Спосіб визначення маси фотосинтетично зв’язаного атмосферного вуглекислого газу та депонованого деревостаном вуглецю

Спосіб визначення маси фотосинтетично зв'язаного деревостаном атмосферного вуглекислого газу та депонованого деревостаном вуглецю, що включає знаходження приросту фітомаси дерево 3 ного вуглекислого газу Mв, та депонованого дерево станом вуглецю Мс в єдиному циклі за основним параметром, який характеризує процес фотосинтезу, - енергією сонячної радіації. Сумарне рівняння фотосинтезу відбувається за схемою [6, с.593]: CO2 + H2O + hn ® C(H2O) + O2 + 490 Дж / моль. (1) хлорофіл Пропонований спосіб ґрунтується на порівнянні вхідних (молекул CО2) і вихідних (фрагментів молекул клітковини С(Н2О)) компонент з одного боку, з квантами енергії (фотонами) сонячної радіації з другого боку, які необхідні для здійснення реакції фотосинтезу (рівняння (1)). Вхідні й вихідні продукти складають єдиний ланцюг і, отже, в перетворенні молекули вуглекислого газу і фотосинтезові фрагмента молекули клітковини беруть участь одні й ті самі фотони. Тому для знаходження маси зв'язуваного в процесі фотосинтезу атмосферного вуглекислого газу використаємо підхід, запропонований для визначення приросту фітомаси деревостанів за енергією сонячної радіації [5]. На перетворення однієї молекули вуглекислого газу СО2 у елементарний фрагмент лінійної молекули вуглеводу клітковини С(Н2О) і кисень О2 потрібно затратити 9 фотонів [7, с.506]. Оскільки на утворення однієї молекули кисню О2 у рівнянні (1) у середньому за даними [5; 6, с.593] витрачається 10 фотонів і, зважаючи, що це єдиний процес, в подальшому цю величину, 10 фотонів, приймемо і для зв'язування молекул СО2. Число зв'язаних молекул вуглекислого газу Nмол, як 1 утворених внаслідок фотосинтезу молекул клітковини С(Н2О), становить: (2) Nмол = Nф × B, де Nф - число пакетів фотонів (по 10 фотонів у пакеті), які беруть участь у зв'язуванні молекул вуглекислого газу СО2; В - коефіцієнт, що визначає квантову ефективність процесів фотосинтезу. Масу зв'язаного вуглекислого газу Mв визначимо із співвідношення: MB = m B × Nмол m B × Nф × В = NA NА (3) , де mВ - молярна маса вуглекислого газу СО2 ; NA - стала Авогадро. Кількість пакетів фотонів, які беруть участь у процесах фотосинтезу, визначимо через коефіцієнт 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 зв'язування однієї молекули СО2. За умовою f = 10. Хлорофіл поглинає у синій і червоній ділянках спектра з максимумами 440 і 660нм. Тому загальна кількість фотонів N'ф енергії сонячної радіації, що надійшла на ділянку деревостану, становить: WВ N'ф = h (n c + n ч ) , Звідки 45794 4 N 'ф = WВ Wв × l с × l ч = h (n c + n ч ) × f h × c × ( l с + l ч ) × f (4) , де W В - тільки та енергія сонячної радіації, що відповідає середній температурі вегетації рослин tВ; tВ ³ 5°С; nс і lс та nч i lч - відповідно частоти і довжини хвиль поглинання хлорофілом синього і червоного світла; с - швидкість світла; h - стала Планка. Остаточно для маси зв'язаного зімкненим деревостаном атмосферного вуглекислого газу отримаємо вираз: mB × B × lс × l ч MB = × WВ = A B × WВ (5) h × c(lс + l ч ) × f × NA . mB × B × lс × l ч AВ = h × c( lс + l ч ) × f × NA для вибраного тиде пу лісу є сталою величиною. Якщо внести у коефіцієнт АВ необхідні велиm чини: B = 0,044кг/моль, В = 0,05 (оскільки на процеси фотосинтезу використовується близько 5% сонячної радіації [5, 8, с.302]), lс =440нм, lч = 660нм та інші відомі величини, то отримаємо: АВ = 0,485 × 10-9 кг/Дж. Оскільки поруч з клітковиною вихідним продуктом фотосинтезу є кисень, то з вуглекислого газу в залишку залишається вуглець. Масу депонованого вуглецю Мс знайдемо через фітомасу Мф; mc × Mф