы и почвы за период вегетации, то есть за год, в расчете на единицу массы урожая. Для этого воспользуемся данными о содержании в растениях (листьях, стеблях и плодах) сухого вещества [13], а также углерода в сухом веществе, далее рассчитаем, исходя из формулы диоксида углерода - СО2 и молярной массы ее химических элементов, сколько диоксида углерода поглощает растение.Формула для такого расчета будет выглядеть следующим образом: CO2=Mз∙Cз∙Псз+Кс∙Сс∙Псс∙44/12 ,               (2)где МСО2– масса диоксида углерода для формирования зерна массой МЗ, кг/кг; МЗ – масса зерна, кг; СЗ – содержание сухого вещества в зерне, %; ПСЗ – содержание углерода в сухом веществе зерна, %; КС – коэффициент соломистости культуры; СС – содержание сухого вещества в соломе, %; ПСС – содержание углерода в сухом веществе соломы, %; 44 – молярная масса диоксида углерода; 12 – молярная масса углерода.Результаты такого расчета (табл. 1) свидетельствуют о том, что МСО2, например, для формирования 1 кг зерна озимой пшеницы с учетом массы сопутствующей соломы составит 2,34 кг/кг. Верность наших расчетов подтверждают данные исследователей из Германии и США (табл. 2). В целом наибольшим среди изученных культур поглощением СО2 из атмосферы на формирование единицы урожая характеризуются озимая рожь (около 3 кг/кг) и кукуруза (2,8 кг/кг). Таблица 1 – Количество диоксида углерода, рассчитанное для формирования единицы массы зерновых культур, исходя из содержания углерода в зерне и в соломе* КультураВлажность %Обменная энергиясодержащаясяв 1000 г кормамДжСухое вещество, %Углерод в сухом веществе, %Коэффициент соломистостиСухое вещество, %Органическоевещество, %.Углерод в сухом веществе, %Масса углерода в 1 ц зерна с учетом соломы, кгМасса СО2 для формирования 1 кг зерна с учетом соломы, кг зерносоломаОзимая пшеница13,013,188718,01,486814064,02,34Озимая рожь13,013,398718,11,8868242,581,52,99Ячмень13,013,018717,91,286814056,92,09Овес12,512,5588,517,41,286793652,61,93Яровая пшеница13,013,398718,31,586823966,22,43Кукуруза13,013,828718,72,086813576,52,80Рапс14,012,218617,21,6868038,567,82,49Гречиха14,012,138617,11,686804069,72,56Горох14,012,688617,51,586814269,22,54Соя14,016,538619,91,486823660,52,22Вика14,013,578618,41,486814266,42,43 *содержание кислорода в сухом веществе всех исследованных культур ≈70 %, водорода – ≈10 % Таблица 2 – Количество двуокиси углерода, поглощаемое при возделывании зерновых культур в РТ [14] КультураСредняя урожайность, ц/гаПоглощение СО2, кг/цПлощадь посевов, тыс.гаМасса поглощенного СО2, тЯровая пшеница31 132* 506,42072188,8Озимая рожь38 360 *113,81270008,0Кукуруза на силос73 140 *129,61324512,0*рассчитано с использованием результатов экспериментов, проведенных в Германии и США [15, 16]   КоличествоСО2, не связанного формируемым урожаем, из-за потерь в связи с нарушением агротехнических сроков выполнения технологической операции (СО2агр) можно рассчитать по формуле: ,                       (3)где  – масса не поглощенного СО2 с 1 га в день из-за потерь урожая,                                   кг/га×день;       ,                                                 (4)где  планируемая урожайность, кг/га;  потери урожая в % на 1 день нарушения агросрока выполняемойработы; МСО2 – масса диоксида углерода для формирования зерна массой 1кг, кг;W – производительность машинно-тракторного агрегата, га/ч; число целых дней в ;So– объём выполняемой работы по операции, приходящейся на один МТА, га. ,                                                        (5)где – число дней необходимых для выполнения объема работы  число смен в одном рабочем дне; продолжительность смены в часах.Значение Dу устанавливают экспериментально для климатических зон с учетом региональных особенностей. Из литературных источников известно, что Dу на культивации находится в пределах 0,3%, на посеве – 0,9%, а при уборке зерновых может достигать 3% [17].Объем работы So на технологической операции, приходящийся на один агрегат, в каждом конкретном предприятии будет различным. Оптимальную величину этого показателя возможно определить, рассматривая работу всего машинно-тракторного парка, так как его размеры влияют на количественный и качественный состав парка техники. При эксплуатационных расчетах выброса диоксида углерода МТА, величину So можно определить исходя из всего объема работ в хозяйстве по той или иной операции с учетом числа занятых агрегатов пропорционально их нормативной производительности.