from 01.01.2008 until now
Arkhangelsk, Russian Federation
graduate student from 01.01.2015 to 01.01.2019
Arhangel'sk, Russian Federation
The forests of the North are characterized by frequent exposure to ground fires. The study of wood qualities at the burnt areas for its rational use is relevant. The aim of the study was to study the calorific value of Scots pine after a ground fire. The studies were conducted in the Permilovsk, Unsk and Obozersk forest districts of the Arkhangelsk region from 2016-2018. The fire duration in the studied areas was 3-8 years. The calorific value of pine wood in an absolutely dry state was determined using an ABK-1V automated bomb calorimeter. The calorific value of pine wood of post-pyrogenic stands averages from 21,389 J/g to 22,452 J/g. In post-pyrogenic stands, the calorific value of pine soundwood is significantly higher (1331 J/g) compared to sapwood. In pine trees that have dried up after a ground fire and in viable trees that are susceptible to 1-2 stages of decay, the calorific value of wood is at the level of healthy trees. It is 21,182 — 22,590 J/g and 21,521 — 22,394 J/g, respectively. However, sapwood for this category of trees has lower values of 19,648 — 19,873 J/g. The average calorific value of pine wood in plantations not damaged by fires is lower by 658 — 1,721 J/g in comparison with post-pyrogenic ones. For the first time, data on the calorific value of post-pyrogenic wood of trees of different status categories were obtained for the north of the Arkhangelsk region. The calorific value of post-pyrogenic pine wood of different categories of state is characterized by increased values. It allows it to be used as raw material for biofuel.
calorific value, post-pyrogenic wood, sound wood, sapwood, biofuel
Введение. Биоэнергетика необходима для экологической и энергетической безопасности страны [2], [5]. Биотопливо по сравнению с традиционными видами топлива более экологично, так как отсутствуют выбросы серных окислов, более чем на треть снижаются выбросы сажи по сравнению с обычным дизельным топливом, менее опасно воздействие на здоровье человека и окружающую среду в целом [3]. Перспективным возобновляемым видом топлива является древесная биомасса леса [19]. Потенциальными источниками древесного топлива являются остатки от вырубок, пни, баланс круглого леса [16]. Основным видом сырья для производства топливных гранул, пеллет является древесина [7]. Теплотворную способность древесины сосны активно изучается [16], [22], [21], [18], [23], [9], [13]. В связи с тем, что сырьем для пеллет является низкосортная, дровяная древесина, актуально рассмотрение качества древесины сосны гарей и горельников. Особенностью лесов Севера является частая подверженность пожарам. Выживаемость, отпад деревьев сосны после пожара зависит от вида, интенсивности пожара, высоты нагара на стволах, возраста деревьев, густоты древостоя и т.д. [8], [22], [17], [10], [14]. Выявление свойств постпирогенной древесины позволит рационально использовать древесные ресурсы.
Целью исследования являлось изучение теплотворной способности древесины сосны обыкновенной после низового пожара в сосняках брусничных и черничных влажных.
Задачи: оценить теплотворную способность древесины сосны на горельниках.
Материалы и методы. Исследовали сосновые насаждения, пройденные низовыми пожарами, в Благовещенском участковом лесничестве Вельского лесничества, Унском участковом лесничестве Северодвинского лесничества, Пермиловском участковом лесничестве Обозерского лесничества Архангельской области (табл.1). Пробные площади закладывались в соотвествие с общепринятыми методиками В.Н. Сукачева, С.В. Зонна [12], таксационные характеристики древостоев оценивали по методикам, описанным Н.П. Анучиным [1]. Классификация пройденных пожарами площадей выполнена с учетом методических рекомендаций И.С. Мелехова [6]. На всех пройденных огнем площадях устанавливался год и вид пожара, вид гари или горельника по классификации Мелехова [6]. Интенсивность пожара устанавливалась по высоте нагара на стволах [10], [4]. Насаждения пробных площадей № 2, 4, 10, 11 пройдены низовым пожаром слабой интенсивности; пробные площади № 1, 3, 7, 8 – средней интенсивности; пробная площадь № 5, 9 – сильной интенсивности; пробная площадь №6 – контроль. На пробных площадях отбирали керны возрастным буравом у 10 модельных деревьев, характеризующихся средним диаметром по древостою. Керн разделяли на части длиной по 1,4 см (по диаметру чашечки калориметра) и сушили в сушильном шкафу до абсолютно сухого состояния при температуре 103°С. Теплотворную способность этого материала определяли при помощи автоматизированного бомбового калориметра АБК-1В. Масса каждого сжигаемого образца составляла около 1 г. Настройка параметров калориметра, проведение измерений и расчет данных проводили с помощью программного комплекса «Calorimeter-G09» и программы «Setup Calorimeter-G09». Единицы измерения теплоты сгорания древесины - Дж/г.
