При продвижении древесины на мировой строительный рынок в последние годы обращают особое внимание на то, что ее продуцирование не связано с антропогенными технологиями расхода тепловой энергии, неизбежно сопровождающимися выделением углекислого газа (СО2), который способствует формированию парникового эффекта. Наоборот, рост деревьев происходит за счет природных процессов фотосинтетического разложения СО2 с выделением О2 и депонированием углерода [28], являющегося одним из базовых химических элементов древесины. В этом огромное экологическое преимущество древесины по сравнению с металлом, цементом, кирпичом, стеклом, базальтовыми утеплителями и другими широко распространенными строительными материалами. Такой подход к экологической оценке материалов обусловлен глобальным изменением климата, которое многие объясняют повышением содержания в атмосфере СО2, других парниковых газов и аэрозолей. Прогнозируется, что к 2020 году могут участиться катаклизмы [46], имеющие характер стихийных бедствий. Они могут существенно повлиять на жизнедеятельность человека и других живых организмов. Некачественный воздух с недостаточным содержанием О2 снижает иммунитет, приводит к повреждению органов дыхания, развитию астматических и многих других хронических заболеваний людей. Поэтому в последнее время обострилась необходимость учета влияния зеленых насаждений на газовый состав атмосферы.
Цель работы - определить количество выделения кислорода насаждениями хвойных пород на Севере с учетом накопления ими биологических повреждений и оценить факторы влияния.
Лесные массивы кардинально влияют на биосферу и атмосферу. Они покрывают около 1/3 поверхности суши, что по оценке Продовольственной и сельскохозяйственной Организации Объединенных Наций (FAO - Food and Agriculture Organization) приблизительно равно 3,8 млрд га. 51% общей площади лесных территорий приходится на тропики, 32% - на тайгу и лесотундру, около 17% - на лиственные и смешанные леса умеренного пояса [13, 27]. При этом площадь лиственных лесов составляет около 70%, а хвойных - 30%.
На долю России приходится 80 млрд м3, что составляет более 23% мировых запасов лесов, в том числе более половины мировых запасов особо ценных хвойных пород. Лесные массивы занимают 49% территории России (около 837 млн га). Более 80% лесных ресурсов составляют ценные хвойные породы: лиственница, ель, сосна, кедр, пихта [18, 29, 36, 44]. Следует отметить, что в России для строительства наиболее широко применяют древесину хвойных пород.
Около 50% территории Архангельской области (28,5 млн га) занимают лесные массивы с общим запасом древесины 2,8 млрд м3. Из них около 80% составляют ель и сосна. Лиственные леса представлены преимущественно березой и осиной. Лесопереработка составляет около 40% от всего производства области. По запасам лесов Архангельская область сопоставима со странами Скандинавии [47]. Диаграмма запасов хвойной древесины показана на рис. 1. По диаграмме видно, что северные лесные территории оказывают существенное влияние на формирование кислородного фона планеты.
20...25% запасов лесов Архангельской области сосредоточено в междуречье Северной Двины и Пинеги. Здесь в 155 населенных пунктах проживают около 20,8 тыс. человек [8, 9]. Эта территория труднодоступная и малоосвоенная из-за отсутствия сети дорог, что ограничивает мобильность населения, которая жизненно необходима в засушливые периоды, представляющие повышенную пожарную опасность.
Рис. 1. Диаграмма запасов хвойной древесины
В зарубежной Европе лесные массивы занимают около 203 млн га с общим запасом древесины 30,5 млрд м3. Расположены они преимущественно в северной ее части на территориях Швеции, Финляндии, Норвегии, Франции, Германии. Наибольшие объемы лесного фонда имеют Швеция и Финляндия. Площадь лесных территорий Швеции составляет 27,87 млн га (68% всей площади), из которых 23,7 млн га (85%) заняты хвойными породами, Финляндии, соответственно, - 22,13 млн га (73%), из которых 19,9 млн га - хвойные [29, 36, 44, 47].
