МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЛЕСНЫЕ МАССИВЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Анализ воздействия на лесные массивы производственно-организационных процессов добычи и транспортировки нефти и газа

Лесные массивы как экологические системы окружающей среды

Леса и лесные ресурсы играют огромную биологическую, экономическую и экологическую роли и в качестве возобновляемых источников биомассы, энергии и биоразнообразия являются одними из важнейших компонентов биосферы. Лесные массивы защищают почву и водные ресурсы от истощения, очищают воздушную среду и в целом противодействуют процессам, приводящим к глобальным климатическим изменениям. Леса являются одним из основных источников баланса глобального углеродного цикла, поддерживая баланс углекислого газа в атмосфере. По данным ООН (Отчет ООН "Глобальные лесные ресурсы. Оценка 2005") общая площадь лесов на планете составляет 4 млрд.га, т.е. одну треть суши, что, в свою очередь, составляет 0,62 га лесных массивов на душу населения.

Ежегодно леса планеты вдыхают около 120 Гт углерода из атмосферы (Гт - гигатонн, т.е. 10¹² килограмм). Примерно половина этой массы расходуется растительностью на поддержание жизненных процессов, т.е. на так называемое автотрофное дыхание. Вторая половина используется для увеличение биомассы и на репродуктивные процессы. Дыхание лесов планеты является основой глобального углеродного цикла.

Глобальным углеродным циклом называются массообменные процессы и потоки между атмосферой, океаном, биосферой, почвой и литосферой. Переход углерода из атмосферы в лесную биомассу осуществляется за счет реакции фотосинтеза:

где hv - фотосинтетически активная часть солнечной энергии.

Обратный переход углерода из биомассы в атмосферу осуществляется за счет процессов связанных с дыханием лесной растительности, а также лесных пожаров. Соответствующее уравнение химической реакции имеет следующий вид:

где Q - количество выделившейся энергии.

В дальнейшем запасенный деревьями углерод вместе с биомассой отмирающих деревьев (отпад) и биомассой хвои и листьев, опадающих с живых растений (опад) переходит в лесную подстилку, где становится добычей почвенных микроорганизмов, которые в процессе гетеротрофного дыхания частично возвращают полученный углерод в атмосферу.

Следует отметить, что продуктивность лесных экосистем гораздо больше в тропиках, чем в северных широтах. Однако количество углерода на единицу площади больше в бореальных лесах, что связано с более медленным разложением лесной подстилки в условиях низких температур.

Роль лесов в обеспечении баланса глобального углеродного цикла имеет чрезвычайно важное экологическое, биосферное и экономическое значение. Экологическое значение следует из защитных и рекреационных функций лесных массивов. Биосферное значение следует из той роли, которую леса играют в противодействии парниковому эффекту. Экономическое значение заключается в том, что леса являются возобновляемыми источниками сырья, а также пищевых и прочих ресурсов. Углекислый газ С0₂ (диоксид углерода), как источник парникового эффекта, играет в настоящее время все возрастающую роль в связи с тем, что сжигание за последние столетия ископаемых топлив значительно увеличило его содержание в атмосфере. Результатом чего явилось глобальное повышение температуры атмосферы и океана. В то же время обнаружено, что суммарное увеличение концентрации С0₂ в атмосфере значительно меньше, чем следовало бы из количества сожженного за последние столетия ископаемого топлива. Причина этого эффекта заключается в том, что леса и океан поглощают накапливающиеся в атмосфере излишки углерода, т.е. поглощают углерода больше, чем отдают, обеспечивая тем самым отрицательную обратную связь, стабилизирующую глобальный углеродный цикл.

Лесные пожары, а также хозяйственная деятельность приводят к постоянному сокращению лесных площадей. В южных странах (Южная Америка и

Африка) тропические леса вырубаются или выжигаются под сельскохозяйственные угодья. Эти процессы приводят к локальным и глобальным изменениям климата, а также к локальным и глобальным истощениям водных ресурсов.

