CC BY
62
М.М. Иванова
ЭКОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЛЕСОВ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ (НА ПРИМЕРЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ)
Проведен эколого-энергетический анализ трех способов восстановления сосны на вырубках: посадкой сеянцев, посевом семян и естественным заращиванием. В анализе, наряду с техногенными вкладами энергии, учтены природные; показана их доля в процессе восстановления лесов, предложены пути экономии энергии, раскрыта структура участвующих в процессе энергетических потоков.
Ключевые слова: эколого-энергетическая эффективность; лесовосстановление; энергетические эквиваленты.
В последние десятилетия работы многих ученых посвящаются поиску оптимальных взаимоотношений между человеческими запросами и возможностями природы удовлетворить эти запросы. Энергопотребление общества растет вместе с нагрузкой на природные системы, в то же время ресурсы продаются по низким ценам, в которые не закладывается труд самой природы по их производству - природная рента. Отсюда истощение, деградация природной среды, нехватка денег на ее восстановление. Для ликвидации этого перекоса очень важно правильно оценить вклады природы и людей в производство энергоресурсов и материальных благ. Поиском универсальной единицы измерения этих вкладов занимались многие ученые и пришли к выводу, что таковой должна стать энергия. Появились энергетические методики: теория оценки Сраффа, воплощенной энергии Паттерсона, оценка состояния системы через эксергию и др. Энергетический анализ привлекает ученых идеей адекватного сравнения не сравнимого с помощью других мер: денег, килограммов, метров. Он обеспечивает возможность не только сравнивать вклады природы с вкладами человека в какой-либо товар, но и определять энергетические потоки в различных системах (агро-, эко-, урбосистемах и др.), сравнивать их по эффективности использования ресурсов. С помощью энергетического анализа можно эффективно оценивать различные варианты новых технологий, устойчивость функционирования любых систем (биологических, экономических, социальных и пр.). Это отличный инструмент системного анализа. Однако на настоящий момент он рассматривается как дополнительное средство к основному - экономическому или экологическому исследованию. Причина этого - недостаточность разработанности энергетического анализа.
Между тем еще в XIX в. по теории Д. Джоуля и Д. Мэйера энергия представлялась всеобщей универсальной единицей, хотя она понималась как эквивалент тепла. Важный вклад внес А. Лотка, который развил теорию максимизации энергии, биохимической динамики и экологии популяций, а также наш соотечественник С.А. Подолинский, занимавшийся исследованием теории превратимой энергии, выявлением значения растений, животных и человека в ее распределении, роли труда в повышении энергийного бюджета на Земле. Ближе всех к решению проблемы подошел эколог Говард Одум, заложив основы теории овеществленной в продукте энергии, назвав ее энергией.
Сегодня анализ эколого-экономических систем на основе энергетических расчетов используется в области инженерной экологии [1], экологии территорий [2], лесопромышленного менеджмента [3], экономики
стран и регионов [4, 5], экономической теории стоимости [6] в системе сельского хозяйства [7]. В нашей стране энергетический анализ используется в области сельского хозяйства такими учеными, как А. С. Минд-рин, Г.А. Булаткин, Г.И. Чогут, О.В. Фельдман, Е.А. Денисенко, Д.О. Логофет, В. А. Бузько, А.В. Глотко и др. Ими разработаны методики, определены некоторые энергетические эквиваленты для российских условий, рассчитана эффективность технологий сельскохозяйственного производства [8-12].
В большинстве работ, как правило, все потоки переведены в стандартные энергетические единицы, но без учета того, что различные виды энергии неэквивалентны. Использование стандартных энергетических единиц не позволяет учитывать вклад возобновляемых природных ресурсов, таких как солнечная радиация, а между тем потоки природной энергии имеют значение на порядок больше искусственной.
В Томске, в лаборатории самоорганизации геосистем ИМКЭС СО РАН, группа ученых во главе с проф. А.В. Поздняковым обратилась к данной проблеме в конце 1990-х гг. [13]. Разработаны новые подходы и методологические основы оценки функционирования различных геосистем в энергетических единицах. Проведен энергетический анализ функционирования конкретных геосистем на примере агроэкосистем [14] и лесных систем [15].
