WSPÓŁCZESNE WYZWANIA DLA INŻYNIERII ROLNICZEJ

Transkrypt

1 Problemy Inżynierii Rolniczej nr 4/2010 Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach Oddział w Warszawie WSPÓŁCZESNE WYZWANIA DLA INŻYNIERII ROLNICZEJ Streszczenie Potrzeba dostosowania techniki i technologii do wymogów rolnictwa zrównoważonego wyznacza kierunki badań naukowych w zakresie inżynierii rolniczej. Do priorytetowych przedmiotów badań należą obecnie rolnictwo precyzyjne i monitorowanie produktów żywnościowych na wszystkich etapach ich produkcji, przetwórstwa i obrotu handlowego. W pracy przedstawiono niezbędne kierunki tych badań i wdrożeń. Słowa kluczowe: inżynieria rolnicza, rolnictwo zrównoważone, efektywność, poszanowanie środowiska Wstęp Zmiany zachodzące w rolnictwie i jego otoczeniu, a także w całej gospodarce narodowej wyznaczają nowe cele dla inżynierii rolniczej. Jednym z najważniejszych jest dostosowanie techniki i technologii do wymogów rolnictwa zrównoważonego. Inżynieria rolnicza ma do rozwiązania jeszcze liczne problemy. Wymagają one dobrego rozeznania potrzeb sektora rolno-spożywczego, tendencji jego rozwoju i znajomości biologicznych podstaw produkcji rolniczej. W warunkach Polski potrzebny jest rozwój technologii dostosowanej do istniejącej struktury rolnictwa i przemysłu maszyn rolniczych, a więc przeznaczonej do produkcji ogrodniczej i niszowej [Hołownicki 2009]. Przy wytyczaniu kierunków badań i prac rozwojowych w zakresie inżynierii rolniczej trzeba brać pod uwagę obecne i przewidywać przyszłe tendencje w innych dyscyplinach nauk. Zwiększy to szanse na wdrożenie do praktyki wyników tych prac [Hołownicki 2008]. Celem pracy jest analiza obecnych i perspektywicznych zadań dla inżynierii rolniczej, będących wynikiem zmian zachodzących w rolnictwie i wymaganiach społeczeństwa. 5

2 Rola inżynierii rolniczej Inżynieria rolnicza ma charakter służebny. Stawiane jej zadania polegają m.in. na umożliwianiu wdrażania bardziej efektywnych, energooszczędnych i przyjaznych środowisku systemów produkcji rolnej, ograniczaniu strat i poprawie jakości produktów, a także na rejestracji informacji o procesach produkcji i wytwarzanych produktach. Pośrednim efektem realizacji tych zadań jest poprawa efektywności nakładów w rolnictwie i gospodarce żywnościowej. Inżynieria rolnicza obejmuje wiedzę z zakresu mechanizacji i energetyzacji oraz rolnictwa i gospodarki żywnościowej. Jest dyscypliną naukową [Jongebreur, Speelman 1997], będącą na styku nauk rolniczych, technicznych i częściowo ekonomicznych, zajmującą się następującymi zagadnieniami: motoryzacja rolnictwa, energetyka z niekonwencjonalnymi źródłami energii, techniki i technologie w produkcji roślinnej, techniki i technologie w produkcji zwierzęcej, techniki w przemyśle rolno-spożywczym, modelowanie procesów agrobiologicznych, agrofizyka, inżynieria urządzeń rolniczych i suszarnictwo, techniczna infrastruktura wsi i rolnictwa, organizacja i zarządzanie w inżynierii rolniczej, ergonomia i ochrona pracy, transport rolniczy oraz budownictwo rolnicze. Zadania te mają kluczowe znaczenie dla rolnictwa i gospodarki żywnościowej, co zdecydowało o przynależności inżynierii rolniczej do dziedziny nauk rolniczych [Haman, Michałek 2003; Michałek 2007; Michałek 2008a, b]. Mechanizacja rolnictwa, będąca jednym z obszarów wchodzących w zakres inżynierii rolniczej, nie jest sama w sobie czynnikiem plonotwórczym. Wpływa jednak pośrednio na poziom plonów. Uzyskiwanie większej wydajności eksploatacyjnej podczas wykonywania zabiegów produkcyjnych umożliwia wykonanie prac w odpowiednich terminach agrotechnicznych, pozwalających uniknąć lub przynajmniej zmniejszyć straty przy zbiorach. Racjonalna gospodarka zasobami jest niezbędna we wszystkich obszarach mieszczących się w zakresie inżynierii rolniczej. Wymaga ona kompleksowego (holistycznego) podejścia do problemu tej racjonalizacji. Poprawie efektywności nakładów w zakresie mechanizacji rolnictwa, budownictwa rolniczego, transportu czy przemysłu rolno-spożywczego służy nie tylko postęp techniczny czy technologiczny, ale także postęp biologiczny czy chemizacyjny. Nawet najbardziej racjonalne rozwiązania w zakresie inżynierii rolniczej nie mogą być traktowane jako ostateczne. Ciągła ewolucja wymagań społeczeństw odnośnie do jakości produktów żywnościowych, warunków pracy oraz środowiska naturalnego, a także zmieniające się uwarunkowania makroekonomiczne powodują, że pojawiają się nowe zadania wymagające rozwiązania. Podczas ich rozwiązywania celowe jest tworzenie interdyscyplinarnych zespołów badawczych. Współpraca specjalistów reprezentujących różne dyscypliny, a nawet dziedziny naukowe, ułatwia rozwiązywanie skomplikowanych problemów. 6