Проблема глобального сокращения лесных площадей (обезлесивание) является важной и актуальной. В отчете ООН "Глобальные лесные ресурсы. Оценка 2005" приводятся данные о 13 млн.га ежегодного сокращения суммарной площади лесов. В последнее время темп уменьшения лесных площадей несколько замедлился благодаря мероприятиям по восстановлению лесов, проводимых в ряде стран. Так темп глобального уменьшения площади лесов за период 2000 - 2005 составил 7,5 млн.га в год, в то время как за период 1999 - 2000 эта цифра составляла 8,9 млн.га в год. В РФ в настоящее время общая площадь лесного фонда и не входящих в него лесов составляет 1178.6 млн.га, из которых в ведении Минприроды России находятся 95.8 %, Минсельхозпрода РФ - 3.6 % и Минобразования РФ - менее 0.1 %. Не входящие в лесной фонд леса Министерства обороны РФ и городские леса составляют 0.5% общей площади всех лесов и земель лесного фонда.

Важную экологическую и экономическую роль играют защитные функции леса. Влияние лесов на климат сводится прежде всего к эффекту охлаждения, т.е. лесные массивы способны отражать значительно меньшее количество падающей на них энергии по сравнению с непокрытыми лесом площадями. Леса препятствуют также испарению с поверхности небольших водоемов. Важную роль играют леса в защите земной поверхности от ветровой эрозии.

Велика роль лесов в защите атмосферного воздуха. По существу леса являются естественными фильтрами удаляющими из атмосферы частицы аэрозолей.

В защите водных ресурсов не мало важную роль играет явление накачки дождевых облаков испарениями с листовой поверхности, что увеличивает количество осадков. Также леса принимают активное участие в процессах фильтрования и регулировки речных течений.

Анализируя роль лесов в глобальном углеродном балансе необходимо учитывать также и то, что часть углерода связанного фотосинтезом возвращается в атмосферу в результате его перехода в почву и последующего растворения в грунтовых и поверхностных водах, которые, в конечном счете, попадают в океан.

Неиссякаемым источником углерода в атмосфере являются вулканы, хозяйственная деятельность человека, а также лесные пожары. Пожары способны высвободить за короткое время огромное количество углерода, депонированного в растениях в течение достаточно длительного периода. Оценки потоков углерода в атмосферу за счет лесных пожаров по разным оценкам составляют от 2 до 5 Гт/год.

В настоящее время лесные пожары имеют, как естественное, так и искусственное происхождение (известно, что в тропиках леса выжигают под сельскохозяйственные угодья). Для возникновения пожаров необходимо наличие трех условий: запас достаточно большого количества сухого пожароопасного материала, теплой и сухой погоды, а также ветра, снабжающего пожар достаточным количеством кислорода. Наличие этих трех условий неизбежно приводило к лесным пожарам, которые, начиная с девонского периода, являлись основным инструментом формирования внешнего облика растительной биосферы. Интенсивность лесных пожаров значительно увеличилась с началом хозяйственной деятельности человека (выжигание лесов под сельскохозяйственные угодья). В настоящее время естественные, нерегулируемые лесные пожары возникают в основном в малонаселенных северных широтах. Следует отметить, что в связи с глобальным потеплением количество лесных пожаров в бореальных лесах медленно, но неуклонно возрастает.

В результате лесных пожаров в атмосферу выбрасывается около сотни различных веществ. Особую важность с точки зрения глобального углеродного цикла имеют углекислый газ и метан, которые получили название парниковых газов. Эти газы способны поглощать тепловое излучение земной поверхности, повышая таким образом температуру нижних слоев атмосферы. Следует отметить, что большая часть выброшенного при пожарах углерода возвращается обратно в биосферу в процессе зарастания гарей новыми молодыми лесами. Однако увеличение интенсивности пожаров в бореальных лесах смещает углеродный баланс в сторону увеличения концентрации углерода в атмосфере.

