Радиоэкологическая оценка и прогнозирование получения биомассы быстрорастущей ивы на локальном уровне на основе геоинформационных технологий

Размещено на http://allbest.ru

Радиоэкологическая оценка и прогнозирование получения биомассы быстрорастущей ивы на локальном уровне на основе геоинформационных технологий

О.И. Родькин, С.К. Пронько

2012

Введение

В результате аварии на Чернобыльской АЭС радиоактивному загрязнению с плотностью свыше 37 кБк/м² подверглось около 23% территории Республики Беларусь, в том числе более 1,21 млн. га сельскохозяйственных земель, загрязненных ¹³⁷Cs. Вследствие высокой плотности загрязнения радионуклидами из сельскохозяйственного оборота были исключены 247 тыс. га сельскохозяйственных угодий.

Основные массивы загрязненных сельскохозяйственных угодий сосредоточены в Гомельской (617,4 тыс. га, или 56%) и Могилевской (283,5 тыс. га, или 25,7%) областях.

Одним из перспективных направлений использования загрязненных радионуклидами территорий может быть выращивание культур, продукция которых не используется в качестве продуктов питания для населения и сельскохозяйственных животных. Альтернативой традиционным сельскохозяйственным культурам могут стать растения, которые используются для производства биотоплива, например быстрорастущая ива или тополь.

Анализ источников

Изучением потенциала выращивания быстрорастущих видов ивы, тополя, осины и других древесных кустарников для целей развития биоэнергетики с семидесятых годов прошлого века заняты ученые ряда зарубежных стран. Наибольшее внимание было посвящено изучению отдельных видов ивы. Этот интерес объясняется следующими причинами:

- во-первых, по данным многолетних исследований себестоимость единицы энергии, произведенной из ивы, существенно ниже, чем себестоимость энергии из тополя, ольхи или березы;

- во-вторых, ива способна легко адаптироваться к разнобразным природным условиям умеренных широт и давать хороший урожай на различных типах почв, характеризующихся различным уровнем плодородия;

- в-третьих, она является достаточно зимостойкой, что очень важно для условий Беларуси.

Пионером в Европе по выращиванию быстрорастущих насаждений для производства энергии является Швеция. Площади посадок быстрорастущих культур в этой стране составляют около 20 тысяч гектаров.

Количество плантаций быстрорастущей ивы сегодня растет в других европейских странах, таких как Финляндия, Германия, Великобритания, Дания, Голландия, Бельгия, Сербия, а также в США и Канаде. В последние годы этот сектор активно развивается и в Польше, где существует национальная селекционная программа и стратегия увеличения площади плантаций ивы до 100 тысяч гектар.

Технология выращивания быстрорастущих насаждений ивы прутовидной предполагает вегетативное размножение при помощи черенков. Продолжительность роста ивы до очередного сбора урожая составляет от 2 до 5 лет.

Среднегодовой урожай при такой ротации в соответствии с результатами, достигнутыми в ряде зарубежных стран, может достигать до 10-15 тонн сухого вещества с гектара (Швеция, США, Канада). Однократно заложенная плантация может быть использована для получения 5-6 урожаев продукции без значительного снижения продуктивности.

Перспективы выращивания быстрорастущих насаждений ивы в нашей стране обусловлены возможностью использования под плантации не только сельскохозяйственных угодий, на которых можно получать хорошие урожаи традиционных культур, но и малопродуктивных, загрязненных и деградированных земель.

Методы исследования

В рамках наших исследований полевые эксперименты проводились в Кричевском районе Могилевской области. Этот регион в значительной степени пострадал в результате аварии на ЧАЭС.

На территории Могилевской области загрязнение обусловлено выпадением радиоактивных осадков, в результате чего образовались локальные «цезиевые» пятна. Наиболее высокий уровень радиоактивности имеет место на территориях Славгородского, Краснопольского и на юго-востоке Кричевского района (рис. 1).

Экологическое обоснование выращивания ивы на загрязненных радионуклидами землях требует информации о переходе ¹³⁷Cs в системе почва_растение и накоплении ¹³⁷Cs в различных частях биомассы ивы.