В данном исследовании применен экологоэнергетический анализ к лесовосстановительным работам как наиболее важной и трудоемкой стадии создания леса. Объектом исследования взяты леса Тимирязевского лесхоза Томской области.
Общая площадь лесов Томской области составляет 91% от ее территории, ведется интенсивная лесохозяйственная деятельность, имеющая тенденцию к росту. Так, согласно Лесному плану Томской области, к 2018 г. объемы заготовки древесины составят 11,4 млн м3 в год, т.е. должны увеличиться в 3,2 раза по сравнению с 2007 г. [16. Кн. 2. С. 9]. В связи с вышеизложенным актуальность изучения лесных экосистем, ликвидации последствий экономической деятельности путем восстановления лесов не ослабевает. Лесоводы отмечают большую значимость лесовосстановления по сравнению с лесопользованием и отстаивают особую важность принципа постоянства и неистощительности пользования лесными богатствами.
Методика исследований
Основная задача энергетического анализа - оценка затрат различных видов энергии. В основу исследования нами взята уже апробированная на сельскохозяйст-
венном производстве методика энергетического анализа [8], но для полноты картины были учтены не только техногенные вклады энергии, но и природные, поэтому представленный анализ мы обозначили как экологоэнергетический. К природным источникам относятся солнечное излучение, осадки и почва, к техногенным источникам - привнесенные человеком в рассматриваемую экосистему для поддержания ее структуры, функционирования и снижения неблагоприятных воздействий на растущий лес. Все энергетические вклады подразделяют на прямые (непосредственно связанные с работами на данном участке леса) и косвенные. В случае искусственного лесовосстановления к прямым вкладам относятся затраты труда, расход топлива и смазочных материалов. При учете природной составляющей сюда добавляются солнечная энергия, химическая энергия осадков и энергия питательных веществ почвы. К косвенным вкладам относятся затраты энергии на создание и ремонт техники, на производство посевного материала (семян, сеянцев). Электроэнергия и удобрения не используются в данной технологии. При исчислении энергетических затрат используются энергетические эквиваленты и нормы амортизации на лесохозяйственные машины, орудия, тракторы. Энергетические эквиваленты техники включают в себя расход энергоносителей на изготовление металла для деталей тракторов и сельскохозяйственных машин, заменяемых при эксплуатационных ремонтах, энергию, потребленную на ректификацию кислорода, использованного при сварочных работах.
Суммарное количество затрат техногенной энергии рекомендуется находить по формуле
м N м
Е = 1 (I хиЬ,) = ^ Е, ,
г=1 j=1 г=1
где М - число технологических операций; N - число видов энергозатрат в пределах каждой технологической операции; Ху - затраты в натуральном выражении j-го вида затрат при выполнении г-й операции; Ьу -энергетический эквивалент у-го вида затрат; Ег - энергозатраты при выполнении г-й технологической операции [11].
В качестве конечного показателя энергетической эффективности восстановления леса выступает коэффициент энергетической эффективности Кее, численное значение которого равно отношению энергосодержания продукции Еп к энергетическим затратам на производство Е:
К = Е / Е
1 '-ее ■‘—'П '
Для раскрытия значения природных потоков и сравнения их с техногенными вкладами мы применили методику Г. Одума [17]. По данной методике все энергетические потоки приводятся к потоку солнечной энергии через трансформации. Трансформация показывает, сколько джоулей солнечной энергии пошло на получение 1 джоуля приводимой энергии. Например, по данным Фельдмана, Денисенко, Логофета, на получение 1 джоуля химической энергии дождя в условиях средней полосы России затрачивается 18199 солнечных джоулей (сДж). Трансформации в наши расчеты взяты из нескольких источников [7, 10, 17], они имеют размерность сДж/Дж или сДж/кг. Трансформация семян
сосны рассчитана автором для климатических условий юга Томской области.