Результаты исследования.
В сосняках брусничных отпад деревьев спустя 7 - 8 лет после пожара изменяется от 11 до 98% в зависимости от высоты нагара (рис.1). Отпад деревьев резко возрастает при высоте нагара на деревьях более 1,1 м. При высоте нагара более 2 м отпад деревьев приближается к 100%. При увеличении давности пожара с 3-х до 8-ми лет процент отпада деревьев увеличился на 5% в насаждении со средней высотой нагара 0,8м и на 41 % - при высоте нагара 1,3 м.
В сосняках брусничных среди жизнеспособных деревья с наличием сердцевинной гнили при высоте нагара до 1,5 м составляют 15-28%. В сосняках черничных влажных при средней высоте нагара 0,68 м доля жизнеспособных деревьев составляет от 76 до 97% спустя 8 лет после пожара. Однако доля деревьев с сердцевинной гнилью 1-2 стадии среди жизнеспособных составляет до 86%. Такой высокий процент поражения стволов сосны ядровой гнилью может быть обусловлен повреждением корней. В избыточно увлажненных условиях корневая система формируется в верхних слоях почвы, особенно микропонижениях, где напочвенный покров составляют сфагнумы, быстро прогорающие во время пожара. В результате при низовых пожарах слабой интенсивности происходит частичное повреждение корней, что негативно сказывается на защитных механизмах деревьев.
Таким образом, на горельниках деревья подразделяются на поврежденные жизнеспособные без гнили, поврежденные жизнеспособные с гнилью и усохшие.
Рис. 1. Отпад деревьев спустя 7-8 лет после низового пожара в сосняках брусничных (Результаты получены авторами)
Рассмотрим теплотворную способность древесины сосны в вышеуказанных категориях. Теплотворная способность постпирогенной древесины жизнеспособных деревьев сосны без сердцевинной гнили изменяется от 20600 Дж/г до 26000 Дж/г, единично встречаются значения до 34000 Дж/г. На контроле теплотворная способность древесины сосны изменяется от 20500 Дж/г до 21071 Дж/г. Средние значение теплотворной способности постпирогенной древесины сосны превышает контроль на 658 – 1721 Дж/г соответственно на 3 – 8% (табл.2).
Таблица 1
Таксационная характеристика древостоев пробных площадей (Результаты получены авторами)
|
№ПП |
Тип леса |
Состав |
Возраст древостоя, лет |
Средние |
Полнота отн. |
Давность пожара, лет |
|
|
диаметр, см |
высота, м |
||||||
|
Благовещенское участковое лесничество |
|||||||
|
1 |
С. брусничный |
10С |
60 |
16,3 |
14,6 |
0,79 |
3 |
|
2 |
С. брусничный |
10С |
70 |
24,6 |
17,9 |
0,84 |
3 |
|
3 |
С. брусничный |
10С |
60 |
25,1 |
18,8 |
0,71 |
3 |
|
4 |
С. брусничный |
10С |
60 |
22,3 |
17,9 |
0,81 |
6 |
|
5 |
С. брусничный |
10С |
70 |
23,9 |
17,9 |
0,68 |
7 |
|
6 |
С. брусничный |
10С |
70 |
21,4 |
17,7 |
0,88 |
- |
|
Пермиловское участковое лесничество |
|||||||
|
7 |
С. брусничный |
9С1Е |
80 |
18 |
16 |
0,59 |
8 |
|
8 |
С. брусничный |
10С |
100 |
22 |
20 |
0,75 |
8 |
|
9 |
С. брусничный |
10С |
80 |
18 |
15 |
0,61 |
8 |
|
Унское участковое лесничество |
|||||||
|
10 |
С. черничный влажный |
10С |
80 |
16 |
16 |
0,61 |
8 |
|
11 |
С. черничный влажный |
10С |
80 |
15 |
16 |
0,66 |
8 |
Таблица 2
Теплотворная способность древесины жизнеспособной сосны в сосняках брусничных после низового пожара (Результаты получены авторами)
|
№ ПП |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Ср.высота нагара, м |
1,50 |
0,97 |
1,36 |
0,86 |
2,22 |
- |
|
Теплотворная способность древесины сосны, Дж/г |
21882 ±272,0 |
22367 ±326,2 |
22452 ±392,6 |
22280 ±294,4 |
21389 ±399,3 |
20731 ±107 |
|
Достоверность различия с контролем t при tst=2,1 |
3,2 |
4,1 |
3,7 |
4,3 |
1,6 |
- |
Таблица 3
Теплотворная способность древесины жизнеспособной сосны в зависимости от радиального положения в стволе, Дж/г (Результаты получены авторами)
|
Положение в стволе |
Постпирогенные насаждения |
Контроль |
Достоверность различия t при tst |
|
Ядровая древесина |
22884 ± 309,8 |
20875 ± 109,9 |
6,1 |
|
Заболонная древесина |
21553 ± 59,9 |
20586 ± 96,7 |
8,5 |
|