Ежегодно растения Земли продуцируют около 177 млрд т органического вещества, из которых 70 млрд т приходятся на лесные территории [1, 2, 3]. Следует отметить, что около 3,5-4 млрд лет назад содержание кислорода в атмосфере было в 1000 раз меньше, чем ныне [39]. В процессе эволюции зеленых растений, являющихся фототрофами, этот показатель постепенно увеличивался. В хлоропластах под действием пигмента хлорофилла происходит фотосинтез [4, 30]. Главными факторами, влияющими на дневную динамику процесса фотосинтеза, являются свет, температура, наличие воды, содержание СО2 в воздухе и различные взаимодействия между ними, закрывание устьиц, чрезмерное дыхание растений, накопление конечных продуктов фотосинтеза, а также фотоокисление ферментов. Количественные показатели отдельных факторов, влияющих на поглощение СО2, могут соответственно изменяться в значительных диапазонах [12, 38].
Следует учитывать сезонные изменения фотосинтетической способности, вызываемые развитием листьев либо иголок и состоянием метаболизма. Сезонные изменения в процессах жизнедеятельности хвойных деревьев происходят постепенно. В периоды, когда температура весной повышается и ночные заморозки становятся редкими, фотосинтетическая способность постепенно возрастает. Осенью интенсивность фотосинтеза постепенно понижается. Сезонные изменения фотосинтетической способности происходят также при изменении площади листьев либо иголок в процессе роста. В районах с теплыми зимами фотосинтез у хвойных деревьев протекает круглогодично. На северных территориях с холодными зимами этот процесс постепенно замедляется в течение нескольких недель или месяцев по мере снижения температуры до 0°С или даже немного ниже. Например, по исследованиям Пизека и Випклера (1958 г.), интенсивность фотосинтеза в процессе жизнедеятельности ели европейской и сосны европейской была заметной до поздней осени [30]. Дальнейшие изменения температуры на несколько градусов ниже и выше нуля вызывали колебания поглощения СО2, а при снижении температуры до -4 или -5°С и ниже фотосинтез прекращался. Если морозы повторялись в течение нескольких ночей, то днем фотосинтез был ингибирован даже при температуре выше нуля, а после мороза от -6 до -8°С фотосинтез прекращался. После этого требовалось несколько дней с мягкой погодой для восстановления фотосинтетической способности. Полностью фотосинтез возобновлялся с увеличением температуры в весенний период. При весенних колебаниях температуры наблюдались соответствующие изменения интенсивности процесса фотосинтеза. Фактически фотосинтетический аппарат дерева оставался активным с различной степенью интенсивности до тех пор, пока зимой не наступали морозы [11, 20, 45].
Архангельск расположен на Севере европейской части России. Продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха, не превышающей 0°С, составляет 177 сут при среднем значении температуры -8,0°С [22]. График изменения среднемесячной температуры в течение года с указанием нижней границы фотосинтеза (-6,0°С) показан на рис. 2.
Рис. 2. Годовое изменение среднемесячной температуры воздуха в г. Архангельске с указанием нижней границы фотосинтеза (-6,0°С)
Фотосинтез является сложным окислительно-восстановительным процессом жизнедеятельности деревьев и других растений, который сводится к восстановлению атмосферного СО2 до углеводов (при использовании световой энергии) и освобождению О2 из молекул воды [20, 43]:
СО2 + Н2О → (энергия света; хлорофилл) → [СН2О] + О2.
Рассматриваемый процесс состоит из двух фаз: фотохимической (световой) и ферментативной (темновой). В световой фазе происходит взаимодействие квантов света (фотонов) с молекулами хлорофилла. Молекулы переходят в «возбужденное» состояние, их избыточная энергия преобразуется в теплоту или выделяется в виде света. Другая ее часть передается ионами водорода, образующимися вследствие диссоциации воды. Образовавшиеся атомы водорода непрочно соединяются с органическими молекулами - переносчиками водорода. Гидроксильные группы ОН- отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОН. Радикалы взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются молекулярный О2 и вода [32, 34]:
4ОН → О2 + 2Н2О.
В отличие от образующихся при фотосинтезе органических соединений углерода, О2 является побочным продуктом. В комплексном процессе фотосинтеза фотолиз является стадией разложения воды. В ходе фотосинтеза деревья и другие растения поглощают CO2 и выделяют О2 [28].
