Повна версія

Головна arrow Екологія arrow Теорія систем в екології

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

Системний аналіз самоочищення біотехноценозу

Зі збільшенням щільності населення в містах, індустріалізацією і розвитком транспорту зростає антропогенне навантаження на природні екосистеми, що призводить до руйнівної дії на навколишнє середовище.

Радикальними методами охорони природи від техногенних дій є скорочення виділення шкідливих відходів виробництва, повноцінне очищення викидів, обмеження навантаження на природні екосистеми і підтримку їх здатності до репродуктивності.

Виробництво впливає на природні системи у вигляді позитивного зворотного зв'язку. Так, при спалюванні викопного палива виділяється вуглекислий газ та інші шкідливі домішки, тобто виникає додатковий гетеротрофний компонент. Сукупність функціонуючих на одній території об'єктів техніки і взаємодіючих із ними елементів природного середовища називається біотехноценозом. Проте наземні екосистеми щорічно асимілюють близько 12 % діоксину вуглецю. Найпродуктивнішими є лісові екосистеми. Дерева здатні поглинути за вегетаційний період 20-25 т/га СО2 і виділити 15-18 т/га O2. Відзначимо, що в прирості деревини (на відміну від інших видів рослинності) СO2 зв'язується на тривалий період.

Значення лісів є глобальним і життєво важливим для всього комплексу екологічних систем Землі, оскільки лісові екосистеми характеризуються найвищою інтенсивністю біологічного кругообігу та володіють найбільшою органічною масою, значення якої постійно зростає. Ліси – акумулятори та носії енергії, яка бере участь у ході природних процесів і розвитку біосфери. Донедавна вважалося, що лісам як винятково складним екосистемам притаманна висока стійкість до антропогенних навантажень. Однак накопичені останнім десятиріччям дані похитнули оптимістичні концепції про динамічну стійкість лісових екосистем до тривалого поглинання доз речовин-забрудників.

Знеліснення та деградація лісових екосистем є однією з найактуальніших екологічних проблем сучасності. Зменшення площі лісів і зниження їх стійкості залежать не лише від надмірного споживання лісових ресурсів та ступеня забрудненості середовища, а й від економічного розвитку держави та рівня культурного розвитку населення.

Основними причинами довготривалого погіршення стану лісів, їх деградації та загибелі вважаються комплекси природних, антропогенних та соціально-економічних чинників. Дослідження останніх років доводять, що деградація лісів зумовлена комплексами одночасно діючих факторів, які призводять до фізіологічного стресу деревної та чагарникової рослинності.

Дія кожного з чинників – чи природних, чи антропогенних, чи соціально- економічних – призводить до певних негативних наслідків, а сукупний їх вплив посилює діїо кожного зокрема.

Величезний позитивний вплив лісів на екологічну ситуацію довкілля очевидний. Екологічна роль лісів характеризується великим різноманіттям, що об'єднуються в такі групи екологічних функцій: глобальну, середовищеутворювальну, середовшцезахисну, соціально-екологічну, еколого- релаксаційну та спеціальну.

Основними загальними проявами аеротехногенної трансформації лісових екосистем України є:

  • • підлуговування лісового середовища (опадів, ґрунтів, рослинних тканин);
  • • акумуляція токсикантів у компонентах екосистеми;
  • • пошкодження асиміляційного апарату;
  • • вилуговування з рослинних тканин і ґрунтів елементів живлення;
  • • зниження інтенсивності біокругообігу;
  • • пригнічення біологічної активності ґрунтів;
  • • зниження приросту стовбурової і кронової біомаси;
  • • зменшення диференціації дерев за ростом і розвитком;
  • • розвиток у підліску азотолюбів;
  • • геліофітизація і рудералізація паралельно з десильватизацією (остепніння та олучнення) надґрунтового покриву;
  • • зниження видової різноманітності та рясності мохів і лишайників.

Усі зазначені вище порушення іїпегруються у трансформащю структурно-фукціональної організації лісової екосистеми, зниження її продуктивності та біологічної стійкості до несприятливих екологічних факторів, що закладає передумови подальшої її дигресії, якщо негативний тиск не неї не знизити до нормативного рівня. У той же час у кожній природній зоні і тим більше при різних типах забруднення (навантажень у цілому) виділяються свої особливості в реакції лісових екосистем на вплив негативних чинників, що вимагає системного підходу та виваженого аналізу всіх умов екологічної проблеми.