Достоверность различия t при tst=2,1 |
6,9 |
2,0 |
- |
Рис.2. Теплота сгорания древесины в зависимости от радиального расположения в стволе (Результаты получены авторами)
Рис.3 Теплотворная способность древесины сосны в зависимости от давности низового пожара в сосняках брусничных (Результаты получены авторами)
Различие средних значений теплоты сгорания по пробной площади с контролем значимо при высоте нагара ниже 1,5м. В постпирогенных насаждениях ядровая древесина сосны характеризуется большей теплотворной способностью по сравнению с заболонной. Различие значимо и составляет 1331 ДЖ/г (табл. 3). На контрольной пробной площади отмечается та же тенденция, но различие не значимо и составляет 285 Дж/г. В.П. Рябчук, Т.В. Юскевич, В.М. Гриб (2013) связывают несколько большую теплотворную способность ядровой древесины по сравнению с заболонной с наличием смолы, а повышенная смолистость хвойных способствует более высокой теплоте сгорания (Боровиков, Уголев, 1989). Изменение теплотворной способности древесины сосны при удалении от камбия происходит постепенно (рис.2). В сосняках брусничных в результате повреждения дерева пожаром возрастает теплотворная способность, как заболонной, так и ядровой древесины (табл.3).
Давность прохождения насаждения пожаром до 6 лет не повлияла на теплотворную способность древесины сосны, но уже спустя 7 лет теплота сгорания древесины понизилась на 4% (рис.3). В сосняке брусничном Обозерского лесничества теплотворная способность пост пирогенной ядровой древесины усохших сосен спустя 8 лет после низового пожара равносильна жизнеспособным деревьям. Теплотворная способность заболонной древесины усохших сосен на 6% меньше по сравнению с жизнеспособными деревьями. Теплотворная способность древесины усохших в результате воздействия низового пожара сосен составляет вблизи коры 19873±216 Дж/г, в средней части радиуса поперечного сечения ствола -21521±258 Дж/г, в центральной части ствола - 22392±684 Дж/г.
В сосняке черничном влажном после низового пожара слабой интенсивности спустя 8 лет большая часть жизнеспособных деревьев имеет бурую ядровую гниль 1-2 стадии гниения. Чаще всего возбудителем гнили является гриб Окаймленный трутовик (Fomitopsis pinicola (Fr.) Karst.). Теплотворная способность ядровой древесины, подверженной гниению, находится на уровне здоровой древесины и составляет от 21182 до 22590 Дж/г. При этом теплотворная способность заболонной древесины составляет 19648±168 Дж/г, что на 6% ниже заболони пост пирогенной здоровой древесины.
Следовательно, у усохших деревьев и жизнеспособных деревьев, пораженных ядровой гнилью, теплотворная способность заболонной древесины ниже на 6 % по сравнению со здоровыми деревьями.
Выводы. Теплотворная способность древесины сосны постпирогенных насаждений изменяется от 20600 Дж/г до 26000 Дж/г. В постпирогенных насаждениях ядровая древесина сосны характеризуется значимо большей теплотворной способностью по сравнению с заболонной. Различие составляет 1331 ДЖ/г. В насаждениях, не пройденных пожарами, различие теплоты сгорания между ядром и заболонью не значимо. Среднее значение теплотворной способности древесины сосны в насаждениях, не поврежденных пожарами, ниже на 658 – 1721 Дж/г по сравнению с постпирогенными. У усохших после низового пожара деревьев сосны и у жизнеспособных, подверженных 1-2 стадии гниения, теплотворная способность древесины находится на уровне здоровых деревьев, однако заболонная древесина имеет пониженные значения.
1. Anuchin, N. P. Lesnaya taksaciya [Tekst] / N. P. Anuchin. - M. : Lesnaya promyshlennost', 1982. - 552 s.
2. Astafurov, A. O. Rol' perspektivnyh tehnologiy bioenergetiki v obespechenii ekologicheskoy i energeticheskoy bezopasnosti [Tekst] / A. O. Astafurov // Vestnik Mezhdunarodnoy akademii nauk. - 2011. - № 2 (3). - S. 16-17.
3. Bioenergetika: mirovoy opyt i prognoz razvitiya [Tekst] / L. S. Orsik [i dr.]. - M. : FGNU Rosinformagroteh, 2008. - 404 s.
