CC BY
39
ЛЕСОВОДСТВО, ЛЕСНЫЕ КУЛЬТУРЫ И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
ЗАПАСЫ ЭНЕРГИИ В КУЛЬТУРАХ СОСНЫ
Н.А. БАБИЧ, проф. Северного (Арктического) федерального университета, д-р с.-х. наук, Д.Н. КЛЕВЦОВ, доц. Северного (Арктического) федерального университета, канд. с.-х. наук
denis2749@yandex.ru
Оценка работы фотоавтотрофного компонента биогеоценозов (в частности лесных) в весовых характеристиках образованной биомассы недостаточна для суждения об эффективности созидательной деятельности первого трофического уровня биоценозов. Специальным комитетом МБП рекомендовано количественные данные о биомассе и приростах выражать в количестве запасаемой в ней энергии [2].
Со времени овладения человека огнем основным источником энергии являлась древесина. В 19-20 вв. в результате конкуренции с ископаемыми видами топлива ее значение уменьшилось. Но и в настоящее время больше половины заготавливаемой в мире древесины используется в энергетических целях, главным образом для получения тепла [6].
По современным оценкам, биомасса является самым мощным после солнца возобновляемым экологически чистым источником энергии. Ежегодный прирост биомассы на планете эквивалентен 20-30 млрд т условного топлива, т.е. превосходит годовую добычу нефти. Кроме этого, интерес к биомассе связан с необходимостью решения экологических проблем. В отличие от других видов органического топлива сжигание биомассы и продуктов ее переработки не ведет к увеличению в атмосфере диоксида углерода и не вызывает ее загрязнения оксидами серы [1].
Государственной научно-технической программой России «Экологически чистая энергетика» в качестве одного из приоритетных направлений в области нетрадиционной энергетики рассматривается использование энергетического потенциала биомассы [4]. Чрезвычайно перспективной спросовой нишей рынка представляется использование низкосортной древесины в качестве энергетического сырья. Речь идет о так называемом пеллетном топливе: этот энергоноситель уже завоевал обширный и ежегодно растущий
сегмент рынка в Европе, Северной Америке, Китае. Производство пеллетного топлива может быть развернуто в любом населенном пункте, а переход на него не требует даже переоборудования традиционных угольных котельных. И по мере роста цен на природный газ (это обстоятельство малоприятное, но, увы, неизбежное) сфера применения пеллет-ного топлива, прежде всего в коммунальном хозяйстве, будет неуклонно расти [14].
Во многих странах расширяются научные исследования и принимаются практические меры, направленные на повышение роли древесного сырья в топливно-энергетическом обеспечении. Использование в этих целях низкосортной древесины и отходов, а также создание специальных энергетических плантаций из древесных пород рассматриваются как наиболее важные хозяйственные проблемы. Опыт некоторых зарубежных стран показывает возможность создания теплогенерирующих установок для сжигания древесных отходов с коэффициентом полезного действия 85-90 %. Древесная биомасса как энергетический источник - объект многих исследовательских программ. Около 80 программ разрабатывает Лесная служба Министерства сельского хозяйства США [3]. Более 15 % всей энергии в Швеции дает биомасса. Считается, что использованием растительного топлива может быть покрыто до 20-30 % потребности в энергии.
В России выпускаются мобильные газогенераторные электростанции разных модификаций. Например, для условий отдаленных лесничеств может быть использована передвижная электростанция мощностью 4 кВт, работающая на древесных отходах. Масса ее - 0,4 т, расход древесины - 6...8 кг/ч, время непрерывной работы между загрузками топливом - 3...4 часа. Срок окупаемости - 3 года. Применение этой электростанции позволяет экономить 6 т бензина в год [10].
38
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2012
ЛЕСОВОДСТВО, ЛЕСНЫЕ КУЛЬТУРЫ И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
Развитие биоэнергетики в России является актуальной государственной проблемой снижения энергозависимости производств, особенно удаленных от мест добычи газа, нефти, каменного угля. Исходным сырьем для получения биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде является биомасса, которая аккумулирует солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения [13].
Углекислый газ, образуемый при производстве энергии из биотоплива, не относится к парниковым газам, так как биомасса и продукты ее сгорания рассматриваются как часть природного карбонового цикла. Растительные биомассы считаются одним из наиболее «благородных» видов и во многих странах рассматриваются в качестве перспективного источника энергии [11].
Исследования проведены в южной подзоне тайги, на территории Вологодской области (Бабаевский лесхоз) в культурах сосны 12...58-летнего возраста, где заложено 26 пробных площадей. В качестве объектов исследования подобраны чистые по составу или с незначительной примесью березы, идентичные по способу создания (посевы), участки культур сосны в лишайниковом, брусничном и черничном типах условий местопроизрастания, где имеются существенные отличия в почвенных условиях, живом напочвенном покрове и продуктивности древостоев. Они не подвергались промежуточному пользованию и представляют собой нормальные, высокопроизводительные культурфитоценозы.
