Спосіб визначення маси фотосинтетично продукованого деревостаном кисню

Спосіб визначення маси фотосинтетично продукованого деревостаном кисню, що включає знаходження приросту фітомаси деревостанів, зв'язаного деревостаном атмосферного вуглекислого газу та депонованого деревостаном вуглецю, який 3 CO2+H2O+ hv хлорофіл 54199 C(H2O)+O2+490 Дж/моль , (1) Пропонований спосіб ґрунтується, з одного боку, на тому, що поруч з утворенням внаслідок фотосинтезу фрагментів молекул клітковини (С(Н2О)), рівночасно продукується така ж кількість молекул кисню (О2). З другого боку, в утворенні вихідних продуктів фотосинтезу С(Н2О) та О2 беруть участь одні й ті самі кванти світла (фотони). Відтак, маса продукованого деревостаном кисню (О2), як і фітомаса, має лінійно залежати від енергії сонячної радіації, що надходить в деревостан. Таким чином, задача зводиться до знаходження кількості молекул кисню, що виділяються в процесі фотосинтезу і співставленні їх з числом фотонів, виражених через енергію сонячної радіації. Тому для знаходження маси кисню, що виділяється в процесі фотосинтезу, використаємо підхід, запропонований для визначення приросту фітомаси деревостанів [3] і фотосинтетично зв'язаного атмосферного вуглекислого газу та депонованого деревостаном вуглецю за енергією сонячної радіації [4]. На утворення однієї молекули кисню (О2) у рівнянні (1) за даними [5, с 40; 6, с.593] квантові витрати становлять 8-12 фотонів. Оскільки на перетворення однієї молекули вуглекислого газу (СО2) в елементарний фрагмент лінійної молекули вуглеводу клітковини (С(Н2О)) витрачається 10 фотонів [3, 4, 7 с. 606] і, зважаючи, що це єдиний процес, в якому беруть участь одні й ті самі фотони, в подальшому приймемо коефіцієнт квантових витрат на продукування однієї молекули кисню теж рівним 10. Число утворених молекул кисню Nмол становить: Nмол = Nф В, (2) де Nф - число пакетів фотонів (по 10 фотонів у пакеті), які беруть участь у продукуванні молекул кисню О2; В - коефіцієнт, що визначає квантову ефективність процесів фотосинтезу. Масу утвореного кисню Мк визначимо із співвідношення: к Nф В к Nмол MК NА NА (3) де μк – молярна маса кисню (О2); NA - стала Авогадро. Кількість пакетів фотонів, які беруть участь у процесах фотосинтезу, визначимо через коефіцієнт квантових витрат фотонів у пакеті: Nф=N'ф/f де N'ф - загальне число фотонів енергії сонячної радіації; f - коефіцієнт квантових витрат, який визначає кількість фотонів одного пакета, необхідного для продукування однієї молекули О2. За умовою f = 10. Хлорофіл поглинає світло в ділянках спектра з максимумами 440 і 660нм. Тому загальна кількість фотонів N'ф енергії сонячної радіації, що надійшла на ділянку деревостану за вегетаційний період, становить: 4 WB , h vc v ч Звідки WB WB c ч Nф h vc v ч f h с c ч f (4) де WB - сумарна енергія сонячної радіації, що відповідає середній температурі вегетації рослин tB; tB 5 С; vс і λс та vч i λч - відповідно частоти і довжини хвиль поглинання хлорофілом синього і червоного світла; с - швидкість світла; h - стала Планка. Остаточно для маси продукованого зімкненим деревостаном кисню отримаємо вираз: к B c ч Мк WB Aк WB h с c ч f NA (5) N'ф к B c ч - стала величина. h с c f NA ч Якщо внести в коефіцієнт Ак необхідні величини: μк=0,032кг/моль, В=0,05 (оскільки на