Значимой проблемой является сокращение площадей зрелых лесов. В настоящее время доказано, что зрелые леса депонируют гораздо больше углерода, чем молодые, растущие на гарях и вырубках леса. Это обусловлено тем, что площади, на которых растут молодые леса, продолжают выделять парниковые газы за счет разложения органического материала, оставшегося на месте сгоревшего или вырубленного леса. В то же время зрелые леса являются развитыми экосистемами, многие компоненты которых продолжают активный процесс депонирования углерода. Более того, и сами зрелые деревья активно продолжают депонировать углерод в верхние горизонты почвы. Таким образом, сокращение площадей зрелых лесов отрицательным образом сказывается на углеродном балансе всей атмосферы.

Роль лесных массивов и их вклад в процесс глобального потепления имеет двойственный характер. С одной стороны в процессе глобального потепления смещается северная граница лесной зоны, и площадь лесов увеличивается. При этом значительно уменьшается альбедо поверхности, что приводит к большему поглощению солнечной энергии и, следовательно, усиливает процессы глобального потепления. С другой стороны увеличение лесных площадей является источником дополнительного депонирования углерода, что, в конечном счете, должно приводить к уменьшению парникового эффекта. По нашему мнению детальный анализ этой проблемы и прогнозирование влияния лесов на процессы глобального потепления может быть проведено только в результате гармонического сочетания математического моделирования, аэрокосмического мониторинга и дополнительных измерений и экспериментов.

Для оценки защитных функций леса важную роль играет анализ продукционных процессов в лесных экосистемах, который включает в себя оценки локальных и глобальных потоков углерода на различных стадиях роста и развития лесов. В качестве инструмента анализа процессов формирования структуры и запаса биомассы лесной растительности можно использовать математическое моделирование естественной динамики породного состава лесов, с учетом дендрометрических показателей основных лесообразующих пород, а также подлеска и подроста. Структуру и запас мертвых органических веществ в лесных экосистемах различных типов можно моделировать, используя данные о породном составе и биомассе отмирающих деревьев, а также о биомассе хвои и листьев, опадающих с деревьев.

Для лесов характерны четыре стадии развития: стадия регенерации, на которой происходит зарастание гарей и вырубок, стадия роста и формирования одновозрастных лесов, стадия трансформации одновозрастных лесов в разновозрастные и стадия зрелых лесов или стадия климакса. Стадия регенерации лесов характеризуется накоплением биомассы лесной растительности и формированием сомкнутого древесного полога в основном с участием лиственных пород, обладающих высоким репродуктивным потенциалом.

Стадия роста и формирования одновозрастных лесов характеризуется постепенным накоплением запасов биомассы и запасов мертвых органических остатков. На этой стадии наблюдается появление подроста теневыносливых пород (ель, сосна и пр.), способных конкурировать за ограниченные ресурсы, а также ярусное разделение лесов. Трансформация спелых одновозрастных лесов характеризуется постепенным выходом в основной ярус коренной породы и, снижением в составе основного яруса доли лиственных пород, преобладавших на предыдущих стадиях. Этот процесс получил название сукцессии.

Конечной стадией развития лесов является климаксовое состояние лесной экосистемы, когда все ее внутренние компоненты сбалансированы друг с другом и находятся в равновесии с окружающей средой. При сбалансированности процессов поступления и отчуждения органического вещества, биомасса остается практически постоянной. В результате взаимообмен потоками углерода между лесными массивами и атмосферой также остаётся постоянным.

В ходе процесса восстановления лесов формируются различные сукцессии, отражающие изменения породного состава и возрастной структуры насаждений. Для условий бореальной зоны доминантами растительности являются хвойные леса. Однако на этапе формирования лесного покрова на гарях и вырубках часто появляются производные лиственные леса, носящие временный характер и в конечном итоге сменяющиеся коренными хвойными породами (сукцессия). Длительность существования производных сукцессий 80-140 лет, а сроки восстановления коренных хвойных лесов - до 500 и более лет.

Анализ процессов развития одновозрастных лесов свидетельствует, что динамика роста хвойных и лиственных пород существенно различается. При близких пороговых значениях биомассы удельные скорости роста лиственных лесов значительно больше, чем у хвойных. Это различие повышает конкурентоспособность лиственных пород на этапе восстановления лесов и зарастания пустующих площадей. Немаловажное значение имеет различие радиусов разлета семян. У лиственных пород разлет семян имеет большой радиус, тогда как у хвойных пород радиус разлета семян невелик. Кроме того, ряд лиственных пород хорошо возобновляется вегетативным путем, что позволяет им в кратчайшие сроки освоить пустующие после пожаров и рубок лесные земли.