4. Vakurov, A. D. Lesnye pozhary na Severe [Tekst] / A. D. Vakurov. - M. : Nauka, 1975. - 100 s.
5. Zonova, N. V. Bioenergetika v Rossiyskoy Federacii [Tekst] / N. V. Zonova, M. A. Gur'eva, M. A. Kondratey // Mezhdunarodnye nauchnye issledovaniya. - 2016. - № 1 (26). - S. 42-45.
6. Melehov, I. S. Lesnaya pirologiya [Tekst] / I. S. Melehov, S. I. Dusha-Gudym. - M., 1979. - 80 s.
7. Perspektivy ispol'zovaniya rastitel'nyh resursov Astrahanskoy oblasti v bioenergetike [Tekst] / A. L. Sal'nikov [i dr.] // Problemy regional'noy ekologii i prirodopol'zovaniya. Estestvennye nauki. - 2012. - № 1 (38). - S. 92-99.
8. Romanov, V. E. Opredelenie uscherba ot nizovyh lesnyh pozharov [Tekst] / V. E. Romanov // Lesnoe hozyaystvo. - 1968. - № 2. - C. 36-38.
9. Ryabchuk, V. P. Fizicheskie svoystva drevesiny vidov roda Sosna [Tekst] / V. P. Ryabchuk, T. V. Yuskevich, V. M. Grib // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. - 2013. - № 5 (335). - S. 160-169.
10. Savchenko, A. G. Metodologicheskie aspekty izucheniya vliyaniya nizovyh pozharov na les [Tekst] / A. G. Savchenko // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. - 1987. - № 4. - S. 27-31.
11. Sofronov, M. A. Kanadskaya sistema ocenki pozharnoy opasnosti v lesah [Tekst] / M. A. Sofronov, A. V. Volokitina // Lesnoe hozyaystvo za rubezhom : ekspress-informaciya. - M., 1996. - Vyp. 5. - S. 2-22.
12. Sukachev, V. N. Metodicheskie ukazaniya po izucheniyu tipov lesa [Tekst] / V. N. Sukachev, S. V. Zonn. - M. : Izd-vo AN SSSR, 1961. - 144 s.
13. Teplota sgoraniya drevesnogo topliva [Tekst] / Yu. V. Maksimuk [i dr.] // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. - 2017. - № 4. - S. 116-129.
14. Baker, W. L. Effect of scale and spatial heterogeneity on fire interval distributions [Text] / W. L. Baker // Canadian Journal of Forest Research. - 1989. - Vol. 19. - P. 700-706.
15. Estimation of Energy Wood Potential in Europe [Electronic resource] / Timo Karjalainen [and etc.] // Working Papers of the Finnish Forest Research Institute. - 2004. - Iss. 6. - 43 p. - Electronic text data. - Mode of access : http://www.metla.fi/julkaisut/workingpapers/2004/mwp006.htm (30.11.17). - Title from screen.
16. Harker, A. P. Calorific Values for Wood and Bark and a Bibliography for Fuelwood [Text] / A. P. Harker, A. Sandels, J. Burley // Report, Tropical Products Institute. - London, 1982. - №. G.
17. Heinselman, M. L. Fire and Succession in the Conifer Forests of Northern North America [Text] / M. L. Heinselman // Forest Succession : Concepts and Application / edited by: D. C. West, H. H. Shugart, D. B. Botkin. - New York : Springer Verlag, 1983. - P. 374-405.
18. Orémusová, E. Evaluation of the Gross and Net Calorific Value of the Selected Wood Species [Text] / E. Orémusová, L. Tereňová, R. Réh // Advanced Materials Research. - 2014. - Vol. 1001. - P. 292-299.
19. Parikka, M. Global biomass fuel resources [Text] / M. Parikka // Biomass and Bioenergy. - 2004. - Vol. 27. - P. 613-620.
20. Senelwa, K. Fuel Characteristics of Shot Rotation Forest Biomass [Text] / K. Senelwa, R. E. H. Sims // Biomass and Bioenergy. - 1999. - Vol. 17 (2). - P. 127-140.
21. Telmo, C. Heating Values of Wood Pellets from Different Species [Text] / C Telmo, J. Lousada // Biomass and Bioenergy. - 2011. - Vol. 16 (6). - P. 2634-2639.
22. Wagner, C. E. van. Fire and red pine [Text] / Van Wagner C. E. // Proceedings 10th Tall Timbers Fire Ecology Conference, 1970 August 20-21. - Tallahassee, 1970. - P. 211-219.
23. Zeng, W. Calorific values and ash contents of different parts of Masson pine trees in southern China [Text] / W. Zeng, S. Tang, Q. Xiao // Journal of Forest Research. - 2014. - Vol. 25, Iss. 4. - P. 779-786.