Mc = = Aс × Mф (6) mк ; Ас = 0,0273, де mс - молярна маса вуглецю, mс = 0,012кг/моль; mк - молярна маса фрагмента молекули клітковини, mк = 0,030кг/моль. За визначенням [5] суха фітомаса зімкнутого деревостану становить: Мф = Аф × Wв, (7) де Аф = 0,331 × 10-9 кг/Дж. Таким чином, всі три параметри фотосинтезу: маса фотосинтетично зв'язаного атмосферного вуглекислого газу Мв, маса депонованого вуглецю Мс та фітомаса Мф визначаються в єдиному технологічному режимі за основним параметром енергією сонячної радіації, що надійшла на деревостан і відповідає умовам вегетації. Лінійна залежність мас Мв, Мс та Мф від надходження енергії сонячної радіації (вирази (5) - (7)) дозволяє автоматизувати процес і вимірювати ці величини як за дискретними значеннями енергії сонячної радіації Wв (доба, місяць, період вегетації), так і в неперервному автоматизованому режимах. Блок-схема для знаходження мас Мв, Мс та Мф представлена 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 аналогоцифровий перетворювач надходить значення термоелектрорушійної сили термопари (Т), за допо 5 могою якої визначаємо середню температуру вегетації. Ця інформація теж надходить з АЦП на ПК. Програма комп'ютера налаштована на реєстрування лише такої енергії сонячної радіації Wв, яка відповідає середньодобовій температурі не нижче температури вегетації рослин (tcep ³ 5°С). Таким чином, на вхід ПК подається енергія сонячної радіації Wв та середньодобова температура. На виході з ПК, з врахуванням введених сталих Ав, Ас та Аф, отримуємо в синхронному режимі маси Mв, Mс та Мф. В таблиці 1 наведені літературні порівняльні дані приросту фітомаси і депонованого деревостаном вуглецю, визначені ваговим та хлорофільним методами (стовпчики 5, 6), і запропонованим нами способом визначення мас Mв, Mс та Мф за енергією сонячної радіації (стовпчики 8, 10). Простежується кореляція отриманих результатів з наведеними літературними джерелами. Окрім того, в стовпчику 9 таблиці представлена маса фотосинтетично зв'язаного атмосферного вуглекислого газу, яка традиційними методами не визначається а знаходиться опосередковано. Показники густоти насаджень, приросту фітомаси та депонованого вуглецю дубових деревостанів Поділля ( стовпчики 4 - 6), які наведені в таблиці, усереднені за результатами роботи [2, с.140 - 160] по трьох пробних площах для кожної наведеної вікової групи. Показники енергії сонячної радіації W в (стовпчик 7), що відповідають умовам вегетації t ³ 5°С, наведені за даними [9, с.153]. Оскільки розташування актинометричних станцій (АМС) територіальне може не співпадати з розглядуваним деревостаном, енергія сонячної радіації для кожного конкретного випадку усереднена за найближчими показниками АМС. Зокрема, для лісів Вологодської обл. така енергія взята за показниками АМС Санкт-Петербург, розташованої майже на тій самій географічній широті; для дубових деревостанів Поділля такою величиною є усереднене значення показників АМС Ковеля і Берегова і, нарешті, для лісів Волгоградської обл. використані дані АМС 45794 6 Волжський [9], що знаходиться неподалік м. Волгограда. Обчислені за виразами (5) - (7) маси Mв, Mс та Мф і наведена енергія сонячної радіації W в для усіх вікових груп та порід в межах однієї географічної широти однакові. Відхилення у визначенні мас Mв, Mс та Мф від літературних даних, яке спостерігається в окремих випадках, може бути зумовлено не зімкненістю деревостану та проведенням у лісових масивах різноманітних лісогосподарських заходів (санітарні рубки, рубки догляду тощо), внаслідок чого фітомаса виноситься і традиційними методами не враховується. З другого боку більш високі літературні показники маси депонованого деревостаном вуглецю