Полевой экспериментальный материал получен методом однократных обмеров на временных пробных площадях, заложенных в культурах сосны одного естественного ряда развития. Обследование на них проводили с учетом методических рекомендаций В.В. Оги-евского, А.А. Хирова [9]; Н.Н. Соколова [15]; А.Р Родина, М.Д. Мерзленко [12]. По соседству с каждой из них брали по 10 модельных деревьев из разных ступеней толщины. Они разделывались на следующие фракции фитомассы: сухие сучья, живые ветви, древесная зелень (охвоенные побеги с диаметром у основания не более 0,8 см), кора ствола, дре-
весина ствола. Масса фракций, отдельно по каждой модели, определялась на платформенных весах с точностью до 50 г. Гистограммы распределения числа наблюдений по ступеням толщины служили основой отбора модельных деревьев, взятых за пределами пробной площади. При этом в средней ступени толщины брали по 2-3 модели, в остальных - по одной. В ступенях толщины, представленных единичными деревьями, брали по одной модели на каждую ступень или группу из 2-3 ступеней. Модельные деревья тщательно выбирали, избегая значительных отклонений по развитию крон, повреждений стволов, без признаков усыхания и т.п.
При подборе пробных площадей одного естественного ряда развития для составления таблиц запасов энергии мы придерживались следующих положений:
- принцип зональности (региональ-ности), т.е. с учетом современного состояния лесокультурного производства региона естественный ряд развития подбирается в пределах лесорастительной подзоны, в нашем случае южной;
- однородность происхождения лесосеменного материала;
- подбор участков культур с первоначальной густотой, близкой к рекомендациям официально действующих документов;
- к одному естественному ряду развития относятся участки культур, эколого-биологические свойства культивируемой породы которых в полной мере соответствуют условиям местопроизрастания.
При изучении степени использования солнечной энергии культурами сосны ставилась задача выявить количество тепловой энергии, заключенной в фитомассе культур-фитоценозов. Пофракционные запасы фитомассы древесного яруса культур сосны в южной подзоне тайги получены в результате проведенных нами полевых исследований. Размеры аккумулированной солнечной энергии в фитомассе культур сосны рассчитывали исходя из калорийности и количества органики, формируемой культурами за период их жизни. Калорийность или теплотворную способность фитомассы получали, используя
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 1/2012
39
ЛЕСОВОДСТВО, ЛЕСНЫЕ КУЛЬТУРЫ И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
Таблица 1
Теплотворная способность горючего материала по данным исследователей, ккал/кг
Вид горючего материала Автор и год публикации Среднее
по Н.П. Курбат-скому (1962) по А.А. Молчанову (1971) по В.П. Дадыки-ну и Н.В. Кононенко (1975) по Н.И. Казимирову и др. (1977)
Хвоя сосны 5226 5210 - 5148 5195
Древесина сосны - 4921 4809-5024 4870 4903
Кора сосны 4825 4815 - 4887 4842
Ветви сосны 4927 - - 4990 4959
Таблица 2
Аккумуляция энергии посевами сосны по типам леса, Гдж/га
Возраст, лет Диаметр, см Высота, м Запас стволовой древесины, м3/га Фракции фитомассы
сухие сучья ветви древесная зелень кора древе- сина итого
С. л и ш а й н и к о в ы й
10 - 1,9 8 2,35 1,8* 11,50 8,9 41,23 31,8 10,04 7,8 64,42 49,7 129,54 100
20 2,9 3,4 13 9,94 3,9 25,35 9,8 74,38 28,9 28,35 11,0 119,65 46,4 257,67 100
30 4,2 4,8 24 23,50 5,3 40,22 9,1 105,07 23,7 52,04 11,7 222,31 50,2 443,14 100
40 5,5 6,1 42 43,20 5,9 55,90 7,7 134,12 18,5 80,08 11,0 412,99 56,9 726,29 100
50 6,8 7,3 74 69,05 5,8 72,08 6,1 162,15 13,7 111,85 9,5 767,23 64,9 1182,36 100
60 8,0 8,5 135 101.41 5,2 88,78 4,6 189,37 9,7 146,93 7,5 1425,39 73,0 1951,88 100
С. б р у с н и ч н ы й
10 - 1,1 7 1,63 1,7 12,12 12,7 21,28 22,4 1,55 1,6 58,54 61,5 95,12 100
20 4,7 5,7 32 43,57 7,5 52,94 9,1 124,91 21,4 80,71 13,9 279,89 48,1 582,02 100
30 6,5 9,1 78 79,54 6,5 118,10 9,8 184,87 15,3 128,82 10,6 699,39 57,8 1210,72 100
40 8,3 11,6 145 99,97 5,1 138,87 7,1 214,64 11,0 162,96 8,3 1339,28 68,5 1955,72 100
50 9,9 13,4 235 94,72 3,3 126,15 4,4 227,32 8,0 189,45 6,6 2216,97 77,7 2854,61 100
60 11,5 14,7 348 54,41 1,3 170,64 4,2 236,32 5,9 211,08 5,3 3346,45 83,3 4018,90 100
С. ч е р н и ч н ы й
20 5,3 6,1 65 31,63 3,3 113,01 11,7 160,52 16,7 85,47 8,9 570,99 59,4 961,62 100
30 10,1 11,3 133 133,95 7,0 170,23 8,9 212,59 11,1 139,06 7,2 1259,27 65,8 1915,10 100
40 12,6 14,9 220 67,25 2,3 227,76 7,7 256,65 8,7 196,49 6,6 2207,14 74,7 2955,29 100
* в знаменателе приведено процентное выражение показателя аккумуляции энергии
40
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2012
ЛЕСОВОДСТВО, ЛЕСНЫЕ КУЛЬТУРЫ И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
данные экспериментальных исследовании с применением калориметрического метода ряда авторов (табл. 1). При этом выводили средние величины, которые для хвои, древесины, коры и ветвей составили 5195, 4903, 4842 и 4959 ккал/кг соответственно.