процеси фотосинтезу використовується близько 5% сонячної радіації [3, 8, с. 302]), λс=440нм, λч=660нм та інші відомі величини, то одержимо: Ак=0,353∙109 кг/Дж. Отриманий вираз (5) дозволяє безпосередньо визначати масу кисню, що продукується деревостаном внаслідок фотосинтезу за відомою енергією сонячної радіації, що надійшла на дану ділянку лісу. До цього виразу додамо раніше запропоновані способи визначення фітомаси Мф [3], зв'язаного атмосферного вуглекислого газу Мв та депонованого деревостаном вуглецю Мс [4], які, для зручності, подаємо разом: Мк=Ак∙WB, Ак=0,353∙10-9кг/Дж; Мф=Аф∙WB, Аф=0,331∙10-9кг/Дж; Мв=Ав∙WB, Ав=0,485∙10-9кг/Дж; Мс=Ас∙Мф=Ас∙Аф∙WB, Ac=0,4 (6) Таким чином, основні складові фотосинтезу деревостану: маса кисню, що продукується деревостаном Мк, приріст фітомаси Мф, маса фотосинтетично зв'язаного атмосферного вуглекислого газу Мв, та маса депонованого деревостаном вуглецю Мс лінійно залежать від енергії сонячної радіації, що надійшла на деревостан. Така залежність дозволяє автоматизувати процес і визначати всі чотири параметри фотосинтезу в єдиному технологічному режимі як за дискретними значеннями енергії сонячної радіації (доба, місяць, період вегетації), так і в неперервному автоматизованому режимах. Для автоматизованого знаходження мас Мк, Мф, Мв та Мс можна скористатись блок-схемою, описаної в роботі [4] і представленої на Фіг.1. Виміряна радіометром (Р) енергія сонячної радіації передається на аналого-цифровий перетворювач (АЦП), з якого поступає на персональний комп'ютер (ПК). Паралельно на АЦП, а з нього і на ПК, надходять покази датчика температури (Т). Програма комп'ютера налаштована на реєстрування лише де Aк 5 54199 тієї енергії сонячної радіації WB, яка відповідає середньодобовій температурі не нижче температури вегетації рослин (tcep 5 С). Таким чином, на вхід ПК подається енергія сонячної радіації WB та середньодобова температура. На виході з ПК, з врахуванням введених сталих Ак, Аф, Ав та Ас, отримуємо в синхронному режимі маси кисню, що продукується деревостаном Мк, приріст фітомаси Мф, зв'язаного атмосферного вуглекислого газу Мв та депонованого деревостаном вуглецю Мс. Зауважимо, що постійна Ак=0,353∙10-9кг/Дж, як і раніше введені постійні Аф, Ав та Ас [3, 4], знайдена для повністю зімкнутих деревостанів. Стан зімкнутості крон, повнота, бонітет, вік, склад деревостану, густота насаджень та інші параметри деревостану регулюються експериментально встановленими корелювальними коефіцієнтами k1 k2, ..., kn. Важливо, що значення кожного з цих коефіцієнтів для окремої вибраної ділянки деревостану однакові для усіх вимірюваних мас: Мк, Мф, Мв та Мс. В таблиці 1 наведені результати опосередкованого визначення маси продукованого деревостаном кисню за літературними джерелами (стовпчик 6) та запропонованим фотосинтетичним споспособом за енергією сонячної радіації (формула 6 5, стовпчик 7). Порівнюючи ці результати, можна зробити висновок, що маса кисню Мк, визначена фотосинтетичним способом для розглядуваних ділянок насаджень знаходиться в інтервалі 4,425,91т/га і задовільно узгоджується з літературними джерелами [9, 10]. Розбіжність у величині киснепродуктивності соснової субучини і грабової бучини (стовпчик 6) підтверджує, по-перше, висновок про необхідність введення вікових корелю-вальних