Расчет количества диоксида углерода, не поглощенного из атмосферы из-за потерь урожая в связи с уплотнением почвы движителями колесного трактора, проводится по следующей формуле [18]:                (6)где – коэффициент, определяющий долю потерянного урожая на единицу уплотняющего воздействия колес трактора, %×м/кН; B1 – ширина зоны влияния уплотняющего воздействия трактора на урожайность сельскохозяйственных культур на поле (в ориентировочных расчетах B1 = 10,8 м); BР – рабочая ширина МТА, м; n– общее число следов движителей, оставляемых на поле за один проход; w– коэффициент, зависящий от размеров и формы опорной поверхности движителей (для колесного w =1,25); bк– ширина профиля колеса, м; qmax – максимальное давление отдельного колеса трактора на почву, кПа;  – допустимый уровень уплотняющего воздействия колеса трактора на почву, ниже которого уменьшения урожайности культуры не происходит =75 кН/м.Для расчета qmax на основе результатов экспериментальных исследований выведена эмпирическая формула[19]:qmax=3.46ρw-7.4493Bρw/D+0.075552H-0.23353(ρпρwD3)/М,               (7)где qmax– максимальное давление колеса на почву, Н/м2; D – диаметр колеса, м; М – масса трактора, приходящаяся на одно колесо, кг; B – ширина профиля колеса, м; Н – твёрдость почвы, Па; ρп – плотность почвы, кг/м3;ρw – давление воздуха в шинах, Н/м2.Остальные составляющие критерия оптимизации (1), рассчитывается путем определения энергетических затрат [10, 11] с дальнейшим перерасчетом энергии в массу СО2 с использованием переводного коэффициента. Переводный коэффициент рассчитывается на основе усреднения массы СО2, приходящейся на 1 МДж энергии, полученной от сгорания различных наиболее распространенных видов топлива (уголь – 0,093; нефтепродукты – 0,072; природный газ – 0,055; биодизельное топливо – 0,071 кг/МДж) [20, 21, 22]. Средняя величина этого показателя составляет 0,072 кг/МДж.На основе разработанного методапроведем расчет выброса СО2агрегатом на технологической операции–обработкапочвы тяжелой дисковой бороной и выявим влияние массы трактора в составе МТА на выброс диоксида углерода. Для расчетов возьмем следующие исходные данные: площадь поля – 60 га; длина гона – 1 км; расстояние переезда с поля на поле – 2 км; плотность семян – 800 т/м3; коэффициент прочности несущей поверхности – 0,9; объем работы – 550 га; количество тракторов на поле – 1 шт.; время работы за сутки – 14 ч; суммарная урожайность культуры – 50 ц/га; давление в шинах колес трактора – 0,16 МПа; число колес на одном борту трактора – 1 шт.; коэффициент сцепления колес трактора с почвой – 0,6; коэффициент сопротивления перекатыванию колес трактора – 0,12; коэффициент распределения нагрузки по осям трактора – 0,98; плотность почвы – 1300 кг/м3; твердость почвы – 1500000 Па; удельное сопротивление сельхозмашины – 6,5 кН/м.Проведение расчетов показало, что наименьший выброс СО2 при дисковании почвы составит 171,12 кг/га; оптимальный вес трактора (Mt) – 145,714 кН; потребная мощность трактора (N) – 533,943 л.с.; оптимизированная ширина захвата (B) – 12,3 м; оптимизированная скорость (V) – 10 км/ч. Отмечено заметное влияние на выброс диоксида углерода в атмосферу веса трактора (рис. 1, 2). Ясно выраженная минимальная величина этого показателя приходится на массу равную 14571,4кг, что соответствует массе трактора 5-го тягового класса. Ее увеличение или уменьшение ведет к росту выброса СО2. Таким образом предлагаемый метод определения выброса диоксида углерода в атмосферу МТА работоспособен и дает возможность находить пути снижения выброса СО2 в атмосферу, что видно и по другим графикам на рисунке 1.     Рис. 1 – Вид окна формы прикладной программы расчета выброса СО2 на дисковании почвы.   Рис. 2 – Вывод графика влияние веса трактора на выброс диоксида углерода в атмосферу. Выводы. В результате исследований теоретически обоснована формула для определения количества двуокиси углерода, необходимого для формирования единицы массы зерновых культур исходя из содержания углерода в зерне и в соломе. Проведенные расчеты свидетельствуют, что больше всего углекислого газа из атмосферы на формирование единицы массы зерна с учетом соломистости культуры поглощают озимая рожь (около 3 кг/кг) и кукуруза (2,8 кг/кг).На основе методики расчета количества двуокиси углерода, необходимого для формирования единицы массы зерновых культур и с использованием результатов предыдущих исследований, предложен метод, позволяющий искать пути снижения выброса диоксида углерода в атмосферу при эксплуатации машинно-тракторных агрегатов на технологических операциях в сельскохозяйственном производстве. Расчеты, проведенные для технологической операции – подготовка почвы тяжелой дисковой бороной, с использованием разработанного метода расчета выброса СО2 в атмосферу свидетельствуют о наличии зависимости количества диоксида углерода от веса трактора и других параметров агрегата. Разработанный метод позволяет проводить оптимизацию параметров агрегатов при их использовании на различных технологических операциях с целью снижения карбонового следа и искать пути снижения выброса диоксида углерода в атмосферу.