3 Współczesne wyzwania dla inżynierii rolniczej Nowe zadania dla inżynierii rolniczej W krajach rozwiniętych obserwuje się zwiększone wymagania dotyczące jakości żywności oraz ochrony środowiska naturalnego. Konsekwencją tego jest potrzeba stosowania efektywnych i bezpiecznych technologii produkcji. Wymóg bezpieczeństwa technologii odnosi się do wszystkich ogniw łańcucha żywnościowego. Chodzi o wyeliminowanie ujemnego wpływu zabiegów agrotechnicznych na glebę, wodę gruntową i uprawiane rośliny, a także o uzyskiwanie produktów o wymaganych parametrach jakościowych i użytkowych [Krasowicz 2008]. Badania naukowe w zakresie inżynierii rolniczej powinny być zatem ukierunkowane na tworzenie rozwiązań gwarantujących produkcję zdrowej żywności, spełniającą wymogi poszanowania środowiska i zasobów naturalnych oraz zapewniającą dużą efektywność nakładów produkcyjnych. Ich zakres powinien obejmować gospodarkę energią, wodą, środkami chemicznymi stosowanymi w rolnictwie, regulację mikroklimatu w budynkach inwentarskich i szklarniach, a także problematykę emisji gazów cieplarnianych i innych szkodliwych substancji, dobrostanu zwierząt, warunków pracy personelu oraz organizację produkcji w zakresie dotyczącym inżynierii rolniczej. W najbardziej ogólnym ujęciu chodzi o zapewnienie zrównoważonego rozwoju rolnictwa i gospodarki żywnościowej, a konsumentom pełnej informacji o wszystkich etapach produkcji poszczególnych produktów żywnościowych. Aby osiągnąć wspomniane cele, należy udoskonalić systemy produkcji, prowadzić racjonalną gospodarkę energetyczną, wdrażać technologię informacyjną oraz uwzględniać rosnące znaczenie organizacji produkcji (rys. 1). Transfer technologii Transfer of technology Technologia informacyjna Information technology Warunki pracy, zdrowie Working conditions, health Badania naukowe Scientific research Gospodarka energią Energy management Nanotechnologia Nanotechnology Nowa generacja czujników New generation of sensors Bezpieczeństwo żywnościowe Food safety Poszanowanie środowiska Respecting of the environment Rozwój zrównoważony Sustainable development Systemy produkcji Production systems Organizacja produkcji Production organization Efektywność nakładów Efficiency of the inputs Źródło: opracowanie własne. Source: own elaboration. Rys. 1. Obszary działania i cele inżynierii rolniczej Fig. 1. The spheres of activity and purposes of agricultural engineering 7

