Текст печатается в авторской редакции

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

Кафедра охраны труда и окружающей среды

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

___________О.Г. Локтионова

«__» _____________2013 г.

Круговорот кислорода

Продукционный процесс в лесных экосистемах

Методические указания к проведению практических занятий

по дисциплинам «Общая экология», «Экология», «Информационная экология», «Экология Курского края» для студентов всех специальностей и направлений

очной и заочной формы обучения

Курск 2013

УДК 504

Составители: Т.Э. Гречаниченко, О.И. Белякова, В.В. Юшин

Рецензент

Кандидат химических наук, доцент В.В. Протасов

Круговорот кислорода. Продукционный процесс в лесных экосистемах: методические указания к проведению практических занятий по дисциплинам «Общая экология», «Экология», «Информационная экология», «Экология Курского края» / Юго-Зап. гос. ун-т; сост.: Т.Э. Гречаниченко, О.И. Белякова, В.В. Юшин. Курск, 2013. 20 с.: ил. 2. Библиогр.: с. 11.

Представлены материальные потоки веществ в лесных экосистемах, методики определения выделения кислорода, потребления воды и углекислого газа разными древесными породами при создании годового прироста древесины.

Предназначены для студентов всех специальностей и направлений очной и заочной формы обучения, изучающих дисциплины «Общая экология», «Экология», «Информационная экология», «Экология Курского края».

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать Формат 60х84 1/16.

Усл. печ. л. 0,64. Уч.-изд.л. 0,58. Тираж 50 экз. Заказ. Бесплатно.

Юго-Западный государственный университет.

305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Цель занятия: 1. Изучить круговорот кислорода. 2. Изучить материальные потоки веществ в лесных экосистемах, определить выделение кислорода, потребление воды и углекислого газа разными древесными породами при создании годового прироста древесины.

Общие положения

Кислород - наиболее распространенный на Земле химический элемент. Литосфера на 47% по массе состоит из кислорода, входящего в состав оксидов и солей. В атмосфере содержится по массе 23% (21% по объему) свободного кислорода. Гидросфера содержит 85,8% кислорода, основная доля которого приходится на воду. Кислород входит в состав растений (40%), животных (20%), минералов, оснований, большинства солей и кислот, органических веществ. Тело человека примерно на 65% состоит из этого элемента.

Продолжительность одного цикла в круговороте кислорода - 2000 лет. За это время весь кислород проходит через живое вещество.

Рис.1 Круговорот кислорода в природе (по Е. Криксунов и др., 1995)

В настоящее время атмосферный кислород является главным природным ресурсом устойчивого развития. По данным Института проблем химической физики РАН мировое техногенное потребление кислорода превосходит его приток в атмосферу. Нулевой баланс, по данным Римского клуба, был пройден еще в 70-е годы ХХ в., т. о. мы ввергаем последующие поколения в “кислородную катастрофу”. И только состояние растительного мира определяет ресурс выживания современной цивилизации. «Растение – это посредник между небом и землей», - писал К.А. Тимирязев. Солнечную энергию – главный источник в растительных сообществах – в лесу поглощают в основном кроны деревьев в процессе фотосинтеза и тем самым накапливают органическое вещество. Основная масса солнечной энергии отражается от поверхности крон и от почвы на прогалинах и уходит в атмосферу, незначительная часть расходуется на транспирацию.

При образовании 1 т растительной продукции используется 1,5 – 1,8 т углекислого газа и высвобождается 1,1 – 1,3 т кислорода. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают около 350 млрд т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества, химическая энергия которых в 100 раз больше, чем энергия, вырабатываемая всеми электростанциями мира.

Около 50% выделенного растениями кислорода продуцируется лесными экосистемами.

Лес занимает около 7% поверхности Земли, общая площадь его 3,8 млрд. га. Леса - основной тип растительности России, они занимают 45% ее территории. Россия обладает самыми большими в мире запасами леса. Площадь лесной части лесного фонда в РФ составляет 886.5 млн.га, а общий запас древесины - 80.7 млрд. м³, что составляет соответственно 21.7 и 25.9% мировых запасов. Превышение второй цифры над первой говорит о том, что Россия располагает более зрелыми и более продуктивными лесами, чем остальная планета в целом.