Для количественной оценки поступления ¹³⁷Cs из почвы в растения рассчитывались коэффициенты перехода (КП) _ отношение содержание радионуклида в единице массы растения (Бк/кг) к плотности загрязнения единицы площади почвы (кБк/м²). В первом приближении коэффициенты перехода ¹³⁷Cs из почвы в растения принимались постоянными для растений ивы прутовидной разных возрастов.

Рис. 1. Загрязнение 137Cs территории Могилевской области

В ходе эксперимента была оценена урожайность ивы прутовидной, установлены коэффициенты перехода ¹³⁷Cs из почвы в растения, изучены особенности распределения ¹³⁷Cs в различных органах растения. На основании анализа данных были смоделированы долговременные зависимости коэффициентов перехода ¹³⁷Cs и его содержания в различных частях растений ивы от доз внесения калийных удобрений. Модель позволяет рассчитать зависимости на весь срок эксплуатации плантации, т.е. 21 год. При этом учитывается, что древесина убирается каждые три года, а корни остаются на одном месте постоянно.

На основе модели была построена геоинформационная система (ГИС), которая позволяет оценить возможности производства фитомассы в Могилевской области при внесении различных доз удобрений. Система также позволяет оценить уровень загрязнения продукции по окончании каждого цикла ротации.

Основная часть

Процесс создания электронных карт и баз данных включает несколько этапов.

Для создания геоинформационной системы карта плотности загрязнения Могилевской области по ¹³⁷Cs была оцифрована. Для этого она была отсканирована, а затем отмасштабирована в программе ArcView, после чего данные карты были привязаны к системе координат с помощью файла привязки. Затем к пространственным данным присоединили непространственную информацию (атрибуты).

На основе данной таблицы была создана тематическая карта, где данные классифицировались по значению плотности загрязнения почвы: 0-1 Ки/км²; 1-5 Ки/км²; 5-15 Ки/км²; 15-40 Ки/км²; 40 Ки/км² и более.

На рис. 2 представлена карта радиационной обстановки Могилевской области.

Рис. 2. Карта радиационной обстановки Могилевской области

Аналогичным образом была оцифрована и почвенная карта Могилевской области. Все почвы были разделены на четыре группы: дерново-подзолистая суглинистая; дерново-подзолистая супесчаная; дерново-подзолистая песчаная; торфяно-болотные, пойменные.

На рис. 3 представлена почвенная карта Могилевской области.

Рис. 3. Почвенная карта Могилевской области

Каждый тип почвы сопоставляется со значением плотности загрязнения по ¹³⁷Cs на данной территории. Так, например, каждому полигону с типом почвы дерново-подзолистая суглинистая последовательно ставится в соответствие значения плотности загрязнения по ¹³⁷Cs.

Количество ¹³⁷Cs, перешедшее из почвы в древесину и корни, зависит от многих факторов, в первую очередь от типа и гранулометрического состава почв и внесения минеральных удобрений.

На основании данных о коэффициентах перехода ¹³⁷Cs рассчитываются значения удельной активности ¹³⁷Cs в древесине после первого цикла ротации, после седьмого цикла и значения удельной активности ¹³⁷Cs в корнях по окончанию срока эксплуатации плантации (после седьмого цикла) при нулевом количестве внесения калийных удобрений и с дозой 90 кг действующего вещества на гектар.

Расчетные данные заносятся в таблицу. В результате при наведении курсора на любой участок карты Могилевской области можно получить информацию о плотности загрязнения земель, коэффициентах перехода, прогнозном накоплении ¹³⁷Cs в древесине и корнях при различных сроках уборки биомассы и эксплуатации плантации (рис. 4).

Рис. 4. Значения удельной активности для выбранного полигона (дерново-подзолистые супесчаниые почвы)

Геоинформационная система помогает планировать производство биотоплива на основе быстрорастущей ивы, выращиваемой на территориях, загрязненных ¹³⁷Cs.

По результатам наших исследований, при трехлетнем цикле производства древесины на суглинистых почвах Кричевского района Могилевской области в пересчете на 10-процентную влажность выход древесины ивы с гектара в среднем за три года составил около 9000 кг. При плотности загрязненности участков радиоцезием до 8 Кu/км² уровень загрязнения древесины не превышал 12 Бк/кг при республиканском допустимом уровне (РДУ 99) не выше 740.

