Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Газо-аэрозольные эмиссии при лесных низовых пожарах

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Иванов, Андрей Валерьевич

страница

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Современное состояние вопроса

Глава 2. Программа и методика исследований. Объекты ^q исследований.

2.1. Программа исследований.

2.2. Методика исследований.

2.3. Характеристика объектов исследования.

Глава 3. Элементный состав различных видов лесных горючих материалов и концентрация аэрозолей, образующихся при их 60 сгорании

3.1. Элементный состав лесных горючих материалов

3.2. Скорость и полнота сгорания некоторых видов ЛГМ

3.3. Элементный состав аэрозолей.

Глава 4. Элементный состав аэрозолей при пожарах разной ^ интенсивности в сосняке лишайниково-зеленомошном.

4.1 Оценка запасов ЛГМ на экспериментальных участках.

4.2. Условия проведения эксперимента и характеристики ^ поведения пожаров.

4.3. Эмиссии при лесных пожарах разной интенсивности.

Глава 5. Содержание органического и неорганического углерода ^ в аэрозолях при лесных пожарах разной интенсивности

5.1. Содержание органического и неорганического углерода в ^ аэрозолях, образующихся при горении отдельных видов ЛГМ

5.2. Содержание органического и неорганического углерода в ^ аэрозолях при пожарах разной интенсивности.

Глава 6 Оценка объема эмиссий при сгорании некоторых видов ^^ лесных горючих материалов.

6 Л. Расчет объема эмиссий при сгорании некоторых видов ЛГМ.

6.2. Расчет объема эмиссий при лесных пожарах разной ^ интенсивности.

Выводы

Введение Диссертация по биологии, на тему "Газо-аэрозольные эмиссии при лесных низовых пожарах"

Актуальность работы

Состояние окружающей среды во многих регионах нашей планеты свидетельствует о все более возрастающем влиянии человека. Человеческая деятельность является главной причиной таких изменений, как уничтожение лесов вследствие пожаров и вырубки, вымирание некоторых видов животных и растений, выпадение кислотных осадков, истощение стратосферного озона и угроза глобального потепления.

В мире насчитывается примерно 1,2 млрд. га бореальных лесов и лесных земель и примерно 900 млн. га из них приходится на сомкнутые бореальные леса (FIRESCAN, 1994). Это составляет около 30% мировых запасов леса. По различным оценкам углерод, накопленный в бореальных лесах, составляет 10-17% глобальных наземных запасов углерода в почвах и в растительном материале (Apps et. al. 1993, Bolin 1986). Около 2/3 бореальных лесов находится в России; это примерно 774 млн га, из которых спелые и перестойные насаждения составляют около 330 млн. га (Лесной фонд России, 1999). В связи с такой огромной площадью, большим запасом углерода и благодаря своей чувствительности к изменениям климата, бореальные леса давно признаются важнейшим фактором в мировом балансе углерода (Crutzen et. al., 1979). Пожары ежегодно охватывают 12-15 млн. га сомкнутых бореальных лесов, большая часть которых находится в Евразии (Conard, Ivanova, 1997). Это больше, чем площадь ежегодных рубок или территория, подвергающаяся действию других стрессовых воздействий, например, насекомых. Пожары являются основным экологическим фактором, вносящим коренные изменений в лесные экосистемы. Эти изменения значительно усугубляются в процессе горения биомассы при лесных пожарах. Выделяющиеся при этом эмиссии оказывают влияние на химический состав атмосферы, являются одной из составляющих глобального цикла углерода.

Целью настоящей работы является количественная и качественная оценка состава эмиссий при лесных низовых пожарах различной интенсивности в среднетаежных сосняках Средней Сибири.

В соответствии с этим в задачи исследования входило:

1. Изучение состава и концентрации эмиссии аэрозолей при горении различных видов лесных горючих материалов (ЛГМ);

2. Определение состава и концентрации эмиссий аэрозолей при пожарах разной интенсивности на примере сосняков лишайниково-зеленомошных;

3. Оценка количественного выхода углерода при пожарах разной интенсивности;

4. Расчет объема эмиссий при лесных пожарах.