4 Rolnictwo precyzyjne Przyszłościowym systemem produkcji jest rolnictwo precyzyjne, którego istota polega na stosowaniu zróżnicowanej, odpowiedniej do rzeczywistych potrzeb, aplikacji środków w obrębie pola uprawnego [Stafford 2000]. Jedna z koncepcji doskonalenia tego systemu polega na zastosowaniu inteligentnych minirobotów, wykonujących prace polowe. Podstawą tej koncepcji jest założenie, że mechanizacja produkcji roślinnej powinna być w większym stopniu ukierunkowana na potrzeby roślin niż na modyfikację technik istniejących. Zastosowanie odpowiednio zaprogramowanych małogabarytowych i lekkich robotów miałoby wiele zalet, m.in. zapewniałoby zmniejszenie nakładów energii w pracach uprawowych dzięki redukcji ugniatania gleby, wykonywanie prac w trudnych warunkach (np. siewu przy zbyt dużej wilgotności gleby, uniemożliwiającej zastosowanie sprzętu tradycyjnego), siew precyzyjny i w razie potrzeby jego uzupełnienie w przypadku przepustów lub niewzejścia roślin, selektywną ochronę roślin z zachowaniem bioróżnorodności, selektywny zbiór (wg stanu wilgotności, dojrzałości bądź wymiarów) bez uszkadzania pozostałych roślin [Blackmore i in. 2005]. Rolnictwo precyzyjne wymaga zastosowania szybko działających czujników, umożliwiających rozpoznanie stanu roślin, stanu zasobności i wilgotności gleby, zachwaszczenia czy porażenia chorobami itp. Tego typu czujniki będą stosowane w coraz doskonalszych systemach, działających w czasie rzeczywistym (online). Zastąpią one w przyszłości rozwiązania typu offline, w których podstawę zmiennej aplikacji stanowią mapy i GPS [Munack 2002]. Dużych możliwości w zakresie doskonalenia (miniaturyzacji) czujników upatruje się w zastosowaniu nanotechnologii. Nanotechnologia umożliwi też m.in. uzyskiwanie nowych materiałów z produktów rolnych, nowych enzymów i katalizatorów oraz poprawę sprawności przemiany energii [Technology 2009]. Nanokryształy ołowiowo-selenowe, zastosowane w ogniwach fotowoltaicznych zwiększają, w warunkach doświadczalnych, sprawność przemiany energii z 10 20% do 60% i więcej. Konieczność monitorowania procesów produkcji i zapewnienia znajomości historii produktów żywnościowych, począwszy od pola, a kończąc na dystrybucji, wymusi powszechne stosowanie mechatroniki i hydrauliki w maszynach rolniczych [Auernhammer 2003]. Odpowiednie urządzenia rejestrujące są niezbędne do identyfikacji miejsca i czasu ewentualnego skażenia szkodliwymi związkami chemicznymi [Kondo 2005]. Badania i wdrożenia Nowe systemy produkcji i udoskonalenia konstrukcyjne środków mechanizacji rolnictwa wymagają odpowiedniego poziomu wiedzy rolników [Kitchen i in. 2002]. Przekazywanie tej wiedzy jest jednym z zadań transferu technologii, polegającego na przepływie niezbędnego zasobu wiedzy (naukowej, 8