Методика позволяет анализировать технологии лесовосстановления, применяемые в конкретных лесорастительных условиях. Необходимо также принимать во внимание, что при оценке энергетической эффективности систем корректно сравнивать только технологии возделывания одной и той же культуры, различные сорта конкретной культуры, а также агроценозы, возделываемые с одинаковой целью (например, культуры, выращиваемые для получения только сахара или производства только волокна, или культуры-источники грубых кормов) [9]. В данном исследовании мы анализируем эколого-энергетическую эффективность трех способов восстановления сосны обыкновенной: посадкой 2-летних сеянцев, посевом семян и естественным заращиванием. Так как во всех трех случаях Еп одинаковое, то выводы об эффективности сделаем на основе анализа затрат Е.
Расчет энергетических затрат на лесовосстановление
Лесовосстановление - это восстановление основных компонентов леса с возобновлением лесообразующих пород [18. Т. 1. С. 257]. Объектом исследования выбраны леса Тимирязевского лесхоза Томской области, расположенные в Обь-Томском лесохозяйственном районе южнотаежной лесохозяйственной подзоны. Климат территории является переходным от умеренно континентального Русской равнины к резкоконтинентальному Восточной Сибири. За год здесь в среднем выпадает 517 мм осадков [19]. Суммарная солнечная радиация 3800-4200 МДж/м2 [20]. Общий объем элементов питания, потребляемых на создание годичной продукции (емкость биологического круговорота), оценивается по потреблению азота и зольных элементов (81, Са, К). Емкость биологического круговорота южной тайги составляет 470 кг/га в год [21]. По нашим расчетам, в первые 10 лет лесопосадки потребляют с питательными веществами почвы в среднем 11 016 МДж в год.
Затраты техногенной энергии на искусственное лесовосстановление 1 га леса в Тимирязевском лесхозе представлены в табл. 1 и 2. Расчет проводился согласно расчетно-технологическим картам по ОГУ Тимирязевский лесхоз. При расчетах лесовосстановления посадкой сеянцев в объем техногенной энергии включались затраты на производство 4,8 тыс. шт. двухлетних сеянцев сосны в питомнике, на подготовку площади, уборку порубочных остатков, подготовку почвы, посадку, агротехнические уходы, дополнение культур в размере 20% от посаженного количества. В табл. 2 включены затраты на производство семян сосны, посев, агротехнические уходы, дополнение культур. Сравнительная диаграмма затрат техногенной энергии на посев и посадку представлена на рис. 1.
При одинаковом потреблении энергии топлива и техники эти два способа существенно различаются по доле вкладываемого труда и затратам на посевной (посадочный) материал (см. рис. 1). Посадка более трудоемка за счет ручного труда, посев же производят меха-
низированно. С другой стороны, энергия в случае посадки культур экономится за счет выращивания посадочного материала в питомнике, тогда как при посеве тратится огромное количество семян. Семена будут «стоить» гораздо дороже, если учитывать затраты энергии на содержание лесосеменных плантаций и
сбор шишек с «живых» деревьев (в нашем расчете принималось, что сбор шишек осуществляется на вырубках с поваленных деревьев I класса бонитета, что экономичнее). Учтя эти особенности и механизировав посадку сеянцев, можно сделать восстановление культур более энергоэкономичным.