Таким образом, лесные массивы следует рассматривать как сложную динамическую систему, общая структура которой в каждый момент времени определяется распределением лесных массивов по категориям земель и типам условий местопроизрастания (ТУМ), а ее состояние - распределением площади лесных массивов и запасов древесины по типам леса и возрасту лесов.

Для оценки продукционных процессов в лесных экосистемах, подверженных хозяйственным воздействиям, общая площадь лесных земель условно делится на эксплуатационные и не эксплуатационные леса. К эксплуатационным лесам относятся те лесные массивы, где по экологическим и экономическим соображениям допускаются сплошные, постепенные или выборочные рубки. Остальные лесные массивы включаются в состав не эксплуатационного лесного фонда, где продукционные процессы определяются естественной динамикой лесных экосистем.

Прогнозирование процессов глобального потепления и нарушения углеродного баланса невозможно без моделирования продукционных и массообменных процессов в лесных экосистемах. Изучение состава пузырьков воздуха во льдах Гренландии и Антарктиды показало, что концентрация углекислого газа в атмосфере имеет в настоящее время максимальное значение за последние 450 тыс. лет и возможно за последние 20 млн. лет. Результаты исследований международной комиссии ООН по глобальным климатическим изменениям показали, что главными причинами такого значительного повышения концентрации углекислого газа в атмосфере являются: глобальное сокращение площади лесов и сжигание ископаемых топлив. Большое значение для оценки и прогнозирования нарушения баланса углеродных потоков имеет учет изменений в пространственной и породной структуре лесных массивов. В решении этой задачи важная роль отводится математическому моделированию.

Рассмотрим некоторые аспекты проблемы математического моделирования пространственно-временной динамики лесных массивов. Процедура моделирования должна включать следующие этапы: построение распределения площадей лесных массивов по преобладающим породам и возрасту, подбор соответствующих этому распределению математических моделей, описывающих динамику типов леса и оценку параметров подобранных моделей. В общем виде математическая модель динамики площадей лесных массивов может быть описана с помощью следующей системы нелинейных дифференциальных уравнений:

где Xj- доля площади j-той преобладающей породы, п— число преобладающих пород.

Экспериментальные и теоретические исследования динамики лесов свидетельствуют о важности учета квадратичных особенностей в продукционных процессах в лесных массивах. Для анализа этих особенностей в динамике лесов исходная модель общего вида (1.1.3) должна быть преобразована в квадратичную модель, описывающую нелинейные взаимосвязи между различными компонентами многопородного леса. Для случая л = 5 модель может быть представлена в следующем виде:

где А..- параметры модели / = 1,5 (например, j=l-ель; j=2-cocHa; j=3-

береза; j=4-ocHHa; j=5-onbxa). Для идентификации модели по статистическим данным может быть использован многомерный нелинейный регрессионный анализ.

В заключение перечислим мероприятия необходимые для сохранения и улучшения лесного фонда планеты, что в свою очередь необходимо для поддержания баланса углеродного цикла и решения на этой основе глобальных биологических, экологических, климатических и биосферных проблем:

культивирование лесных пород, оптимизирующих баланс углеродных потоков;

культивирование лесных пород с учетом прогнозов глобальных климатических изменений;

планирование лесного хозяйства с учетом миграции видов связанных с климатическими изменениями;

оптимизация генетического, биологического и экологического разнообразия;

проведение противопожарных мероприятий и мероприятий по защите лесов от насекомых вредителей;

увеличение площади лесных земель;

использование технологий рубок с минимальным воздействием на окружающие лесные массивы;

уменьшение периода восстановления лесов после рубок и пожаров;

увеличение продуктивности лесов;

уход за лесами на бедных почвах, включая мероприятия по внесению искусственных удобрений;

использование технологий выборочных рубок.

Отметим, что научно обоснованное планирование выше перечисленных мероприятий невозможно без использования математического моделирования динамики лесов.