Защищаемые положения

1. Состав и концентрация эмиссий аэрозолей при лесных пожарах определяется комплексом горючих материалов и интенсивностью горения. Доля аэрозолей в общей газо-аэрозольной эмиссии не превышает 1-3%.

2. Количество освобожденного углерода при лесных пожарах тесно связано с интенсивностью горения на кромке пожара.

3. При лесных пожарах органического углерода выделяется в 3 раза больше, чем неорганического и это соотношение не зависит от интенсивности пожара.

Научная новизна

Впервые показаны элементный состав и концентрация аэрозолей при низовых пожарах разной интенсивности на примере среднетаежных сосняков лишайниково-зеленомошных. Определена концентрация химических элементов в некоторых видах лесных горючих материалов и аэрозолях, образующихся при их сгорании. Установлена концентрация органического и неорганического углерода в аэрозолях при лесных пожарах разной интенсивности, а так же при сгорании отдельных видов ЛГМ. Проведена оценка объема газовой и аэрозольной компоненты эмиссий при лесных пожарах разной интенсивности. Установлено, что доля аэрозолей в общей газо-аэрозольной эмиссии не превышает, как правило, 1-3% (по массе). Наибольшая доля в углеродосодержащих газо-аэрозольных эмиссиях приходится на СО и СОг, а остальные газы составляют менее 5%. Максимальные объемы эмиссии СО и С02 в атмосферу наблюдаются при высокоинтенсивных лесных пожарах.

Практическая значимость

Полученные данные расширяют представление об элементном составе аэрозолей и газовом составе эмиссий, образующихся при лесном пожаре. Результаты исследований могут быть использованы для понимания природы и механизма парникового эффекта, оценки эмиссии С02 в атмосферу при лесных пожарах в бореальных лесах, а так же при разработке индивидуальных средств защиты органов дыхания для людей, работающих на тушении лесных пожаров.

Личный вклад автора

Диссертационная работа выполнена в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и является частью исследований, выполненных в рамках интеграционного проекта СО РАН 064 "Аэрозоли Сибири" и российско-американского проекта 076 "Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири" (Estimating and Monitoring Effects of Area Burned and Fire Severity on Carbon Cycling, Emissions, and Forest Health and Sustainability in Central Siberia). Все исследования по теме диссертации выполнены непосредственно автором, либо при его непосредственном участии.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации доложены на научно-практических конференциях "Аэрозоли Сибири" (Томск, 2000-2002), научно-практических конференциях СибГТУ (Красноярск, 2001), на международных научно-практических конференциях (Иркутск, 2001; Хабаровск, 2002; Красноярск, 2002).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в т.ч. 2 в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 154 странице, включает 21 рисунок, 35 таблиц и список использованной литературы содержащей 143 источника.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Иванов, Андрей Валерьевич

Выводы

В результате проведенных исследований установлено:

1. Лесные пожары в бореальных сосновых лесах влияют на баланс углерода посредством эмиссии газов и аэрозолей, а также воздействием на компоненты экосистем. Степень воздействия зависит от интенсивности горения, от состава и запаса лесных горючих материалов.

2. Элементный состав аэрозолей при лесных пожарах определяется комплексом горючих материалов, стабилен и качественно не зависит от интенсивности пожара.

3. Концентрация элементов в аэрозолях определяется интенсивностью пожара. В элементном составе аэрозолей преобладают К, Са, Mn, Fe, Zn. Суммарная массовая доля содержания химических элементов, определяемых в аэрозолях методом РФА СИ, не превышает 1%.

4. На высоте 100-200 м концентрация элементов в аэрозолях убывает на порядок. При этом, чем выше интенсивность пожара, тем меньше вертикальный градиент концентрации аэрозоля.

5. Эмиссия аэрозоля составляет при экспериментальных пожарах 10 - 30 г/м2 горящей площади. Доля аэрозолей в общей газо-аэрозольной эмиссии не превышает, как правило, 1 - 3%.

6. Содержание органического и неорганического углерода в аэрозолях, образующихся при горении различных ЛГМ, обусловлены их размером и влагосодержанием. При лесных пожарах органического углерода выделяется в 3 раза больше, чем неорганического. Это соотношение не зависит от интенсивности пожара.