Естественный процесс потребления СО2 и О2 и поступление этих газов в атмосферу до недавнего времени в природе был достаточно устойчиво сбалансирован. Однако в условиях интенсивного развития промышленности, жилищно-коммунального комплекса и транспорта, сопровождающегося резким ростом мировой добычи нефти и газа, постоянно возрастают объемы потребления О2 на процессы горения и, соответственно, выделений СО2 в атмосферу [20]. По указанным причинам качество воздуха для жизнедеятельности человека и других живых организмов зависит от выделения растениями достаточного количества О2.
Для точного определения количественных показателей выделения О2 конкретными лесными массивами часто отсутствуют многие необходимые для расчета данные. Поэтому был выполнен анализ литературных источников по данному вопросу, включая сравнение существующих способов расчета выделения О2. По результатам анализа была произведена соответствующая аппроксимация имеющихся данных, необходимых для расчетов. Рассмотрены два основных способа определения количества О2, выделяемого лесными насаждениями.
Способ № 1 - основан на определении первичной продукции дерева и расчете депонируемого им углерода [6, 7, 16, 24, 41, 42]. Исходя из количества связанного углерода и зная реакцию протекающего процесса фотосинтеза, можно определить объем выделяемого О2. Следует отметить, что количество выделяемого О2 подразделяют на «грязную» производительность (общий объем О2, продуцируемого растением) и «чистую» производительность (общий объем О2, продуцируемого растением, за вычетом газа, затраченного им на дыхание). Ученые Кельнского университета (Германия) доказали, что на дыхание растения расходуют всего лишь 1-2% производимого ими О2 [21, 28, 34].
Способ №1 является теоретическим и позволяет рассчитать без выезда в рассматриваемый лесной массив количество выделяемого О2, используя основные средние показатели древостоя. Для этого необходимо иметь достоверные параметры лесопользования рассматриваемой территории. Если при этих расчетах учесть специфические особенности леса, такие как разновозрастность деревьев, неравномерность их распределения по территории, фактическую (близкую к конической) форму стволов деревьев, а также факторы природно-климатического и антропогенного характера, отрицательно влияющие на лесные насаждения, то можно получить достаточно точные данные о продуцировании О2.
Способ № 2 - основан на расчете объема листовой либо игольчатой области дерева. Расчет производится в следующем порядке:
-
определение высоты дерева;
-
определение высоты расположения ближайшей к комлю ветки;
-
определение длины дерева в пределах листовой (игольчатой) области;
-
расчет площади поперечного сечения на уровне среднего диаметра ствола в пределах листовой (игольчатой) области;
-
расчет объема листовой (игольчатой) области;
-
расчет объема продуцирующей области дерева. Для этого модельный образец дерева разбивают на кубометры и подсчитывают общую площадь поверхности листовых пластин либо иголок на 1 м3. Перемножая полученную величину на объем листовой (игольчатой) области, определяют площадь продуцирующей поверхности листьев либо иголок.
Определению количества выделений О2 посвящены многие исследования. Выявлено, что при продолжительности светового дня 12 часов 1 м2 площади поверхности листовых пластин (либо иголок) выделяет О2 в количестве 5 моль/день. При этом за час выделяется О2 в среднем 0,42 моля [37, 40, 43]. Перемножив это значение на полученный итоговый показатель и среднюю продолжительность светового дня, определим количество О2, продуцируемого одним деревом за сутки. Зная количество дней в году, когда происходит фотосинтез, а также запас древесины на площади рассматриваемой лесной территории, можно определить количество О2, выделяемое за год. Для климатических условий Архангельска, исходя из графика среднемесячных температур (рис. 2), продолжительность фотосинтеза в течение года в среднем составляет 243 дня.
Способ №2 менее точен, чем первый, поскольку не учитывает неравномерность распределения листвы (хвои) по стволу дерева и, соответственно, неравномерность распределения листвы (хвои) по площади лесной территории, а также разновозрастность древостоя и влияние неблагоприятных факторов. При использовании этого способа необходимо производить экспериментальные замеры листовой (игольчатой) площади поверхности на конкретных деревьях. Поэтому его целесообразно применять при исследованиях малых по площади лесных участков либо в случае отсутствия данных лесопользования на рассматриваемой территории.