проти знайдених за виразам (5) може свідчити про не зовсім коректне застосування запропонованих значень коефіцієнтів переводу результатів фітомаси у вуглець (0,5 для стовбура і 0,45 для листя і хвої) [1, 10]. З літературних джерел [2, 4, 10] витікає, що маса зв'язаного атмосферного вуглекислого газу та депонованого деревостаном вуглецю, як і фітомаса, залежать від складу деревостану, його віку, густоти насаджень, зімкнутості крон та багатьох інших факторів, які регулюються встановленими експериментальне корелювальними коефіцієнтами k1, k2, ..., kі. Важливо, що значення кожного з цих коефіцієнтів для окремої вибраної характеристики, наприклад, складу і віку деревостану, зімкнутості крон тощо однакові для усіх вимірюваних величин Mв, Mс та Мф. Таким чином, запропонований спосіб може використовуватись для визначення маси фотосинтетично зв'язуваного атмосферного вуглекислого газу, депонованого деревостаном вуглецю та розглянутого в роботі [5] приросту фітомаси як у дискретному так і неперервному режимах за відомою енергією сонячної радіації Wв, що надійшла за цей час. Застосування прямого, зручного способу визначення маси фотосинтетично зв'язаного атмосферного вуглекислого газу, порівняння цієї маси з викидами промислових джерел забруднення має важливе значення для з'ясування впливу СО2 на зміну клімату. 7 45794 8 Таблиця 1 Визначення показників за енергією сонячної радіації Середній Депоно- WВ, tв ³ Густота приріст ваний 5°C, Регіон на- Склад дере- Вік, ронасаджень, фітомаси, вуглець, Дж/(га×рік), приріст саджень во-стану ків штук/га т/(га×рік) т/(га×рік) ´ 1012 фітомаси, Мф, т/(га×рік) 1 2 Республіка 7С2Лц1Б+Е, Комі [4] бонітет IV Вологда 7Б10с2Е [10] 9Б1Е Поділля [2, c.l 40-160] деревостани дуба звичайного, бонітет Iа, тип росту Тзв, Ту, Тзр Волгоград [10] 90с 1В 10 С 3 4 1137 1304 1300 873 643 505 413 351 5 6 7 8 1,33 90 70 62 30 40 50 60 70 80 середнє 35 74 маса зв'язаДепононого атмосваний ферного вугвуглець, лекислого Мс, газу, Мв, т/(га×рік) т/(га×рік) 9 10 1,7 10,68 3,54 5,18 1,41 11,10 3,67 5,38 1,47 4,73 4,78 4,69 4,53 4,32 4,09 1,70 1,34 2,62 2,64 2,58 2,48 2,35 2,22 2,57 2,21 16,58 5,49 8,04 2,19 18,38 6,08 8,91 2,43 1290 705 Джерела інформації 1. Matthews G. The Carbon Content of Trees / Forestry Commission. Tech. Paper 4. - Edinburgh, 1993. - 21p. 2. Лакида П.І., Лащенко А.Г., Лащенко М.М. Біологічна продуктивність дубових деревостанів Поділля. - К.: ННЦ ІАЕ, 2006. - 196с. 3. Тарчевский И.А. Основы фотосинтеза. М.: Высшая школа. - 1977. -254с. 4. Тужилкина В.В., Бобкова К.С., Мартынюк З.П. Хлорофильный индекс и ежегодный фотосинтетический сток углерода в хвойные фитоценозы на Европейском Севере России // Физиология растений. - 1998. - Т. 45, №4. - С.594 - 600. 5. Патент на корисну модель № 37596 Спосіб визначення приросту фітомаси деревостанів / Вайданич B.I. - u 200802387. Подання заявки: 25.02.2008. Опубл. 10.12.2008. Бюлетень №23. 6. Большая Советская Энциклопедия / Под редакцией Прохорова A.M. -М.: Советская энциклопедия. - 3-е изд. 1977. - Т. 27. - 623с. 7. Джанколи Д. Физика. - М.: Мир, 1989. - Т. 2. 668с. 8. Кучерявий В.П. Екологія: Навч. Посіб. Львів: Світ, 2001. - 480с. 9. Молдау Х., Росс Ю., Тооминг X., Ундла И. Фотосинтез и вопросы продуктивности растений. М.: И-во АН СССР, 1963. -159с. 10. Уткин А.И., Замолодчиков Д.Г., Коровин Г.П., Нефедьев В.В., Гульбе Т.А., Гульбе Я.И., Гамбург С.П. Определение запасов углерода насаджений на пробных площадях: сравнение аллометрического и конверсионно-объемного методов. //Лесоведение. -1997. -№5. - С.51 - 65. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 45794 Підписне 10 Тираж 28 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