Ліси – найбільший накопичувач сонячної енергії і біологічної маси, одне із джерел кисню на Землі. Завдяки процесу фотосинтезу здійснюється одна з найважливіших функцій лісів – газова, внаслідок чого з атмосфери виводиться вуглекислий газ і надходить кисень. Рівняння фотосинтезу, що описує процес утворення речовини деревини, можна подати в загальному вигляді:

(2.15)

Число атомів С, H і O (х, у, z), що входять до складу деревини, залежить від породи дерев (табл. 2.5).

Таблиця 2.5 – Хімічний склад деревини (% абсолютно сухої ваги)

Деревна порода

C

H

O

Зольні елементи

Береза

50,2

6,2

43,0

0,6

Бук

50,4

6,2

42,3

1,1

Дуб

50,5

6,3

42,3

0,9

Ялина

50,5

6,2

42,8

0,5

Модрина

50,1

6,3

43,2

0,4

Осика

50,3

6,3

42,6

0,8

Ялиця

50,4

6,0

43,1

0,5

Сосна

49,6

6,4

43,6

0,4

Елементний склад деревини (х, у, z), розраховується виходячи з процентного співвідношення С, H і O за формулами:

(2.16)

де С, Н, O – вміст вуглецю, водню та кисню у відповідній породі деревини, %;- атомні маси вуглецю, водню та кисню.

Коефіцієнт w визначається через х, у, z із балансу числа атомів кисню в рівнянні фотосинтезу

(2.17)

отже,

(2.18)

Під час розрахунків за рівнянням фотосинтезу необхідно знати масу утворюваної деревини в абсолютно сухій вазі, але в довідковій літературі дані про запаси, приріст деревини даються в кубічних метрах. Перерахунок об'ємів деревини на абсолютно суху вагу виконують за формулою

(2.19)

де – маса абсолютно сухої деревини, кг; P – густина деревини абсолютно сухої ваги, кг/м''.

Густина залежить від будови деревини і вмісту в ній екстрактних речовин (смол). Середні значення щільності деревини різних порід наведені табл. 2.6. Знаючи густину деревини, можна розрахувати вміст сухої речовини в об'ємі деревини V, м3.

Таблиця 2.6 – Густина деревини різних порід

Хвойні породи

Р, кг/м3

Листяні породи

Р, кг/м3

Ялина

430

Береза

600

Модрина

570

Бук

680

Ялиця

410

Дуб

650

Сосна

490

Осика

410

Якщо відома кількість речовини деревини (лід), утвореного в лісі, то за формулами можна визначити кількості поглинених при цьому вуглекислого газу, води і кисню, що виділився:

(2.20)

Часто під час вивчення деревостанів визначають поточний річний приріст Kpi,, тобто створений за один рік об'єм деревини на площі лісу в 1 га (M3Zra puc). Річний приріст залежить від породи, віку і бонітету деревостанів.

Бонітет (від лат. bonitas – доброякісність) – показник продуктивності насаджень, залежний від умов зростання. Виділяють 5 основних класів бонітету: до І класу належать найбільш продуктивні насадження, а до V – найменш продуктивні. Швидкість росту деревостанів збільшується з підвищенням класу бонітету.

У табл. 2.7 наведені значення річних приростів основних лісоутворювальних порід І бонітету.

Таблиця 2.7 – Поточний річний приріст в деревостоях основних лісоутворювальних порід І бонітету (м3/га)

Порода

Вік дерев, років

15

35

55

75

135

Ялина

7,6

11,1

11,6

10,7

6,9

Сосна

8,2

10,7

9,6

7,8

4,2

Ялиця

7,6

11,1

11,6

10,7

6,9

Береза

7,6

8,5

7,3

5,0

3,9

Осика

11,4

11,4

9,0

5,5

-

Дуб

10,9

10,5

8,3

5,9

4,0

Маса деревини, створена на 1 га ліси за рік з урахуванням річного приросту дорівнює

Розглянемо як приклад спрощений розрахунок матеріальних потоків у лісовій екосистемі.

Визначимо кількість CO2 та H2O, що споживається, кількість O2, що виділяється при створенні 100 M3 деревини кедра з елементним складом: C = 49,8 %, H = 6,3 %, O = 43,5 % і густиною 440 кг/м3, а також при створенні приросту деревини кедра, що дорівнює 10,7 м3/га рік.