Леса как экологические системы интересны и важны во многих отношениях. Во-первых, это одни из немногих экосистем суши, сохранившиеся в естественном или слабо измененном человеком состоянии; во-вторых, это самые крупные экосистемы на Земле, которые характеризуются высокой продуктивностью и в которых аккумулируется большая часть органического вещества планеты в виде древесины, детрита, гумуса, используемого затем человечеством как для собственного потребления, так и для восстановления исчезающих в процессе его хозяйственной деятельности компонентов биосферы.

Леса играют огромную роль в газовом балансе атмосферы и регулировании планетарного климата Земли. Общий баланс для лесов России, рассчитанный Б.Н. Моисеевым составил для углекислого газа 1789064.8 тыс тонн, а для кислорода 1299019.9 тыс тонн. Ежегодно в лесах России депонируется 600 млн тонн углерода. Эти гигантские объемы миграции газов существенно стабилизируют газовый состав и климат планеты.

Необходимо отметить появление в современных условиях ярко выраженной тенденции резкого сокращения мировых объемов продуцирования природного кислорода, обуславливаемого как загрязнением Мирового океана, так и ростом масштабов уничтожения лесных массивов на планете, и постоянного увеличения объемов потребления кислорода на техногенные цели. Лесопарк Земли за последние 200 лет уже сократился наполовину, - вырублено около 4 млрд. га леса, и в настоящее время хищническая рубка идет все возрастающими темпами (со скоростью 2% в год),

В настоящее время особую тревогу вызывает судьба самых больших лесных массивов планеты - амазонских лесов. Они были величайшим источником богатств для всей Земли. В 80-е года уничтожилось от 100 до 130 тыс. лесов с целью освобождения земли для пашни и скотоводства. За последние 10 лет потеряна 1/4 часть лесов Таиланда, за 5 лет -1/7 лесов Филиппин. На этом фоне леса России, составляющие почти четверть мировых ресурсов, приобретают особую значимость для мирового сообщества.

В таких условиях становится совершенно очевидной необходимость признания того, что атмосферный кислород, как и вода, земля, лес, полезные ископаемые и др., является, во-первых, возобновляемым природным ресурсом, а, во-вторых, продуктом леса и Мирового океана и, в-третьих, его использование на техногенные цели обуславливает образование экологического ущерба. В этой связи возникает необходимость компенсации указанного ущерба путем увеличения объемов продуцирования свободного кислорода на основе как очистки поверхности Мирового океана от загрязнений, так и расширением площадей лесных насаждений, что требует дополнительного финансирования. Источником такого финансирования могу служить выплаты промышленных предприятий, потребляющих атмосферный кислород на техногенные цели.

В настоящее время возник вопрос о торговле квотами за пользование кислородом в связи с неоднородным распределением получения и потребления кислорода разными странами. Ряд стран являются донорами кислорода, их леса в избытке вырабатывают его и снабжают промышленные страны потребители. Тропические леса Бразилии производят в год избыточного кислорода около 5089 млн. т., а леса России - 5346 млн.т. Поставщиками кислорода являются также леса Канады, Аргентины, Венесуэлы, Мексики, Турции, Финляндии, Индонезии, Китая, Малайзии, Новой Зеландии, Филиппин. Активными потребителями кислорода являются промышленно-транспортные предприятия США, Австрии, Бельгии, Люксембурга, Англии, Германии, Греции, Дании, Италии, Нидерланд, Франции, Швеции, Венгрии, Польши, Румынии, Южной Кореи, Сингапура, Тайвани, Японии. Например, в США дефицит - разность между потреблением кислорода промышленностью и его воспроизводством растительностью составляет 1529 млн.т. ежегодно. Япония также потребляет атмосферного кислорода больше, чем производит флора её территории (на 1045 млн. т.) Япония и США - крупные потребители "чужого" кислорода - должны были бы ежегодно выплачивать странам - донорам 14,42 млрд. долларов и 21,1 млрд. долларов соответственно. Растительность России производит для всей планеты 5 млрд. т. избыточного кислорода, стоимость которого оценивается примерно 50 млрд. дол. Не исключено, что в XXI веке может быть осуществлён такой рыночный механизм.