Для расчета количества О2, выделяемого лесными массивами Архангельской области, которые накапливали биологические повреждения вплоть до пятнистого усыхания (отмирания) древостоев [26], наиболее приемлем способ №1, основанный на определении прироста фитомассы [6, 14, 15]. Извлекаемый из атмосферы углерод используется на формирование углеводов и прочих органических веществ, необходимых для нормального функционирования и развития дерева. За счет накопления углерода в организме растения происходит прирост фитомассы [10, 19, 41, 42].
Рассчитав массу углерода, содержащегося в организме дерева, приравняем ее массе депонированного вещества. С учетом среднего возраста рассматриваемого древостоя (для междуречья Пинеги и Северной Двины составляет 150-170 лет [23]) в качестве расчетного образца дерева примем (по данным лесопользования) 160-летнее дерево со средним диаметром 25 см и высотой 20 м, при этом свежий прирост растительности в расчетах не учитывается. Определим массу надземной части расчетного дерева [33]:
W = К (D2)·H,
где D - средний диаметр модельного образца, см; Н - высота образца, м; К - коэффициент, значение которого при D < 28 см K = 0,057; при D ≥ (больше или равно) 28 см K = 0,035.
Тогда
W = 0,057·(252)·20 = 721,84 кг.
Известно, что продукция подземной части дерева составляет около 20% от массы надземной части [33]. Исходя из этого, вычислим чистую первичную продукцию (Wt) модельного образца:
Wt = 721,84·1,2 = 866,21 кг.
Определим абсолютно сухой вес образца. Среднее значение доли сухого вещества по всем видам деревьев составляет в среднем 72,5% [35]. Исходя из этого, определим сухой вес:
Wсух = 866,21·0,725 = 628 кг.
Доля углерода в сухом древесном веществе варьирует от 45 до 55% [31]. При расчете примем среднее значение - 50%. Тогда масса углерода, депонируемого одним деревом в течение всего срока его жизни, составит:
Wс = 0,5·628 = 314 кг.
Молекулярная масса одного атома углерода М = 12 г/моль, а СО2 - М = 44 г/моль. Определим их соотношение:
Мсо2/Мс = 44/12 = 3,67.
Исходя из этого, рассчитаем массу СО2, депонируемого в среднем одним хвойным деревом за всю его жизнь:
Wсо2 = 3,67·314 = 1152,38 кг.
Количество СО2, депонируемого за год, составит:
Wco2/год = 1152,38 кг/160 лет = 7,2 кг/год.
Соответственно:
Wc/год = 1,96 кг/год.
Реакция процесса фотосинтеза имеет следующий вид [25]:
СО2 + 2 Н2О → [СН2О] + О2↑ + Н2О.
В результате реакции 1 моль СО2 молярной массой 44 г/моль взаимодействует с 2 молями воды. При этом образуется углевод, вода и 1 моль О2 молярной массой 32 г/моль. Вычислив, что одно дерево депонирует 7,2 кг СО2 в год, по пропорциональному соотношению определим количество О2, продуцируемого одним хвойным деревом:
7,2/44 = х/32.
Отсюда:
х = 5,24 кг/(год·шт.).
Исходя из того, что около 2,24 млрд м3, произрастающих на 22,8 млн га лесного фонда Архангельской области, составляют хвойные породы (80% от общего лесного запаса), определим запас этой древесины на 1 га леса:
Qга = Q/S = 2240 млн м3/22,8 млн га =
= 98,25 м3/га, (1)
где Q - общий запас хвойной древесины Архангельской области; S - территория, занятая хвойными насаждениями.
Для простоты вычислений запаса (q) одного дерева рассмотрим его идеальную модель в форме цилиндра:
q = π(D2)·H/4 = 3,14·0,252·20/4 = 0,98 м3. (2)
Количество деревьев на 1 га рассматриваемой территории зеленых насаждений в среднем составит:
N = Qга/q = 98,25/0,98 = 100,25 шт. (3)
Для расчета примем 100 деревьев на 1 га. Тогда количество О2, выделяемого хвойными породами (Wо2) лесного массива площадью 1 га, составит:
Wо2 = 5,24 кг/год·шт.·100 шт. = = 524 кг/га год = 0,52 т/га·год.