Средний балл пахотных земель в Республике Беларусь составляет 31,2. Древесина ивы может быть получена на землях с потенциальным плодородием 25 и ниже баллов. Наименее плодородные земли расположены в северной части Могилевской области (Климовичский, Костюковичский, Хотимский районы), которые, наряду с наиболее загрязненными радионуклидами регионами (Краснопольский, Славгородский районы), могут стать опорными территориями для организации плантаций быстрорастущей ивы. Кадастровая оценка земель на территориях этих районов составляет соответственно для пашни и сельскохозяйственных угодий: Климовичский район - 29 и 26; Костюковичский район - 25 и 23; Хотимский район - 28 и 25; Краснопольский район - 27 и 23; Славгородский район - 28 и 25.

При определении потенциальных площадей следует учитывать следующие аспекты:

1. В большинстве хозяйств Республики Беларусь есть земли, расположенные на неудобицах или выведенные из оборота по причине низкого плодородия и т. д. Эти площади целесообразно задействовать под аграрное лесоводство как по экономическим, так и экологическим причинам.

2. Суммарно на территориях прилегающих хозяйств целесообразно определять достаточно большой размер полей для обеспечения рентабельности при индустриальной технологии возделывания.

3. Следует учитывать, что наиболее пригодными для выращивания ивы являются дерново-подзолистые суглинистые почвы, которые обеспечивают растения достаточным количеством влаги для роста и развития, а также обуславливают достаточно низкие коэффициенты перехода ¹³⁷Cs в продукцию. Выращивание ивы на легких песчаных и супесчаных почвах неэффективно, так как растения чувствительны к недостатку влаги, особенно на начальных этапах роста. Удовлетворительными для выращивания ивы являются торфяно-болотные почвы.

4. Одна тонна древесины ивы влажностью 10% приблизительно соответствует 0,35-0,40 ТУТ (тонны условного топлива).

Таблица. Потенциал производства древесины ивы в регионах Могилевской области

Суммарная площадь сельскохозяйственных угодий, расположенных на суглинистых и торфяно-болотных почвах данных районов, составляет 106,6 тысячи гектаров, и с этой площади ежегодно можно получать 37_42 тысяч ТУТ энергии в виде древесной биомассы. Таким образом, при использовании части этих площадей потенциал производства биотоплива составляет значительную величину, при этом плотность загрязнения древесины, полученной на землях наиболее загрязненных радионуклидами Славгородского и Краснопольского районов, в десятки раз ниже РДУ 99.

Следует учитывать, что определенную погрешность в модель вносит неопределенность, связанная с изменчивостью коэффициента перехода ¹³⁷Cs, который варьирует даже в пределах одного типа почвы. Дополнительную погрешность создают вариации урожайности на различных типах почвы. Поэтому следует отметить, что оценка потенциала возделывания быстрорастущей ивы носит укрупненный характер и ГИС-технологии не исключают проведения дополнительных натурных исследований, но служат инструментом, позволяющим значительно облегчить и ускорить задачу оценки и совершенствования структуры землепользования.

Заключение

Применение геоинформационных технологий позволяет оперативно оценить потенциал производства биомассы ивы для конкретного региона на основе прогнозного содержания ¹³⁷Cs в древесине и корнях растений, типа и гранулометрического состава почв, плотности загрязнения земель и внесения минеральных (калийных) удобрений. Визуализация информации обеспечивается разработкой многослойных электронных карт. Это позволило выполнить укрупненную оценку ежегодного получения биомассы ивы с учетом ее потенциального загрязнения ¹³⁷Cs для ряда районов Могилевской области. Такие подходы могут успешно применяться и для других регионов с учетом конкретных задач.

В условиях Могилевской области возможно производство нормативно чистой древесины ивы в качестве возобновляемого биотоплива в расчете на 21 год на землях с плотностью загрязнения ¹³⁷Cs до 25 Кu/км².