Т а б л и ц а 1
Техногенные энергетические затраты на создание 1 га культур сосны посадкой сеянцев
Наименование используемого ресурса Единица измерения Энергетический эквивалент, МДж/ед. Затраты энергии
МДж %
1. Техника кг 142,2 760,7 8,1
2. Дизельное топливо кг 37,66 1252,6 13,3
3. Моторные масла кг 60,81 333,2 3,5
4. Бензин кг 37,66 1755,3 18,7
5. Затраты труда чел-ч 43,4 4465,0 47,5
6. Сеянцы тыс. шт. 175,6 842,9 9,0
Итого 9409,7 100
Т а б л и ц а 2
Техногенные энергетические затраты на создание 1 га культур сосны посевом семян
Наименование используемого ресурса Единица измерения Расход ресурса на га Энергетический эквивалент, МДж/ед.изм. Затраты энергии, МДж
Всего %
1. Техника м-ч 20,19 51,6 1041,9 12,7
2. Дизельное топливо кг 77 37,66 2899,8 35,3
3. Затраты труда чел.-ч 36,19 43,4 1570,6 19,1
4. Семена сосны кг 1,08 2249,7 2429,6 29,5
5. Моторные масла кг 4,62 60,81 280,9 3,4
Итого 8222,8 100
Техника Топливо и ГСМ Затраты труда Семена/сеянцы
И Посев и Посадка
Рис. 1. Затраты техногенной энергии на выращивание 1 га культур сосны посевом семян и посадкой сеянцев
Расчет энергетических затрат с учетом природных потоков
Естественное заращивание - способ лесовосстановления при котором не используется техногенная энергия и мы принимаем в расчет только природные потоки: солнечную радиацию, осадки, питательные вещества почвы, семена. Естественное лесовозобновление наблюдается на большей территории Томской области и проходит удовлетворительно. Вырубки возобновляются в течение 10 лет. За этот период времени используется следующая энергия: солнечная - 42 107 МДж/га; энергия осадков - 255 400 МДж/га; энергия питательных веществ почвы - 110 159,7 МДж/га; энергия семян - 9 033 283,5 МДж/га. Выразив эти потоки в сол-
нечных джоулях, мы можем сравнить их между собой или, например, с другими способами лесовосстановления (см. табл. 3). Хотя значения трансформаций постоянно уточняются и значительно колеблются в зависимости от региона (трансформации природных потоков) и технологии добычи и производства (например, трансформации полезных ископаемых, машин), но доли участия человека и природы отображаются наглядно, как показано на рис. 2.
В производстве семян большей частью задействована природа, но привносит на необходимые площади и высевает семена высокого качества в процессе искусственного лесовосстановления все-таки человек, поэтому в этом случае энергию семян относим к техногенным потокам. В год посадки вклады энергии из техногенных
(экономических) и природных источников практически одинаковы (965 417 ГсДж и 995 767 ГсДж соответственно), но в последующие годы постоянны только вклады природы. Таким образом, 9/10 частей энергии в процесс
создания культур сосны посевом вкладывают природные источники, и лишь 1/10 идет из антропогенных источников. Этот расчет мы привели для наглядного соотношения природных и техногенных вложений.
Т а б л и ц а 3
Структура использования природных и экономических ресурсов при создании 1 га культур сосны посевом семян
Наименование используемого ресурса Единица измерения Расход ресурса в год Трансформация, сДж/ед.изм. Затраты приведенной энергии, ■109 сДж Затраты за 10 лет, ■109 сДж
Природные ресурсы
1. Солнечная радиация ГДж 42 000 1 42 000 420 000
2. Осадки Дж 25539,8 * 106 18199 464 798,8 4 647 988, 2
3. Почва Дж 7761,4* 106 63000 488 968,2 6 940 061,1
Всего природных ресурсов: 995 767 12 008 049,3
Экономические ресурсы
4. Семена сосны кг 0,9 941281675,7 106 847 153,5 1 016 584,2
5. Затраты труда МДж 40,38 1 700 000 68 646 123 046
6. Дизельное топливо и моторные масла кг 81,62 6810 000 000 555,8 555,8
7. Техника М-ч 20,19 2,43-1012 49 061,7 49 061,7
Всего экономических ресурсов: 965 417 1 189 247,7
Итого: 1 961 184 13 197 297
Рис. 2. Затраты природной и техногенной энергии на создание 1 га культур сосны посевом семян (за первые 10 лет)
Наименее энергозатратным способом, конечно, является естественное заращивание, т.к. в нем не участвуют техногенные потоки, но оно же является наименее надежным, т.к. зависит от погодных условий, урожая семян, технологических условий рубки и многого другого. В случае высокой конкуренции травяного покрова (например, во влажных чернично-долгомошниковых и травяноболотных сосновых лесах) искусственное лесовосстановление является единственно возможным способом восстановления сосны без смены пород.