7. Концентрация суммарного углерода связана с интенсивностью пожара. Концентрация как органического, так и неорганического углерода определяется такими метеофакторами, как осадки, температура и влажность воздуха.

8. При лесных пожарах разной интенсивности в сосняке лишайниково-зеленомошном высвобождается от 4,8 т/га до 15,4 т/га углерода. Количество освобожденного углерода тесно связано с интенсивностью горения на кромке пожара (коэффициент корреляции 0,83). Расчетное количество выделившихся газо-аэрозольных эмиссий в зависимости от интенсивности пожара, составляет от 11,3 т/га до 35,5 т/га.

9. Наибольшая доля в углеродосодержащих газовых эмиссиях приходится на СО и С02, (до 98%), а остальные газы составляют менее 5%. Максимальные объемы выделения СО и С02 наблюдаются при высокоинтенсивных лесных пожарах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лесные пожары рассматриваются как мощный экологический фактор воздействия на окружающую среду. Они влияют на баланс углерода через газо-аэрозольные эмиссии и через воздействие на компоненты экосистем. Степень воздействия зависит от вида и интенсивности пожаров, от состава и количества лесных горючих материалов. В то же время исследования, направленные на оценку состава эмиссий при лесных пожарах и их влияния на баланс углерода в бореальных лесах, весьма немногочисленны.

В данной работе впервые экспериментально исследован элементный состав и концентрация аэрозолей, образующихся при пожарах разной интенсивности в бореальных лесах, на примере среднетаежных сосняков лишайниково-зеленомошных. Определена концентрация химических элементов в некоторых видах лесных горючих материалов и в аэрозолях,, образующихся при их сгорании. Установлена концентрация органического и неорганического углерода в аэрозолях при лесных пожарах разной интенсивности, а такоке при сгорании отдельных видов ЛГМ. Проведена оценка объема газовой и аэрозольной компоненты эмиссий при лесных пожарах разной интенсивности.

Полученные данные расширяют представление об элементном составе аэрозолей и газовом составе эмиссий, образующихся при лесном пожаре, а так-же позволяют оценить качественно и количественно их вклад в баланс углерода. Кроме того, они предопределяют необходимость дальнейшего проведения исследований по оценке влияния на эмиссии при лесных пожарах рельефа местности, типа леса, лесоводственно-таксационных показателей, а также изучения вертикального и горизонтального распределения аэрозолей и газов в очаге горения. Проведение этих исследований необходимо, как для получения более обширных данных по количественной и качественной оценке объема эмиссий в атмосферу при лесных пожарах, так и для оценки вклада последних в баланс углерода на локальном, региональном и глобальном уровнях.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Иванов, Андрей Валерьевич, Красноярск

1. Сибири // Сибирский экологический журнал, 1996, №1. - 51-60.• Абаимов А.П., Прокушкин Г., Зырянова О.А., Каназава Ю., Такахаши

2. К. Экологическая и лесообразующая роль пожаров в криолитозоне Сибири //

3. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1973. - 213-232.• Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 450 с. • Будыко М.И, Винников К.Я., Гандин Л.С, Дроздов О.А., Кароль И.Л.,

4. Пивоварова З.И. Климат и воздействие на аэрозольный слой стратосферы. - Л.:

5. Гидрометеоиздат, 1974. - 44 с.• Будыко М.И., Ронов А.Б., Яншин А.Л. История атмосферы. Л.;

6. Хмелевцева С. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 256 с.• Горожанкина СМ., Константинов В.Д. География тайги Западной

7. Минкомхозиздат РСФСР, 1962. - 264 с.• Душа-Гудым СИ. Радиоактивные лесные пожары; Справочное пособие.

8. М.: ВНИЩлесресурс, 1999. - 160 с.• Жуков А.Б., Коротков И.А., Кутафьев В.П. Леса Красноярского края.

9. Сибирский экологический журнал, 1996, т.З, №1. - 29-34.• Ивлев Л.С. Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем.

10. СПб.: НИИХ СпбГУ, 1999. - 258 с.• Израэль Ю.А. Экология и контроль природной среды. - М.,

11. Сибирский экологический журнал, 2000, Т.7., №1. - 93-96.• Кондратьев К.Я. Глобальный климат // Итоги науки и техники.