Произведенные расчеты показали, что количество энергии, аккумулированной фитомассой культур сосны в форме химических связей органических веществ, колеблется по типам леса в значительных пределах и связано с их производительностью (табл. 2). В исследованном возрастном периоде количество энергии, депонированной во всех фракциях фитомассы, возрастает.
Для выявления влияния типа условий местопроизрастания на энергетическую продуктивность посевов сосны провели сравнение этого показателя в одном возрасте культур (например, 40 лет) в разных типах леса. Минимальное количество энергии, депонированной древостоем, отмечается в сосняке лишайниковом (726,2 ГДж/га), максимальное - в сосняке черничном (2955,29 ГДж/га). В культурах сосны брусничного типа условий местопроизрастания количество аккумулированной энергии составляет промежуточную величину.
Из приведенных в табл. 2 данных видно, что относительное количество фиксированной солнечной энергии отдельными частями древесного яруса культур сосны изменяется по типам леса в небольших пределах и может быть охарактеризовано средними цифрами для всех исследованных типов леса. В частности, в посевах сосны 40-летнего возраста древесиной аккумулируется 67 % энергии, сухими сучьями, ветвями, древесной зеленью и корой - 4,8,13 и 9 % соответственно. Также можно отметить, что абсолютный и относительный энергетический потенциал веток, древесной зелени и коры с возрастом уменьшается на фоне увеличения энергетической продуктивности древесины. Данная закономерность характерна для всех изученных типов леса.
Н.А. Бабич и В.К. Любов [1] в результате проведенных исследований определили энергетический потенциал среднетаежных
сосняков-черничников искусственного происхождения. Авторы приводят для посевов сосны черничного типа условий местопроизрастания в возрасте 20, 30 и 40 лет величины депонированной надземной фитомассой энергии 627, 1609 и 2995 ГДж/га соответственно. Сравнивания приведенные данные с результатами наших исследований, можно отметить, что культуры сосны в южной подзоне тайги депонируют энергии несколько больше, чем в средней. Например, в 20-летнем возрасте посевы сосны черничного типа условий местопроизрастания южной подзоны тайги накапливают энергии на 35 %, в 30-летнем на 16 % больше, чем аналогичные культурфитоценозы средней подзоны. В возрасте 40 лет посевы сосны в указанных подзонах фиксируют энергию примерно в равных частях.
Результаты наших исследований представляют определенный интерес не только для теплоэнергетиков, но и для лесоводов. Полученная информация может быть использована при разработке теоретических основ тушения лесных верховых пожаров в сосновых молодняках, т.к. важно знать запасы горючих материалов в пологе древостоя. Эти данные необходимы для обоснования правильного выбора дозы огнегасящих химических средств и воды при тушении, а также при обосновании комплекса необходимых профилактических противопожарных мероприятий. Приведенные материалы дают возможность оценивать энергетический потенциал не используемых традиционно фракций фитомассы и позволяют наметить пути их энергетического использования, а также являются основой для составления энергетического баланса лесных сообществ и для изучения потока энергии в лесных экосистемах.
Библиографический список
1. Бабич, Н.А. Энергетический потенциал среднетаежных сосняков-черничников искусственного происхождения / Н.А. Бабич, В.К. Любов // География Европейского Севера - Архангельск: ПТУ, 2002. - С. 194-200.
2. Дадыкин, В.П. О теплотворной способности органического материала древесных растений / В.П. Дадыкин, Н.В. Кононенко // Лесоведение. - 1975. - № 2. - С. 30-37.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2012
41