5 Współczesne wyzwania dla inżynierii rolniczej inżynierskiej) pomiędzy konkretnymi podmiotami. Może to być przepływ z placówki prowadzącej badania podstawowe do jednostki prowadzącej badania stosowane, z placówki naukowej do jednostek produkcyjnych, a także pomiędzy tymi jednostkami. Cel ten można zrealizować poprzez: edukację, publikacje, a także bezpośrednie kontakty międzyludzkie. Hołownicki [2008] wyróżnia trzy równoważne i wzajemnie ze sobą powiązane płaszczyzny funkcjonowania inżynierii rolniczej (agroinżynierii). Są to: działalność badawcza, edukacyjna i wdrożeniowa. Konieczny jest sprawny przepływ informacji. Najnowsze wyniki prac badawczych i rozwojowych powinny być jak najszybciej wykorzystywane w edukacji oraz upowszechniane i wdrażane w praktyce rolniczej. Dobrym przykładem transferu wiedzy od nauki do praktyki są prace prowadzone przez zespół pod kierunkiem Profesora Z. Wójcickiego w ramach trzyletniego projektu rozwojowego. Obejmuje on wdrażanie i upowszechnianie projektów modernizacji badanych gospodarstw rolnych, opracowanych z uwzględnieniem zasad zrównoważonego rozwoju tych gospodarstw [Wójcicki 2010]. Wiek XXI cechuje ewolucja w kierunku społeczeństwa coraz szerzej korzystającego z technologii informacyjnej. Informacja odgrywa coraz większą rolę. We współczesnym rolnictwie dobra informacja jest podstawowym warunkiem osiągnięcia wysokiej efektywności czynników produkcji w gospodarstwach rolnych. Inżynieria rolnicza, odnawialne źródła energii i postęp techniczny a rolnictwo zrównoważone Troska o stan środowiska naturalnego i konieczność redukcji emisji gazów cieplarnianych jest motywem zwiększenia udziału odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym. Jednym z takich źródeł jest biomasa. Rolnictwo jest jej producentem zarówno w postaci produktów ubocznych (słoma, gnojowica), jak i produktów głównych, pochodzących z plantacji energetycznych. Biomasa do celów energetycznych może być stosowana zarówno w postaci nieprzerobionej, jak i po poddaniu jej procesom fizycznym, biochemicznym itp., w wyniku których uzyskuje się paliwa stałe o zwiększonej masie objętościowej bądź paliwa ciekłe lub gazowe. Warunkiem osiągnięcia konkurencyjności biopaliw w stosunku do paliw kopalnych jest zapewnienie wysokiej efektywności nakładów. Zadaniem inżynierii rolniczej w tej dziedzinie jest doskonalenie środków mechanizacji, stosowanych na wszystkich etapach produkcji surowca i przetwarzania go na biopaliwa, a także poprawa sprawności odbiorników energii, zasilanych nośnikami energii pochodzącymi z biomasy. Jednym z warunków umożliwiających zrównoważony rozwój rolnictwa jest poprawa efektywności nakładów produkcyjnych. Duży udział mechanizacji w strukturze nakładów produkcyjnych w rolnictwie stwarza konieczność poprawy efektywności nakładów z nią związanych. Poprawie tej sprzyja racjo- 9

6 nalna eksploatacja sprzętu rolniczego, której znaczenie rośnie w miarę doskonalenia urządzeń technicznych. Skuteczność przedsięwzięć w zakresie inżynierii rolniczej zależy od ich ścisłego powiązania z doskonaleniem systemów produkcji oraz z postępem naukowo-technicznym. Ścisła integracja tych czynników daje gwarancję stworzenia warunków zrównoważonego rozwoju rolnictwa. Postęp biologiczny, chemizacyjny i technologiczny w rolnictwie będzie towarzyszył postępowi w zakresie inżynierii rolniczej i rozwojowi technologii informatycznych na wsi, w rolnictwie i całej gospodarce żywnościowej [Golka, Wójcicki 2006; Jongebreur, Speelman 1997; Wójcicki 2007; Wójcicki 2008] W odróżnieniu od postępu biologicznego czy chemicznego, które nie zależą od skali produkcji, postęp techniczny zależy od obszaru gospodarstw i wymaga przygotowań organizacyjnych do jego wprowadzenia [Michałek, Grotkiewicz 2010]. Postęp techniczny w inżynierii rolniczej, polegający na zwiększaniu wydajności, poprawie niezawodności oraz zmniejszeniu materiałochłonności i energochłonności, przyczyni się do poprawy efektywności nakładów produkcyjnych i zmniejszenia zagrożeń dla środowiska naturalnego. Podsumowanie Zmiany zachodzące w rolnictwie, tworzenie nowych systemów produkcji i rosnące wymagania społeczeństw w krajach rozwiniętych odnośnie do jakości produktów żywnościowych oraz stanu środowiska naturalnego, powodują ewolucję wymagań i stanowią nowe wyzwania dla inżynierii rolniczej. Zapewnienie zrównoważonego rozwoju rolnictwa wyznacza priorytetowe kierunki badań naukowych w zakresie inżynierii rolniczej. Przedmiotem tych badań jest obecnie m.in. rolnictwo precyzyjne i monitorowanie produktów żywnościowych na wszystkich etapach ich produkcji, przetwórstwa i obrotu handlowego. Udoskonalenia konstrukcyjne środków mechanizacji rolnictwa, wynikające z konieczności ich dostosowania do wymogów nowych systemów produkcji, potrzeb monitorowania procesów produkcji i obrotu żywności, poszanowania środowiska naturalnego oraz poprawy efektywności produkcji, wymagają pogłębienia wiedzy przez ich użytkowników. Przesądza to o znaczeniu edukacji, upowszechniania wiedzy oraz dostępu do informacji i systemów wspomagania decyzji. Bibliografia Auernhammer H The role of mechatronics in product traceability. Club of Bologna. Edizioni UNACOMA Service srl. Roma. Vol. 13, s