Расчет количества поглощенных СО₂ и H₂O и выделившегося O₂ при создании древесины различных пород

Уравнение фотосинтеза, описывающее процесс создания вещества древесины, можно представить в общем виде:

х СО₂ + у:2 H₂O →Cx Hy Oz + w O₂

Число атомов углерода, водорода и кислорода (х, у, z), входящих в состав древесины, зависит от породы деревьев.

Элементный состав древесины (значения х, у, z) рассчитывается исходя из процентного соотношения С, Н и О (табл.1) по формулам

х = С:A₁; y = H:A₂; z = O:A₃,

где С, Н, О – содержание углерода, водорода и кислорода в соответствующей породе древесины в %, А₁, А₂, А₃ – атомные массы углерода, водорода и кислорода

Таблица 1 Химический состав древесины (% абсолютно сухого веса)

Пример

Рассчитайте коэффициенты х, у, z для древесины пихты.

Общая формула древесины Cx Hy Oz; процентное содержание углерода в древесине пихты составляет 50,4; атомная масса углерода = 12, следовательно:

х = 50,4: 12 = 4,2

Аналогично рассчитываются у и z (атомная масса водорода = 1, атомная масса кислорода = 16):

у = 6,0: 1 = 6,0, z = 43,1: 16 = 2,69.

Коэффициент w определяется через х, у, z из баланса числа атомов кислорода в уравнении фотосинтеза:

2 х + у:2 = z + 2 w,

Следовательно,

w = x + y:4 – z:2.

В справочной литературе данные о запасах и приросте древесины даются в кубических метрах. Однако, при расчетах по уравнению фотосинтеза необходимо знать массу создаваемой древесины в абсолютно сухом весе. Абсолютно сухой вес растительного материала определяют высушиванием его до постоянного веса при 100 – 105 ⁰С.

Пересчет объемов древесины на абсолютно сухой вес производится по формуле

Мдрев = PV,

где Мдрев – масса абсолютно сухой древесины, кг; Р – плотность древесины абсолютно сухого веса, кг/м³.

Плотность зависит от строения древесины и содержания в ней экстрактивных веществ (смол). Средние значения плотности древесины различных пород приведены в таблице 2.

Зная плотность древесины, можно рассчитать содержание сухого вещества в объеме древесины V, м³.

Если известно количество вещества древесины, созданного в лесу, то по формулам можно определить количества поглощенных при этом углекислого газа, воды и выделившегося кислорода:

МCO₂ = (x:100)∙ (молекулярная масса СО₂)∙ Мдрев;

МН₂О = (y:2:100)∙ (молекулярная масса H₂O)∙ Мдрев;

МO₂ = (w:100)∙ (молекулярная масса О₂)∙ Мдрев;

Таблица 2 Плотность древесины различных пород

Пример

Какое количество СО₂ и H₂O потребляется и какое количество О2 выделяется при создании 100 куб.м древесины кедра?

1. Определяем коэффициенты х, у, z, w для древесины кедра:

х = 49.8: 12 = 4,15; у = 6,3: 1 = 6,3, z = 43,5: 16 = 2,7

w = x + y:4 – z:2 = 4.15 + 6.3:4 – 2.7:2 = 4.38

2. Пересчитываем объем древесины в абсолютно сухой вес при плотности древесины кедра 440 кг/куб.м:

Мдрев = 100 ∙ 440 = 44000 кг = 44 т.