коефіцієнтів ki, по-друге, про некоректність застосування коефіцієнта переводу фітомаси 1,4 для визначення киснепродуктивності деревостану [2]. За нашими розрахунками цей коефіцієнт не перевищує 1,07, оскільки з (6) Мк=Ак∙WB=(Ак∙Wф)/Аф=1,07∙Мф. Окрім того, отримані нами результати для різних деревостанів є близькими і підтверджують висновок про близькість киснепродуктивності абсолютно сухої деревини різних порід [2]. На завершення, зауважимо, що оскільки всі продукти фотосинтезу Мк, Мф, Мв та Мс перебувають у строго пропорційній залежності від енергії сонячної радіації, стає можливим знаходити будьяку з цих величин, якщо відомий один з розглядуваних параметрів, що, зокрема, видно з рівнянь 6. Таблиця 1 № за/п 1 1. 2. 3. 4. Регіон 2 Центральна зона мішаних лісів[10] Усереднені дані [9] Деревостан, бонітет Вік, років 3 4 береза, II 50 сосново-буковий деревостан, І-Іа Південно-західна грабово-буковий частина Поділля деревостан, І Західне Розточчя WB, tB 5 С, Дж/(га∙рік), 1012 5 12,52 [11] (Смоленськ) Маса продукованого кисню (Mк), т/га за запропоноваза літературними ним способом джерелами (вираз (6)) 6 7 4,42 15,24 [11] (Ковель) 50 100 50 100 4,00 [10] 1,80-5,00 [9] 5,38 16,75* ″ 17,35** ″ 19,3 [12] 9,0 [12] 14,5 [12] 7,5 [12] 5,91 ″ 6,12 ″ * Енергія фотосинтетичної радіації WB визначена як усереднена величина між енергіями Актинометричних станцій Києва та Деркул (Луганська обл.) [11]. ** Енергія фотосинтетичної радіації WB визначена як усереднена величина між енергіями Актинометричних станцій Києва та Волжський [11]. Джерела інформації 1. Чесноков Н.И., Долгошеев В.М. Оценка кислородопродуцирующей функции леса //Лесное хозяйство. - 1998. - № 7. - С. 71-89. 2. Лиепа И.Я. Динамика древесных запасов: Прогнозирование и экология. - Рига: Зинатне, 1980. - 172 с. 3. Патент на корисну модель № 37596 Спосіб визначення приросту фі-томаси деревостанів /Вайданич B.I. - u200802387. Подання заявки: 25.02.2008. Опубл. 10.12.2008. Бюл. № 23, 2008. 4. Патент на корисну модель № 45794 Спосіб визначення маси фотосинтетично зв'язаного атмосферного вуглекислого газу та депонованого дерево-станом вуглецю /Вайданич В.І., Дейнека A.M., Миклуш С.І., Вайданич Т.В. - U200906164. Подання заявки: 15.06.2009. Опубл. 25.11.2009. Бюл. № 22, 2009. 5. Лархер В. Экология растений. М.: Мир. 1978. - 384 с. 6. Большая Советская Энциклопедия /Под редакцией Прохорова A.M. -М.: Советская энциклопедия. - 3-е издание. 1977. - Т. 27. - 623 с. 7. Джанколи Д. Физика. - М.: Мир, 1989. - Т. 2. 668 с. 8. Кучерявий В.П. Екологія: Навчальний посібник. - Львів: Світ, 2001. - 480 с. 9. Белов СВ., Прохоров В.П. Оценка санитарно-гигиенической и рекреационной роли лесов зеленых зон //Лесоводство, лесные культуры и почвоведение (межвузовский сборник науч. тр.). 1979. Вып. 8. - С. 29-34. 7 54199 10. Лосицкий К.Б., Чуенков B.C. Береза. - М.: Лесная промышленность, 1973. - 160 с. 11. Молдау X., Росс Ю., ТоомингX., Ундла И. Фотосинтез и вопросы продуктивности растений. М.: И-во АН СССР, 1963. - 159 с. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 8 12. Миклуш C.I. Склад та запаси букняків рівнини України. Науковий вісник Національного аграрного університету. - К: Національний аграрний університет. - 2004. № 70. – С. 44-54. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601