12. Новосибирск: Наука, Сибирское Отделение, 1977. - 239 с.• Коровин Г.Н., Андреев Н.А. Авиационная охрана лесов. - М.:

13. Барнаул, 1996, - 249-251.• Манойлов В.В., Неделин П.Н., Лукичев А.Н., Сапожков Л.К., Трубадуров

14. Лесоведение, 1970, №4. - 40-43.• Экогеохимия Западной Сибири. - Новосибирск, ОИГГиМ, 1995. - 248 с. • Abaimov А.Р., Zyryanova О.А, Prokushkin S.G., Koike Т. and Matsuura Y.

15. Possible Changes Under Global Werming // Eurasian J. For. Res. 2002, №5-2,p.95-106. • Abaimov A.P., Prokushkin S.G., Matsuura Y., Osawa A., Takenaka A. and

16. Kajimoto T. 1998. Wildfire and Cutting Effect on Larch Ecosystem Permafrost

17. Dynamics in Central Siberia // Proceedings of the Eighth Symposium on the Joint

18. Siberian Permafrost Studies between Japan and Russia in 1998. Hokkaido1. University, -p.48-58. • Andrea M.O., Cachier H., Delmas R. Et al. Airbom studies of aerosol emission from savanna fire in southern Africa. Aerosol chemical composition // J.

19. Geophys. Res. 1998, v. 103 ND 24, - p.32119-32128.• Apps M.J., Kurz W.A., Luxmoore R.J., Nilsson L.O., Sedjo R.A., Schmidt R.,

20. Simpson E.G. and Vinson T.S. Boreal forests and tundra // Water, Air and Soil

21. Pollution 1993, №70-p.39-53.• Artaxo P., Yamasoe M.A., Martins J.V. et al. Fire in the Environment // The

22. Ecological, Atmospheric and Climatic Importance of Vegetation Fires. Ed. by

23. R.W. Wein and MacLean D.A., editors. The role of fire in northern circumpolarecosystem (Scope 18). John Wiley and Sons, Chichester, England, 1983. • Brunke E.G., Sheel H.E. and Seller W. Trends of tropospheric CO, N2O and

24. Space Sci., 1983,N31,1009-1032.• Crutzen P.J. The influence of nitrogen oxides on the atmospheric ozone content // Quart. J. Roy. Met.Soc, 1970, N96, - p.320-325. • Crutzen P.J., Delany A.C., Greenberg J., Haagenson P., Heidt L., Lueb R.,

25. McGraw-Hill Book Co. Inc.. 1959. - 584 p• Dickinson R. and Cicerone R., Future global warming from atmospheric trace gases//Nature, 1986, N319,-p. 109-115. • Dixon R.K., Brown S., Houghton R.A., Solomon A.M., Trexler M.C.,

26. Res., 1998, v. 103, ND 24, - p.32107-32118.• Fire in ecosystems of boreal Eurasia, J.G. Goldammer, V.V.Furyaev, eds.

27. Fire and Climate on Successions and Structural Changes in The Siberian Boreal

28. Management", 2000, V.l 1. - p.219-222.• Levine J.S. Introduction/Biomass Burning and Global Change (edited by 1.vine J.S.). Volume 1 Remote Sensing, Modeling and Inventory Development, and

29. Africa during Experiment for Regional Sources and Sinks of Oxidants (EXPRESSO)// J. Geophys. Res. 1999, v.l04, ND23. - p.30673-30690. • Sampson A.W. Plant succession on burned chaparral lands in Northern

30. Symposium on the Joint Siberian Permafrost Studies between Japan and Russia in1999. National Institute for Environmental Studies Tsukuba. 1999. - p.219-221. • Twomev S., Huffman D. R. Workshop review.—In: Light Absoфtion by

31. Environment Intemat., 1991, N12. - p.l 17-134.• Weiss R., The temporal and spatial distribution of tropospheric nitrous oxide //

32. J.Geophys. Res., 1981, N86. - p.7185-7195.• Westberg H., Sexton K., Fluckt D. // J. Air Pollut. Contr Assoc, 1981, v.31. p.661-664.