Определим количество Wo2 на площади 22,8 млн га:
Wo2 = 0,52 т/га·год·22,8 млн га =
= 11,86 млн т/год). (4)
При этом расход О2 на дыхание (Wдыхан) 22,8 млн га хвойного леса составит:
Wдыхан = 0,02·11,86·106 = 0,24·106 т/год. (5)
60% лесов Архангельской области составляют спелые и перестойные еловые насаждения [23]. По аналогичной методике (4), (5) вычислим Wo2 и Wдыхан для еловых насаждений Архангельской области, учитывая накопление ими биологических повреждений. Актуальность этих расчетов обусловлена тем, что с конца 90-х годов прошлого столетия в лесном массиве междуречья Северной Двины и Пинеги наблюдался катастрофический рост популяции короеда-типографа, а также и других вредителей леса. Они распространились далеко за пределы старовозрастных ельников междуречья, в том числе на север в сторону лесотундры. Накопление биологических повреждений превысило критические пределы, что привело к усыханию огромных древостоев и, как следствие, к большим потерям ценной еловой древесины [26], нарушению газового баланса и условий окружающей среды. По данным ФГУ «Рослесозащита» после авиамониторинга в Архангельской области на 2007 г. имелось около 2,5 млн га погибших и частично деструктированных еловых древостоев [23]. По оценкам разных исследователей в районе междуречья площадь усыхающих лесов по состоянию на 2005 г. оценивалась в пределах 1,5-2,0 млн га, что составляет 5-8% общей площади лесов Архангельской области. При этом потери древесины хвойных пород оценивались в объемах более 100 млн м3 при общих запасах междуречья около 500 млн м3.
По данным исследований Научно-исследовательского института (НИИ) леса Финляндии (Metla) погибшие лесные массивы междуречья в Архангельской области составили 21% от всех древостоев [47], а по другим данным [17] - 180-200 тыс. га (10% от общей площади усыхающего лесного массива). В настоящее время масштабы катастрофической гибели деревьев уточняются с использованием космического мониторинга. Однако имеются данные Metla [17], что площадь усыхания древостоев на 2008 год более значительна и составляет более 7,5 млн га. По результатам полевых исследований было установлено, что от усыхания страдают в основном спелые и перестойные еловые деревья. Это обусловлено особенностями поверхностного расположения корневой системы елей, которая не способна извлечь требуемое количество влаги при понижении уровня грунтовых вод, вызванном изменением климата.
На основе данных лесопатологических исследований Центра защиты леса Архангельской области 22.03.2011 г. координационный совет по вопросам усыхающих ельников сделал вывод, что показатель среднегодового повреждения древостоев в междуречье Северной Двины и Пинеги в 2010 г. достиг максимальных значений и пошел на спад. Это подтверждают данные Агентства лесного и охотничьего хозяйства Архангельской области о состоянии лесов в Верхнетоемском, Выйском и Карпогорском лесничествах. Специалисты ФГУ «Рослесозащита» насчитали в биологически поврежденных хвойных древостоях в среднем 81 м3/га мертвого леса [23]:
Qусохш = 81·2,5 = 0,21 млрд м3.
Определим утраченные возможности продуцирования О2 (Wo2 утрач) вследствие накопления биологических повреждений и гибели 2,5 млн га лесных насаждений:
Wo2 утрач = 2,5·0,28 = 0,7 млн т/год.
Вычислим для рассматриваемого лесного массива междуречья:
Wo2 = 2,66 млн т/год; (6)
Wдыхан = 0,053·106 т/год. (7)
По другим данным [17] площадь усыхания оценена в 7,5 млн га еловых лесов, тогда соответственно Wo2 утрач = 2,1 млн т/год.
Для сравнения вычислим показатели продуцирования О2 для еловых насаждений трех скандинавских стран, которые по произрастающим породам древесины и климатическим условиям близки Архангельской области, приняв в качестве расчетных моделей средневозрастные деревья по данным исследований Metla [47]. Результаты расчетов приведены в таблице.