7 Współczesne wyzwania dla inżynierii rolniczej Blackmore S., Stout B., Wang M., Runov B Robotic agriculture the future of agricultural mechanization? 5 th European Conference on Precision Agriculture ed. J. Stafford. Wageningen Academic Publishers, s Golka W., Wójcicki Z Ekologiczna modernizacja gospodarstwa rolniczego. Monografia. IBMER. Warszawa, ss. 80 Haman J., Michałek R Quo venis quo vadis inżynierio rolnicza. Inżynieria Rolnicza. Nr 9(51), s Hołownicki R Przed agroinżynierią stoją nowe zadania. Inżynieria Rolnicza. Nr 4(102), s Hołownicki R Agroinżynieria na tle przemian w rolnictwie i przemyśle. Inżynieria Rolnicza. Nr 5(114), s Jongebreur A.A., Speelman L Future trends in agricultural Engineering. Netherlands Journal of Agricultural Science. Nr 45, s Kitchen N.R., Snyder C.J., Franzen D.W., Wiebold. W.J Educational needs of precision agriculture. Precision Agriculture. Nr 3(4), s Kondo N Latest agricultural robots and traceability information based on robotic agriculture. Resource. Nr 9, s. 3 4 Krasowicz S Relacje człowiek środowisko przyrodnicze w aspekcie zrównoważonego rozwoju. Problemy Inżynierii Rolniczej. Nr 1(59), s Michałek R Inżynieria rolnicza stan obecny i szanse rozwoju. Inżynieria Rolnicza. Nr 1(99), s Michałek R. 2008a. Przyszłość Inżynierii rolniczej jako nauki i kierunku kształcenia. Inżynieria Rolnicza. Nr 1(99), s Michałek R. 2008b. Domena i krajowe środowisko inżynierii rolniczej. Inżynieria Rolnicza. Nr 6(104), s Michałek R., Grotkiewicz K Miejsce i rola postępu naukowego w warunkach rolnictwa zrównoważonego. Problemy Inżynierii Rolniczej. Nr 1(67), s Munack A Agriculture and environment: new challenges for engineers. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Vol. IV Invited Overview Paper [online] [dostęp ]. Dostępny w Internecie: Stafford J.V Implementing precision agriculture in the 21 st century. Journal of Agricultural Engineering Research. Nr 76, s Technology & Engineering Overview United States Department of Agriculture. National Institute of Food and Agriculture [online] [dostęp ]. Dostępny w Internecie: 11

8 Wójcicki Z Poszanowanie energii i środowiska w rolnictwie i na obszarach wiejskich. IBMER. Warszawa, ss. 124 Wójcicki Z Zadania dla nauki i techniki w zakresie pozyskiwania bezpiecznej żywności. Problemy Inżynierii Rolniczej. Nr 1(59), s Wójcicki Z Modernizacja gospodarstw rodzinnych. Problemy Inżynierii Rolniczej. Nr 1(67), s PRESENT-DAY CHALLENGES FOR AGRICULTURAL ENGINEERING Summary The necessity of adapting technique and technology to the requirements of sustainable farming determines the research directions in agricultural engineering. Actually, the subjects of particular priority include precision agriculture and monitoring of the food products at all stages of their production, processing and trade turnover. This paper presented the essential directions in mentioned research and implementation activities. Key words: agricultural engineering, sustainable agriculture, effectiveness, environment protection Recenzenci: prof. dr hab. Rudolf Michałek prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki Praca wpłynęła do Redakcji: r. Adres do korespondencji: prof. dr hab. Instytut Technologiczno-Przyrodniczy Oddział w Warszawie ul. Rakowiecka 32, Warszawa tel ; j.pawlak@itep.edu.pl 12