3. Определяем поглощенные количества СО₂ и H₂O:

МCO₂ = (4,15:100) ∙ 44 ∙ 44 = 80,3 т;

МН₂О = (6,3:2:100) ∙ 18 ∙ 44 = 24,9 т;

4. Определяем количество выделившегося кислорода:

МO₂ = (4,38:100) ∙ 32 ∙ 44 = 61,7 т;

Часто при изучении древостоев определяют текущий годовой прирост Vгод, - созданный за один год объем древесины на площади леса в 1 га (м³/га∙год). Годовой прирост зависит от породы, возраста и бонитета древостоя.

Бонитет (от лат. bonitas — доброкачественность), показатель продуктивности леса, зависящий от условий (местообитания) -определяется средней высотой деревьев господствующей породы насаждения с учётом его возраста. По бонитировочной шкале насаждения делятся на 5 классов бонитета, обозначаемых римскими цифрами. К I классу относят насаждения наиболее продуктивные, к V классу — наименее продуктивные. Скорость роста древостоя увеличивается с повышением класса бонитета.

В табл. 3 приводятся значения годовых приростов основных лесообразующих пород I бонитета.

Таблица 3 Текущий годовой прирост в древостоях основных лесообразующих пород I бонитета (м³/га)

Масса древесины, созданная на 1 га леса за год, с учетом годового прироста равна

Мдрев∙год = PV год

Пример

Определите потребление углекислого газа, воды и выделение кислорода в древостоях при создании прироста древесины кедра, равного 10.7 м³/га∙год

1. Определяем коэффициенты х, у, z, w для древесины кедра:

х = 49.8: 12 = 4,15; у = 6,3: 1 = 6,3, z= 43,5: 16 = 2,7

w = x + y:4 – z:2 = 4.15 + 6.3:4 – 2.7:2 = 4.38

2. Пересчитываем объем древесины на абсолютно сухой вес при текущем годовом приросте V год, равном 10.7 м3/га∙год:

Мдрев∙год = PV год= 440 ∙ 10,7 = 4708 кг/га.

3. Определяем количества поглощенных углекислого газа и воды:

МCO₂ = (4.15:100) ∙ 44 ∙ 4708 = 8596,8 кг;

МН₂О = (6,3:2:100) ∙ 18 ∙ 4708 = 2669,4 кг;

4. Определяем количество выделившегося кислорода:

МO₂ = (4,38:100) ∙ 32 ∙ 4708 = 6598,7 кг;

Контрольные задания

1. Определите потребление углекислого газа, воды и выделение кислорода разными породами деревьев (см. табл. 4) при создании годового прироста древесины.

2. Определите количество древесины, которое должно быть создано на 1 га, чтобы при этом было поглощено 3 т углекислого газа.

3. Определите количество древесины, которое должно быть создано на 1 га, чтобы при этом выделилось 3 т кислорода.

4. Определите, какой объем древесины должен быть создан для выделения количества кислорода, необходимого человеку для дыхания в течение жизни? (Потребление кислорода в состоянии покоя 12 л/час, масса 1 л кислорода при нормальных условиях 1,43 г, средняя продолжительность жизни 70 лет).

Контрольные вопросы

1. К каким последствиям приводит уничтожение лесов?

2. Какие аспекты продукционного процесса в лесу не рассмотрены в практической работе?

3. Представьте, что в мире введены квоты за дефицит потребления кислорода в пользу стран-доноров. К каким изменениям в мировой системе это могло бы привести?

Таблица 4 Варианты заданий

Условные обозначения: С – сосна, Бр – береза, Д – дуб, Е – ель, К – кедр, Л – лиственница, Б – бук, Ол – ольха, Ос – осина, П – пихта. Цифрами обозначен возраст древостоя.

Библиографический список

1. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Ростов н/Д: Изд-во «Феникс», 2001

2. Степановских А.С. Прикладная экология. М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2005.

3. Клауд П., Джибор А. Круговорот кислорода.//Биосфера. М.: Мир, 1982. С. 73-91.

4. Никонов М. В. Лесоводство: учебное пособие. - Санкт-Петербург,2010. - 223 с.

5. Комаров А.С. и др. Моделирование динамики органического вещества в лесных экосистемах. - Москва: Наука, 2007. - 379 с.

Поиск по сайту: