Энерго-демографический подход определения антропогенно-техногенных нагрузок на экосистемы Ботлихского района Республики Дагестан

ЭНЕРГО-ДЕМОГРАФИЧЕСКИЙ ПОДХОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНТРОПОГЕННО-ТЕХНОГЕННЫХ НАГРУЗОК НА ЭКОСИСТЕМЫ БОТЛИХСКОГО РАЙОНА

РЕСПУБЛИКИ ДАГЕСТАН

2011 Ахмедова Л.Ш., Раджабова Р.Т.

Дагестанский государственный университет

Для реализации модели устойчивого развития территории энергетический потенциал продуктивности земель является основным элементом оценки экологической емкости экосистем и последующей индексации их устойчивости. Фотосинтетический потенциал продуктивности экосистем определяется по мощности и суммам прихода солнечной радиации за вегетационный период, коэффициентом полезного использования фотосинтетически активной радиации (ФАР) и по удельной величине теплоты сгорания абсолютно сухой биомассы без учета различных лимитирующих продукцию факторов - почвенноклиматических и хозяйственно-экономических. В качестве примера расчета всех выше перечисленных показателей выбран высокогорный Ботлихский район Республики Дагестан.

For the purpose of realization of the model of the territorial sustainable development the energetic potential of the land productivity is a basic element of the estimation of the ecosystem ecological capacity and the subsequent indexation of their stability. The photosynthetic potential of the ecosystem productivity is defined on the capacity and the sums of solar radiation income during the vegetative period, the helpful usage coefficient of the fotosynthetically active radiation (FAR) and the specific quantity of the heat of combustion of the absolutely dry biomass without various factors limiting the production of soil-climatic and economic factors. The authors of the article chose high-mountainous Botlikh region of the Republic of Dagestan as a calculation example for all above-mentioned indicators.

Ключевые слова: потенциал продуктивности, антропогенная нагрузка, экологическая емкость, энерго-демографический индекс устойчивости.

Keywords: efficiency potential, anthropogenous loading, ecological capacity, energetic and demographic stability index.

Потенциал продуктивности

земель является одним из главных элементов модели устойчивости экосистем [2]. Этот показатель широко применяется и в агрометеорологических расчетах программирования урожайности в качестве главного лимитирующего фактора [4].

Потенциальная продуктивность экосистем представляет собой предел продукции, который

обеспечивается величинами прихода и использования ФАР как в естественных почвенно-

климатических условиях, так и в посевах. Энергопотенциал

продуктивности нельзя превзойти, но можно приблизиться к нему путем подбора культур (сортов) и проведения необходимых

агротехнических мероприятий.

В каждом случае конкретной реализации модели устойчивого

развития территории энергетический потенциал продуктивности земель является основным элементом оценки экологической емкости экосистем и последующей индексации их устойчивости.

Фотосинтетический потенциал продуктивности экосистем

определяется по мощности и суммам прихода солнечной радиации за вегетационный период,

коэффициентом полезного

использования ФАР и по удельной величине теплоты сгорания абсолютно сухой биомассы без учета различных лимитирующих продукцию факторов - почвенно-климатических и хозяйственно-экономических.

Коэффициент полезного

использования солнечной энергии определяется отношением величины аккумулированной в продукции ФАР и поступающей и выражается в процентах. В расчетах

энергопотенциала продуктивности экосистем (Рэ) мы рекомендуем пользоваться средней величиной КПД ФАР (к) из обычно наблюдаемой, то есть к=1%.

Следующий предиктор,

используемый в расчетах Рэ -калорический

эквивалент сухого органического вещества (д), иногда называемый удельной теплотой сгорания сухого вещества. По оценкам специалистов, эта величина меняется в интервале от 18 106 кДж/т до 20 106 кДж/т. Здесь также рекомендуем в расчетах использовать среднюю величину теплоты сгорания д=19 Ю6 кДж/т.

Таким образом, в качестве констант в расчетах Рэ мы приняли две переменные (к и д), отсюда основной переменной, определяющей

пространственную дифференциацию потенциала продуктивности

экосистем, являются мощности и суммы фотосинтетически активной радиации за вегетационный период (ФАР'). Суммы фотосинтетически активной радиации за год и безморозный период (ФАР и ФАР') могут быть получены в высотноширотных интервалах экосистем Дагестана с использованием соответствующей функции по графику.

В соответствии с изложенными положениями расчетная

потенциальная продуктивность

экосистем в абсолютно сухой биомассе определяется по формуле: р+ _ кТ,@Ф°Р _ °-01Е

т / км2 = 726,3 т / км2.

В качестве примера расчета мы выбрали высокогорный Ботлихский район, где требуется рассчитать энергопотенциал продуктивности экосистем по данным высокогорной метеостанции Ботлих.

Исходные данные: абс. высота -979 м, широта - 42°40', безморозный период составляет 198 дней (54,25%), суммарная радиация = 121 ккал/(см2 год).

Результаты вычислений по высотным интервалам территории приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики мощности солнечной радиации по интервалам высот

Н, м Б, км2 0 ккал/ (см2год) ІО кВт/км2 С)ср кВт/км2 Эн. геос. кДж/км2год Эн. гБ кДж/км2год (Эфар кДж/км2 ІФАРБ кДж/км2

500-100 115,84 120,0 160x103 165,0x103 5,03x1012 3,14x1014 2,62x1012 1,63x10™

1000-1500 175,88 122,0 165x103 174,0x103 5,15x1012 3,43x1014 2,68x1012 1,79x1014

1500-2000 203,40 125,5 168x103 181,0x103 5,27x1012 5,65x1014 2,73x1012 2,93x1014

2000-2500 172,06 128,0 171x103 188,5x103 5,36x1012 4,29x1014 2,78x1012 2,22x1014

< 2500 11,36 130,0 175x103 195,0x103 5,47x1012 1,50x1014 2,84x1012 0,80x1014

1 ккал/(см2год) = 4,1868* 1О10 кДж/км2 год, 1 кВт/км2=31,4*106 кДж/км2год

В итоге получаем следующий результат по продолжительности безморозного периода (%):

1. Т8 = 198/365x100 = 54,2%.

2. Переведем справочную годовую сумму суммарной радиации по системе СИ в удобную для последующих расчетов размерность:

0=121 ккал/(см2-год)х 4,1868*Ю10 кДж/(км2год) =

4,90x1012кДж/(км2год).

3. Вычисляем сумму суммарной радиации за безморозный период:

О' = 0,542х4,90хЮ12 кДж/

= 2,66хЮ12 кДж/(км2 год).

4. Рассчитаем сумму

фотосинтетически активной

радиации за безморозный период:

ФАР =0,52 х2,66хЮ12 кДж/

= 1,38 х ю12 кДж/(км2 год).

5. Рассчитаем энергопотенциал

продуктивности экосистем

метеостанции Ботлих.

При этих исходных величинах расчетная потенциальная

продуктивность экосистем в абсолютно сухой биомассе составит:

д = 19 х ю6 (кДж/т),

КПД ФАР

q 19x10 6

т! км2 = 126,Ъ т / км2.

Следующий наш шаг - расчет экологической емкости

экосистем (Р„~) конкретной территории.

Экологическая емкость - базовое понятие оценки устойчивости экосистем, нормирования

антропогенной нагрузки и программирования устойчивого развития территорий. В

количественном выражении она характеризует максимально

допустимую антропогенную нагрузку, которую могут выдержать экосистемы без необратимого нарушения их структурно-функцио-нальных свойств.

Методов оценки экономической емкости предложено сравнительно немного. Наиболее подробно этот вопрос обсуждается в работе Т. А.

Акимовой и В. В. Хаскина [1]. Однако их метод на практике сталкивается с большими затруднениями, поскольку для расчета емкости отдельных компонентов (воздух, вода, земля) и среды в целом требуется использовать до 10 трудно определяемых обобщенных

показателей. Более перспективным по доступности и точности оценок представляется энерго-

демографический подход [2, 3, 6].

В основу данного подхода положен экологически

аргументированный критерий В. Г. Горшкова, согласно которому для стационарной биосферы доля деструкции всеми позвоночными суши не должна превышать 1% первичной продукции. Это равноценно потреблению 10% продукции на 10% поверхности суши, или 100% продукции на 1% площади, однако по всей суше оно не должно превышать 1%. В территориальных экосистемах значения деструкции могут располагаться во всем значении от 0 до 100%.

В названных выше работах метод реализован в усредненных показателях для биосферы (мира) в целом, что дает самое первое приближение в описании состояния всей биосферы. Развиваемая в нашей работе геосферная концепция устойчивого развития [2] позволяет оценить емкость среды в количественных показателях

реальных экосистем территории Дагестана.

Расчет экологической емкости экосистем мы рекомендуем осуществлять по энергопотенциалу первичной продуктивности (Р„~).

Данный метод расчета основан на двух обобщенных показателях конструирования системы: 1) норме потребления биопродукции

человеком; 2) лимитах потребления первичной продукции всеми позвоночными суши в стационарной, устойчивой биосфере. Первый показатель складывается из суточной нормы физиологических

потребностей человека в пище (Рв), которая составляет 3000 ккал/чел или 12,56*103 кДж/сутки на одного человека. В пересчете на растительную массу эта норма составляет 243 кг/год или 4,3*103 кДж/год [5]. Поскольку человек потребляет в пищу продукцию и животного происхождения,

растительный эквивалент которой составляет 1:10, приведенная норма должна быть кратно увеличена.

Второй показатель характеризует нормы распределения деструкции чистой первичной продукции в устойчивой биосфере по размерам организмов на суше. По оценкам В.

Г. Горшкова [3], для стационарной биосферы допустимая доля потребления чистой первичной продукции всеми позвоночными суши не должна превышать 1%. Для всей суши эта величина составляет около 1,15 т/год.

Определить экологическую

емкость геосистем в районе метеостанции Ботлих, где, согласно нашим предварительным расчетам, суммарная радиация за безморозный период равна 2,67 1012 кДж/км2, ФАР1 - 1,38-1012 кДж/км2, что при 19 кДж/г и к=1% дает потенциальную продукцию в 726,3 т/км2.

1. Определим долю прямого

антропогенного потребления

потенциальной продукции

(экологическая емкость):

Р„_=0,01 Рэ+ =0,01x726,3=7,26т/км2=

=138106кДж/км2.

2. Вычислим нормированную плотность населения для устойчивой биосферы:

°/7 = Р; ГРЬ = 7,26/0,243 = 29,9 чел/км2 или

°и = 138 -106 / 4,6 -106 = 30 чел/км2.

Как видим, по обеим схемам результаты расчета различаются несущественно. Если во второй схеме учесть корм домашнего скота, различия еще уменьшаются.

На следующем этапе предстоит определить антропогенную

нагрузку на конкретную территорию.

Для расчета фактической антропогенной нагрузки на экосистемы (Ом) вводятся следующие параметры:

Б - площадь территории, км2;

п и N - соответственно плотность (чел/км2) и численность населения (чел);

Рв - мощность прямого

антропогенного потребления

биопродукции, 1,14 кВт/чел;

Ре - мощность энергопотребления на душу населения (по статистическим данным), кВт/чел.

Мощность энергопотребления Рв представляет собой интегральный

показатель, охватывающий все виды воздействий на экосистемы и

отражающий сопутствующие

нарушения в естественных потоках вещества и энергии.

Плотность мощности

антропогенной нагрузки (Ои) рассчитывается по формуле:

=//( Р,„ + Р ), кВт!км2,

а мощность на всю исследуемую территорию по формуле:

д =^*5, «а».

Согласно приведенным

соотношениям, для расчета фактической антропогенной нагрузки достаточно знать справочные

данные по энергопотреблению на душу населения, а также его плотность и численность [7].

Таблица 2

Динамика удельного энергопотребления

Ботлихский район

Годы Общая числен. Плотность Электро-потребл. в Топливо-потребл. Энергопотр. в год

населения {чел./км7) год

1960 19,478 28,2 0,011 4,322 4,333

1965 21,234 30.8 0,034 4,510 4,534

1970 22,990 33,3 0,264 5,405 5,667

1975 24,893. 36,1 0,273 6,123 6,396

1980 26,797 38,8 0,291 7,304 7,595

1985 31,669 45,9 0,244 7,631 7,875

1990 31,419 45,5 0,372 10,402 10,774

1995 37,200 53,9 0,444 6,354 6,798

2000 43,120 62.5 0,523 11,524 12,047

2001 45,712 66,3 3,000 15,610 18,610

2002 47,705 69,2 6,234 7,224 13,458

2003 50,109 72,4 6,541 8,935 15,476

2004 50,672 72.8 6,733 12,133 18,.866

2005 51,235 74,3 7,761 2,834 10,595

Размер территории всего- 689,8

Анализ полученных данных, сведенный в таблицу, дает возможность сформулировать

следующие выводы: а)