1. Визначаємо коефіцієнти х, у, z, w для деревини кедра:

2. Перераховуємо об'єм деревини в абсолютно суху вагу при густині деревини кедра 440 кг/м':

3. Визначаємо поглинені кількості CO2 і H2O:

4. Визначаємо кількість O2, що виділилася:

5. Перераховуємо об'єм деревини на абсолютно суху вагу при поточному річному прирості V, що дорівнює 10,7 м3/га:

6. Визначаємо кількості поглинених CO2 і H2O:

7. Визначаємо кількість O2, що виділилася за рік:

На сьогодні є безліч джерел антропогенного характеру, що викликають забруднення атмосфери і призводять до серйозних порушень екологічної рівноваги екосистем.

Використання викопного палива на енергетичні, технологічні та інші потреби пов'язане з викидом у повітряне середовище великої кількості забруднювальних речовин. Це призводить до виникнення складної екологічної проблеми перенесення забруднень в атмосфері. Оскільки атмосфера є найрухомішим середовищем біосфери, то маси повітря і забруднень переносяться на значні відстані й можуть впливати на екологічну ситуацію цілих регіонів, порушуючи рівновагу екологічних циклів основних біогенних речовин.

Склад забруднювальних речовин в атмосфері залежить від виду спалюваного палива.

Тверде, рідке і газоподібне паливо використовуються в промисловості, тепловій енергетиці та автотранспорті. Забруднювальні речовини, що утворюються під час їх спалювання, становлять близько 30 % від загальної кількості антропогенних викидів газів в атмосферу.

У табл. 2.8 наведений елементний склад основних видів твердого і рідкого органічного палива.

Таблиця 2.8 – Склад основних видів органічного палива

Вид палива

Склад горючої маси, %

С

Н

О

N

S

Деревина

51

6

42,5

0,5

-

Торф

58

6

33,0

2,5

0,5

Буре вугілля

71

7

20,4

1,0

0,6

Антрацит

90

4

3,2

1,5

1,3

Сланець

70

8

16,0

1,0

5,0

Мазут

88

10

0,5

0,5

1,0

Під час спалювання наведених видів палива утворюються ок вуглецю, азоту, сірки і пари води.

Ддя розрахунків матеріальних потоків речовин під час спалюван, палива використовуються реакції горіння його основних компонентів.

Реакція горіння

C + О2 → CO2,

стехіометричні співвідношення

12 + 32 = 44,

1 +2,67 = 3,67.

Реакція горіння

N2 + O2 → 2N0,

стехіометричні співвідношення

28 + 32 = 60,

1 + 1,14 = 2,14.

Реакція горіння

S + O2 → SO2,

стехіометричні співвідношення

32 + 32 = 64

1 + 1=2.

Реакція горіння

2Н2 + O2-+ 2Н20,

стехіометричні співвідношення

4 + 32 = 36,

1 + 8 = 9.

Стехіометричні співвідношення справедливі при будь-яких одиницях вимірювання. Вони показують, що при стисненні 1 грама, кілограма або тонни вуглецю витрачається 2,67 грама, кілограма або тонни кисню і виділяється 3,67 грама, кілограма або тонни вуглекислого газу. Аналогічний сенс мають стехіометричні співвідношення для інших елементів органічного палива, наведених нижче.

Розрахунок маси кисню тO2, необхідної для спалювання палива, і кількості продуктів горіння, що утворюються при цьому, може бути

Розглянемо як приклад спрощений розрахунок матеріальних потоків у лісовій екосистемі.

Визначимо кількість CO2 та H2O1 що споживається, кількість O2, що виділяється при створенні 100 м3 деревини кедра з елементним складом: C = 49,8 %, H = 6,3 %, O = 43,5 % і густиною 440 кг/м3, а також при створенні приросту деревини кедра, що дорівнює 10,7 м3/гарік.

1. Визначаємо коефіцієнти х, у, z, w для деревини кедра:

2. Перераховуємо об'єм деревини в абсолютно суху вагу при густині деревини кедра 440 кг/м3:

3. Визначаємо поглинені кількості CO2 і H2O:

4. Визначаємо кількість O2, що виділилася:

5. Перераховуємо об'єм деревини на абсолютно суху вагу при поточному річному прирості V, що дорівнює 10,7 M3Zra:

6. Визначаємо кількості поглинених CO2 і H2O:

7. Визначаємо кількість O2, що виділилася за рік:

На сьогодні є безліч джерел антропогенного характеру, що викликають забруднення атмосфери і призводять до серйозних порушень екологічної рівноваги екосистем.

Використання викопного палива на енергетичні, технологічні та інші потреби пов'язане з викидом у повітряне середовище великої кількості забруднювальних речовин. Це призводить до виникнення складної екологічної проблеми перенесення забруднень в атмосфері. Оскільки атмосфера е найрухомішим середовищем біосфери, то маси повітря і забруднень переносяться на значні відстані й можуть впливати на екологічну ситуацію цілих регіонів, порушуючи рівновагу екологічних циклів основних біогенних речовин.