Как уже упоминалось, площади лесных территорий Архангельской области и скандинавских стран приблизительно равны. Однако в Скандинавии лесные массивы выделяют О2 в большем количестве (см. таблицу). Это обусловлено тем, что приоритетными задачами лесопользования в Скандинавии реально являются рациональное использование и восстановление лесных насаждений. Там своевременно проводят санитарно-оздоровительные мероприятия, в т.ч. рубки ухода, контроль за популяциями вредителей леса и своевременное противодействие недопустимой по интенсивности динамике накопления биологических повреждений древостоями, а также борьбу с потерями древесины при лесозаготовках, уход за самосевом хозяйственно ценных пород и создание крупных массивов искусственных лесных насаждений. Качественный уход за насаждениями оказывает большое влияние на их продуктивность, в том числе на выделение О2 и формирование качественного для жизнедеятельности состава атмосферы.
Выводы
-
В настоящее время лесная территория междуречья Северной Двины и Пинеги, где в 155 населенных пунктах обеспечивается жизнедеятельность 20,8 тыс. чел., наиболее пострадала вследствие накопления биологических повреждений. Это привело к значительному уменьшению выделений O2 в атмосферу. Результаты расчетов с принятыми допущениями и аппроксимациями показали, что хвойные насаждения Архангельской области ежегодно продуцируют O2 в количестве 12,31 млн т, в том числе на территории междуречья Северной Двины и Пинеги - 2,76 млн т.
-
Вследствие накопления биологических повреждений еловыми насаждениями Архангельской области в междуречье Северной Двины и Пинеги утраченные возможности продуцирования О2 составили 0,73 млн т в год.
-
Сравнительная оценка показала, что лесными насаждениями Швеции, Финляндии и Норвегии выделяется О2 больше, чем в Архангельской области, близкой им по общей площади лесных территорий, произрастающим породам древесины и климатическим условиям. Это можно объяснить тем, что в Скандинавии более качественно реализуют комплексные мероприятия по рациональному использованию и восстановлению лесных насаждений, что обеспечивает их более высокую производительность.
Расчетные показатели выделения О2 хвойными насаждениями с биологическими повреждениями
|
Рассматриваемые древостои
Расчетные показатели(* |
Архангельская область, междуречье Северной Двины и Пинеги |
Швеция |
Финляндия |
Норвегия |
|
Sхв, млн га |
9,5 |
23,69 |
19,91 |
6,44 |
|
Qхв, млрд м3 |
0,5 |
2,64 |
1,95 |
0,591 |
|
Qга, м3/га |
52,3 |
111,43 |
97,94 |
91,77 |
|
Q, м3 |
0,98 |
0,28 |
0,24 |
0,28 |
|
Wo2 т/год на 1 га |
0,28 |
0,95 |
0,93 |
0,789 |
|
Wo2 (Sхв), млн т/год |
2,66 |
22,51 |
18,52 |
5,08 |
|
Wo2 утрач, млн т/год |
0,7 |
0,95 |
- |
0,04 |
|
Wдыхан (Sхв), млн.т/год |
0,053 |
0,45 |
0,37 |
0,1 |
|
Sусых, млн га |
2,5 |
1,0 |
- |
- |
|
Sпогибш, млн га |
0,18 - 0,2 |
0,02 |
- |
0,05 |
|
Qпогибш, млн м3 |
- |
2 |
- |
5 |
|
Qусохш, млрд м3 |
0,21 |
- |
- |
- |
Примечания(*: Sхв, млн га - площадь хвойного леса; Qхв, млрд куб. м - запас хвойного леса; Qга, м3/га - запас леса на 1 га; q, куб м - запас 1 дерева; Wo2, т/год на 1 га - объем кислорода, продуцируемого 1 га леса; Wo2 (Sхв), млн т/год - объем кислорода, продуцируемого рассматриваемой лесной территорией; Wo2 утрач, млн т/год - объем кислорода, не произведенного вследствие усыхания; Wдыхан (Sхв), млн т/год - объем кислорода, использованного для дыхания древостоев; Sусых, млн га - площадь усыхающих древостоев; Sпогибш, млн га - площадь погибших древостоев; Qпогибш, млн м3 - объемы погибшей древесины; Qусохш, млрд м3 - объемы усохшей древесины.
Рецензенты:
-
Коробов В.Б., д.г.н., директор северо-западного отделения ФГБУН Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук, г. Архангельск;
-
Лобов В.К., д.т.н., профессор, зам. директора по научной работе института Энергетики и транспорта Северного (Арктического) федерального университета имени В.М. Ломоносова, г. Архангельск.
Работа поступила в редакцию 13.07.2012.