Таким образом, использование эколого-
энергетического анализа позволило нам реально оценить энергетический вклад как природных, так и техногенных источников при восстановлении сосны обыкновенной, сравнить технологии лесовосстановления по эффективности, что свидетельствует о значительных перспективах описанного метода анализа, о возможностях его широкого применения в исследованиях функционирования различных геосистем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Odum H.P., Odum B. Concepts and methods of ecological engineering // Ecological Engineering. 2003. № 20. P. 339-361.
2. АдамА.М. Управление природопользованием на уровне субъекта Федерации. М.: Тиссо, 2002. 148 с.
3. Tilley D.R., Swank W.T. EMERGY-based environmental systems assessment of a multi-purpose temperate mixed-forest watershed of the southern
Appalachian Mountains, USA // Journal of Environmental Management. 2003. № 69. P. 213-227.
4. Higgins J.B. Emergy analysis of the Oak Openings region // Ecological Engineering. 2003. № 21. P. 75-109.
5. Ortega E., Safonov P., Comar V. Emergy-based dynamic modeling of Brazil: conceptual considerations and scenaries for sustainable development //
«Introduction to ecological engineering with brazilian case studies». Unicamp, SP, Brazil, 1998.
6. Farber S.C., Costanza R., Wilson M.A. Economie and ecological concepts for valuing ecosystem services // Ecological economics. 2002. № 41.
P. 375-392.
7. Jiang M.M., Chen B., Zhou J.B. et al. Emergy account for biomass resource exploitation by agriculture in China // Energy policy. 2007. № 35.
P. 4704-4719.
8. Миндрин А.С. Энергоэкономическая оценка сельскохозяйственной продукции: Дис. ... докт. экон. наук. М., 1997. 291 с.
9. Булаткин Г.А. Эколого-энергетические основы воспроизводства плодородия почв и повышения продуктивности агроэкосистем: Автореф.
дис. ... докт. биол. наук. М., 2007. 44 с.
10. Фельдман О.В., Денисенко Е.А., Логофет Д.О. Эмергетический подход при оценке эффективности использования ресурсов // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. М.: ВИНИТИ, 1998. С. 66-81.
11. Энергетический анализ в сельском хозяйстве: Методологические и методические рекомендации. Кишинев, 1988. 128 с.
12. Чогут Г.И. Эффективность функционирования эколого-экономических систем в сельском хозяйстве: теория, методология, практика: Авто-реф. дис. . докт. экон. наук. Воронеж, 2007. 43 с.
13. Поздняков А.В. Стратегия российских реформ. Томск, 1998. 324 с.
14. Поздняков А.В., Шуркина К.А. Новый методологический подход к анализу функционирования агроэкосистем // Вестник ТГУ. 2008. № 316.
С. 206-212.
15. Иванова М.М. Энергетический анализ экосистем как один из аспектов их многокритериальной оценки // Проблемы устойчивого развития: иллюзии, реальность, прогноз: Материалы VI Всероссийского научного семинара «Самоорганизация устойчивых целостностей в природе и обществе». Томск: ТГУ, 2002. С. 143-147.
16. Лесной план Томской области (проект) // Департамент развития предпринимательства и реального сектора экономики ТО; ОАО «Лесин-вест»; ИМКЭС СО РАН. Томск, 2008.
17. Odum H.T. Environmental Accounting. Emergy and Environmental Decision Making. N.Y.: John Willey&Sons, Inc., 1996. 370 p.
18. Данченко А.М., Данченко М.А. Эколого-биологические термины в лесном хозяйстве: Словарь-справочник: В 3 т. Томск: Изд-во ТГУ, 2004.
19. КосоваЛ.С. Природа города Томска. Томск: Изд-во ТГУ, 1999. 115 с.
20. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К. и др. Автоматический пост для контроля качества воздуха // Труды Международной конференции
ENVIROMIS’2000. Томск: Изд-во ЦНТИ, 2001. С. 15-20.
21. Базилевич Н.И., Гребенщиков О.С., Тишков А.А. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем. М.: Наука,
1986. 297 с.
Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 15 апреля 2009 г.