Склад забруднювальних речовин в атмосфері залежить від виду спалюваного палива.

Тверде, рідке і газоподібне паливо використовуються в промисловості, тепловій енергетиці та автотранспорті. Забруднювальні речовини, що утворюються під час їх спалювання, становлять близько 30 % від загальної кількості антропогенних викидів газів в атмосферу.

У табл. 2.8 наведений елементний склад основних видів твердого і рідкого органічного палива.

Таблиця 2.8 – Склад основних видів органічного палива

Вид палива

Склад горючої маси, %

С

Н

О

N

S

Деревина

51

6

42,5

0,5

-

Торф

58

6

33,0

2,5

0,5

Буре вугілля

71

7

20,4

1,0

0,6

Антрацит

90

4

3,2

1,5

1,3

Сланець

70

8

16,0

1,0

5,0

Мазут

88

10

0,5

0,5

1,0

Під час спалювання наведених видів палива утворюються оксиди вуглецю, азоту, сірки і пари води.

Для розрахунків матеріальних потоків речовин під час спалювання палива використовуються реакції горіння його основних компонентів.

Реакція горіння

C + О2 → CO2,

стехіометричні співвідношення

12+32 = 44,

1 +2,67 = 3,67.

Реакція горіння

N2 + O2 → 2N0,

стехіометричні співвідношення

28 + 32 = 60,

1 + 1,14 = 2,14.

Реакція горіння

S + O2 → SO2,

стехіометричні співвідношення

32 + 32 = 64

1 + 1=2.

Реакція горіння

2Н2 + O2 → 2Н20,

стехіометричні співвідношення

4 + 32 = 36,

1+8 = 9.

Стехіометричні співвідношення справедливі при будь-яких одиницях вимірювання. Вони показують, що при стисненні 1 грама, кілограма або тонни вуглецю витрачається 2,67 грама, кілограма або тонни кисню і виділяється 3,67 грама, кілограма або тонни вуглекислого газу. Аналогічний сенс мають стехіометричні співвідношення для інших елементів органічного палива, наведених нижче.

Розрахунок маси кисню тO2, необхідної для спалювання палива, і кількості продуктів горіння, що утворюються при цьому, може бути проведений за такими спрощеними формулами:

де С, Н, N1S, O – відсотковий вміст вуглецю, водню, азоту, сірки і кисню у складі горючої маси спалюваного виду палива; - маса спалюваного палива.

При правильному розрахунку кількостей речовин, що беруть участь у процесі горіння органічного палива, відповідно до закону збереження мас, повинна виконуватися рівність

Ці речовини, потрапляючи до природного кругообігу азоту, сірки та вуглецю, адсорбуються й асимілюються біогеосистемами за механізмами самоочищення, розглянутими раніше.

Тому необхідно прагнути до створення стабільності між природними і антропогенними компонентами системи. Такий досвід є у мешканців Фінляндії, де на створення річного приросту деревини споживається вся кількість CO2, що виділилася за рік під час експлуатації всього автотранспорту країни.

Основними компонентами газоподібного палива є горючі гази: метан (СН4), етан (C2H6)1 пропан (C3Hg), бутан (C4H10)1 етилен (C2H4), пропилен (C3Hj)1 сірководень (H2S)1 можлива також наявність вуглекислого (CO2) і сірчистого (SO2) газів.

Розрахунок необхідної кількості кисню і речовин, що виділяються при спалюванні газоподібного палива, здійснюється на основі реакцій горіння за методикою, розглянутою раніше, з урахуванням процентного вмісту горючих газів у суміші.

Нижче наведені реакції горіння і стехіометричні співвідношення для метану, пропану і бутану. Аналогічні рівняння за необхідності можуть бути складені й для інших горючих газів.

Стехіометричні рівняння реакцій горіння:

метану

пропану

бутану

Одержані масові співвідношення речовин, що беруть участь у реакціях, дозволяють розрахувати витрату кисню та повітря, виділення вуглекислого газу і пари води й побудувати матеріальний баланс речовин під час спалювання газоподібного палива.

Розрахункові формули мають такий вигляд:

У наведених формулах значення CH4, С3Н2 і С4Н10 відповідають відсотковому вмісту горючих газів у спалюваному газоподібному паливі. Наявність у складі горючої маси вуглекислого газу необхідно враховувати у формулі доданком (CO2 /100). Рівняння матеріального балансу в даному випадку має вигляд

Розглянемо механізм взаємодії біоценозу та техноценозу на прикладі виробншггва CO2 під час спалювання палива та споживання його деревами. Нижче наведена (рис. 2.34) спрощена схема зворотного зв'язку потоків СОг и О2 у біотехноценозах.