энергопотребление, необходимое для удовлетворения бытовых и производственных нужд при резко увеличивающейся численности населения, стремительно растет за все годы наблюдения; б) значения общей численности и плотности населения увеличились в среднем в 2,5 раза; в) параметры топливопотребления с небольшой разницей повторяют значения энергопотребления вплоть до 2001 года; г) роль энергопотребления до 2001 года незначительна, когда ситуация резко меняется, что объясняется проведением в район высоковольтной ЛЭП (значения электропотребления за короткий период с 2000 по 2005 гг. увеличились в 14 раз, в 2005 году энергопотребление на 70% обеспечивалось за счет

электропотребления).

Результаты вычислений

антропогенной нагрузки могут лечь в основу для решения и ряда смежных задач. В частности, для территории Дагестана полезно знать отношение антропогенной нагрузки в отдельных районах к аналогичному показателю

по республике в целом в виде энерго-демографи-ческого индекса. Так как индекс антропогенной нагрузки показывает, во сколько раз нагрузка в районе превышает установленные нормы, то при устойчивом развитии индекс будет <1, при неустойчивом - >1.

Индексация антропогенной нагрузки на геосистемы осуществляется как отношение мощности реальной антропогенной нагрузки к экологической емкости геосистем:

1»=кп +л°>]

!

где П°, Р°6 и Р°е - средние по республике показатели плотности

населения, а также мощности био- и

энергопотребления. Полученный энерго-демографи-ческий индекс покажет место конкретного

административного района по антропогенной нагрузке в среднем по республике. Кроме того, такой индекс может служить объективной основой для планирования мероприятий по экологической стабилизации района. В нашем случае это высокогорный Ботлихский район. Индекс устойчивости геосистем Ботлихского района по всем высотам с 1960 по 2005 годы приведен в сводной

таблице 3.

Таблица 3

Динамика индекса устойчивости геосистем

Н, м 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005

500-1000 1,84 1,99 2,26 2,48 2,76 3,11 3,47 3,33 5,04 5,72 4,92 5,32 5,76 4,78

1000-1500 1,80 1,95 2,21 2,42 2,69 3,05 3,39 3,26 4,91 5,58 4,80 5,19 5,75 4,66

1500-2000 1,76 1,90 2,16 2,37 2,63 2,97 3,31 3,18 4,78 5,48 4,69 5,07 5,49 4,56

2000-2500 1,73 1,86 2,11 2,31 2,58 2,91 3,24 3,11 4,70 5,33 4,59 4,96 5,37 4,46

На основе выполненных расчетов приходим к следующим выводам: - мощность антропогенной нагрузки на всю территорию Ботлихского района с 1960 по 2005 года увеличилась в три раза. Небольшое колебание (уменьшение нагрузки при общей тенденции к возрастанию) наблюдалось в 1995, 2002 и 2005 годах; - энерго-демографический индекс устойчивости превосходит экологическую емкость во всем диапазоне высот и меняется в пределах от 1,84 до 5,70.

Примечания

1. Акимова Т. А., Хаскин В. В. Экология. М. : Юнити, 2001, 566 с. 2. Ахмедова Л. Ш. Методы измерения и оценки устойчивости геосистем: Учебно-методическое пособие. Махачкала : АЛЕФ, 2008. 100 с. 3. Горшков В. Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М. : ВИНИТИ, 1995. Вып. XXVIII. С. 472. 4. Лосев А. П., Журина Л. Л. Агрометеорология. М. : Колос, 2004. 301 с. 5. Одум Ю. Основы экологии / пер. с англ. М., 1975. 740 с. 6. Поздняков Д. В., Тикунов В. С., Федотов А. П. Разработка и картографирование интегральных показателей устойчивого развития стран мира // Вестник Московского университета. Сер. 5. География. 2003. № 2. С. 19-29. 7. Сборник ЦСУ по РД Госкомстата «Социально-экономическое положение Республики Дагестан (Январь-декабрь 1960-2005 гг.)». 8. Шашко Д. И. Агроклиматические ресурсы СССР. Л. : Гидрометеоиздат, 1985. С. 247.

Статья поступила в редакцию 20.02.2011 г.