Потенциал производства древесины ивы ограничивается не только радиационной обстановкой, но и гранулометрической характеристикой почв. В то же время ива является неприхотливой культурой и может успешно выращиваться на низкоплодородных землях. С учетом этих факторов производство биомассы наиболее перспективно в 5 районах области, а суммарный выход возобновляемой энергии составляет потенциально 37-42 тысяч ТУТ.

(Поступила в редакцию 14.03.12)

Литература

1. Gommers, A. Radiocesium uptake by one-year-old willows planted as short rotation coppice / Y. Thiry, H. Vandenhove, C.M. Vandecasteele, E. Smolder, R. Merckx // Environmental quality. --2000. --Vol. 29.--- P. 1384--1390.

2. Sennerby-Forsse, L. Uptake and distribution of radiocesium in fast-growing Salix viminalis L./J. Melin, K.Rosen, G.Siren// J. Sust.For. 1:93--103.

3. Willow biomass Producer's Handbook, Syracuse, NY. - 2002.

4. Чернуха, Г.А. Радиационная безопасность: учеб. пособие / Г.А. Чернуха. -- Горки: БСХА, 2005. -- С. 176.

5. Сельскохозяйственная радиоэкология / под ред. Р.М. Алексахина.-- М: Экология, 1991.-- С. 400.

6. Анненков, Б.Н. Основы сельскохозяйственной радиоэкологии / Б.Н. Анненков, Е.В. Юдинцева. - М: Агропромиздат, 1991.--С. 287.

7. Агеец, В.Ю. Система мер снижения поступления радионуклидов в урожай -- основа реабилитации загрязненных территорий Беларуси / В.Ю. Агеец. - Минск, 2001. - С. 45.

8. Путятин, Ю.В. Минимизация накопления радионуклидов ¹³⁷Cs и 90Sr в сельскохозяйственных культурах на основе регулирования катионного состава дерново-подзолистых супесчаных почв / Ю.В. Путятин. - Минск, 2007. - С. 49.

Аннотация

УДК 633.2/3

Радиоэкологическая оценка и прогнозирование получения биомассы быстрорастущей ивы на локальном уровне на основе геоинформационных технологий. О.И. Родькин, С.К. Пронько

Одним из перспективных направлений использования загрязненных радионуклидами земель является производство возобновляемой древесной биомассы на основе быстрорастущей ивы. С целью оценки потенциала получения биомассы ивы в Могилевской области на землях, загрязненных ¹³⁷Cs в результате аварии на ЧАЭС, в наших исследованиях использовались геоинформационные технологии.

Такой подход позволил соотнести и проанализировать данные о плотности загрязнения древесной биомассы и почв Могилевской области, урожайности ивы и коэффициентах перехода ¹³⁷Cs из почвы в растения.

На основании экспериментальных исследований, проведенных на загрязненной радионуклидами территории Кричевского района, были смоделированы долговременные зависимости перехода ¹³⁷Cs в биомассу ивы, которые легли в основу построения геоинформационной системы и создания многослойной электронной карты Могилевской области. Это позволило провести укрупненную оценку потенциала производства древесной биомассы ивы на землях ряда районов области.

фитомасса геоинформационный радионуклид экологический

Annotation

Radioecological assessment and forecasting of biomass production of a fast-growing willow at the local level on the basis of geoinformation technologies.. O.I. Rodkin, S.K. Pronko

One of the promising directions of the use of lands contaminated by radio-nuclides is the production of renewable woody biomass on the basis of fast-growing willow. To estimate the potential of obtaining willow biomass in Mogilev region on lands contaminated by ¹³⁷Cs as a result of Chernobyl accident, we used geo-information technologies in our research.

Such an approach helped to analyze the data about the density of contamination of woody biomass and soils in Mogilev region, willow productivity and the coefficients of ¹³⁷Cs transition from soil into plants.

On the basis of experimental research, conducted on Krichev district lands, contaminated by radio-nuclides, we have modeled long-term dependences of ¹³⁷Cs transition into willow biomass, which served as a basis for geo-information system and multi-layer electronic map of Mogilev region. This helped to make an enlarged estimation of potential of producing woody biomass of willow on lands of a number of districts of the region.

Размещено на Allbest.ru