Під час спалювання палива споживається кисень і виділяється вуглекислий газ. У лісових екосистемах потоки вуглекислого газу і кисню мають протилежний напрям: кисень виділяється, а вуглекислий газ поглинається. Варварські вирубки лісів і забруднення навколишнього природного середовища викидами від спалювання палива і роботи автотранспорту призводять до зниження фотосинтетичної активності зелених рослин. Зі схеми бачимо, що якщо основні потоки CO2 і O2 не збалансовані, виникає небезпека для зміни газового складу атмосфери зі всіма наслідками, що звідси випливають.

Спрощена схема зворотного зв'язку потоків CO2 і O2 у біотехноценозах

Рисунок 2.34 – Спрощена схема зворотного зв'язку потоків CO2 і O2 у біотехноценозах

Отже, в біотехноценозі під час синтезу органічної речовини для стабільності складу атмосфери повинен бути поглинений весь антропогенний вуглекислий газ, що виділився під час спалювання палива, і вироблена необхідна кількість кисню.

Маса органічної речовини, що повинна бути створена для поглинання CO2, що виділилося, може бути розрахована за формулою

(2.21)

де тСO2 – сумарна кількість CO2, що виділилася при спалюванні палива; X- коефіцієнт рівняння фотосинтезу для деревостанів.

Маса органічної речовини, яка повинна бути утворена для компенсації кількості O2 палива, що пішло на горіння:

(2.22)

де – сумарна кількість кисню, що поглинається під час спалювання палива;

w – коефіцієнт рівняння фотосинтезу для деревостоїв.

Для підтримки балансу в біотехноценозі із двох величин маси речовини деревини потрібно обрати найбільшу, таку, що забезпечує обидва газові баланси одночасно. Для подальшого аналізу необхідно перерахувати величину абсолютно сухої маси речовини деревини в об'єм:

(2.23)

де P – базисна щільність деревини відповідної породи, кг/м3;

V- загальний об'єм деревини, м3.

Наоснові величини V і середнього річного приросту деревини на одному гектарі(м3/ra put) розраховують необхідну площу лісів:

(2.24)

де T – період часу (років), за який повинна бути здійснена компенсація техногенної дії.

Показником ступеня урбанізації даної території єкоефіцієнт К, що показує співвідношення площі лісу міської територіїнеобхідне для компенсації антропогенного впливу на біосферу:

(2.25)

Розглянемо декілька практичних прикладів.

Визначимо кількість O2, що витрачається, та газоподібних домішок, що викидаються, при спалюванні 320 тис. т горючих сланців з елементним складом, %: C – 68, H – 9, O – 16,5, N – 1,5, S – 5. Яка маса деревини берези з хімічним складом C – 50,2, H – 6,3, О – 43 повинна бути синтезована, щоб поглинути вуглекислий газ, що виділився?

1. Побудуємо матеріальний баланс процесу горіння складових палива та визначимо потребу в кисні:

= 780064 т.

Баланс речовин дорівнює:

3. Для розрахунку маси деревини необхідно визначити х за складом вуглецю в деревині:

4. Визначимо масу деревини, яка повинна бути створена для поглинання вуглекислого газу, що виділився при спалюванні:

Розглянемо ще один приклад.

Визначимо кількість CO2 і пари води, що утворюється при спалюванні 3000 т природного газу складу, %: метан – 70, пропан – 15, бутан – 10 і вуглекислий газ – 5. Яка площа березових насаджень здатна поглинути таку кількість вуглекислого газу за рік, якщо вміст вуглецю в деревині – 48 %, щільність -590 кг/м3 і річний приріст – 6,5 M3Zra?

1. Визначимо кількість CO2, газоподібного палива, що виділилося під час спалювання:

2. Визначимо кількість пари води, що виділилася під час спалювання газоподібного палива:

3. Для розрахунку маси деревини необхідно визначити х:

4. Визначимо масу деревини, яка повинна бути утворена для поглинання газоподібного палива вуглекислого газу, що виділився під час спалювання:

5. Перерахуємо величину маси абсолютно сухої деревини в об'єм:

1. Визначимо необхідну площу березових насаджень:

За такими принципами можна розрахувати і поглинальну здатність степових та лугових екосистем, виходячи з їх продуктивності, кг/м^ рік.

 
<<   ЗМІСТ   >>