Эколого-энергетический анализ экосистем


                НАУЧНАЯ МЫСЛЬ




СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ



Б.и. КОЧУРОВ КА. МАРУШЧ




ЭКОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
АНАЛИЗ ЭКОСИСТЕМ





МОНОГРАФИЯ





znanium.com

Москва ИНФРА-М 2020

УДК 574(075.4)
ББК 20.1
К75

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке  
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

      Авторы:
         Б.И. Кочуров, д-р геогр. наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Институт географии РАН;
         Н.А. Марунич, соискатель, Приднестровский государственный университет им. Т.Г. Шевченко



       Кочуров Б.И.
К75 Эколого-энергетический анализ экосистем : монография / Б.И. Кочуров, Н.А. Марунич. — М. : ИНФРА-М, 2020. — 144 с. — (Научная мысль). — www.dx.doi.org/10.12737/17213.
          ISBN 978-5-16-011680-8 (print)
          ISBN 978-5-16-104121-5 (online)
          В книге подробно изложена история и методология эколого-энергетического анализа экосистем, теория и практика расчетов определения экологической емкости экосистемы и оценки биоресурсов, энергетический анализ технологий восстановления экосистемы и путей экологизации отрасли лесного хозяйства России, энерго-метрологическая оценка экономических затрат на восстановление экосистемы. Представлена информационная система автоматизации энергетической оценки экосистем. Разработана перспективная модель функционирования лесных экосистем с сохранением естественного биоразнообразия.

УДК 574(075.4)
ББК 20.1

ISBN 978-5-16-011680-8 (print)                    © Кочуров Б.И.,
ISBN 978-5-16-104121-5 (online)                      Марунич Н.А., 2016


Подписано в печать 29.05.2019.
Формат 60x90/16. Печать цифровая. Бумага офсетная.
Гарнитура Newton. Усл. печ. л. 9,0.
ППТ20. Заказ № 00000

ТК 479700-1036434-281215

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1. Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29.
             E-mail: books@infra-m.ru        http: //www.infra-m.ru
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

            ВВЕДЕНИЕ



   Энергетический кризис в 1970-х гг., давший новый толчок к исследованию взаимосвязей между энергией и общественным производством, резко усилил интерес к определению затрат антропогенной энергии в геосистеме.
   При рассмотрении современного состояния окружающей среды можно отметить, что нарастающий экологический конфликт на планете в значительной мере детерминирован энергетической проблемой. При этом плотность потребления энергии весьма неоднородна на различных территориях: от десятка тысяч Дж/км² в год до значений, сопоставимых с количеством поступающей солнечной радиации.
   На начало XX в. население Земли превысило 1,5 млрд человек. За счет сжигания минерального топлива количество получаемой человечеством энергии составляло несколько менее 3-10¹⁹ Дж/год,^суммарное энергопотребление на Земле приближалось к 5-10 Дж/год. К 1950 г. суммарные энергозатраты на планете достигли 1,5-10²⁰ Дж/год. С 1953 по 1972 г. ежегодный прирост энергопотребления был равен приросту валового мирового продукта и составлял 4,5%. С 1950 по 1985 г. среднее душевое потребление энергоресурсов удвоилось и достигло 68-10⁹ Дж/год, т.е. мировая экономика росла вдвое быстрее, чем численность населения. На протяжении последующих 15 лет потребление энергии росло медленнее - 73-10⁹ Дж/чел в 1999 г. Несмотря на идеологию и практику энергосбережения, люди «купаются в энергии»: за сто лет удельные затраты энергии увеличились в 8-10 раз. Суммарное энергопотребление на земном шаре превысило 380 млрд т. (более 1022 Дж). Все эти данные говорят о необходимости введения в практику энергоэффективных технологий [1, 2, 3, 4].
   Взаимосвязь экономических и экологических проблем
   При решении вопросов развития экономики необходимо учитывать взаимосвязь экономических и экологических проблем. Это обусловлено тем, что состояние окружающей среды, специфика природно-ресурсного потенциала страны или региона непосредственно отражаются на потенциальных возможностях развития экономики и в то же время сами они зависят от уровня развития производительных сил и научно-технического прогресса (НТП).
   Трудности с добычей природных ресурсов, связанные с увеличением глубины их залегания, а также уменьшение количества разведанных и вовлеченных в экономический оборот природных ресурсов ведут к удорожанию сырья, снижению эффективности производства, росту затрат на добычу полезных ископаемых, повышению цен на сырье со всеми вытекающими отсюда последствиями. Загрязнение окружающей среды отходами производства и потребления приводит к росту затрат на производство продукции и на рекультивацию земель, сни-3

жению плодородия почвы, сокращению площади сельскохозяйственных угодий, обострению проблемы продовольственного обеспечения населения и т.д.
   Очевидно, что для выхода из этого положения необходимо искать возможности и средства для решения экологических проблем, т.е. решать экологические и экономические проблемы в комплексе. Взаимосвязь экономических и экологических проблем можно проиллюстрировать рядом примеров.
   В частности, истощение запасов природных ресурсов в европейской части России и многих других странах мира является следствием интенсивного использования природно-ресурсной базы. По оценкам специалистов, ежегодно из недр земли извлекается более 100 млн т. полезных ископаемых, создаваемых природой миллиарды лет. Истощение запасов минеральных ресурсов и ухудшение геологических условий залегания полезных ископаемых сопровождается увеличением стоимости природного сырья на мировом рынке, а это ведет, как правило, к росту стоимости готовой продукции и является фактором снижения эффективности производства.
   Взаимосвязь экономических и экологических проблем проявляется и в затратах по ликвидации вредного воздействия окружающей среды на здоровье людей. Уменьшение содержания озона в стратосфере на 1% вызывает увеличение случаев заболевания раком кожи на 5%, что сопровождается ростом затрат на лечение.
   Загрязнение окружающей среды ведет к обострению экономических проблем и потому, что большая часть полезных площадей, особенно вокруг больших городов, занята свалками. На захоронение, уничтожение и хранение отходов тратятся огромные средства, рост которых сдерживает расширение производства. В этой ситуации развитие безотходных технологий - идеальный, хотя и труднодостижимый, путь решения одновременно и экологических, и экономических проблем.
   Сокращение площади земель сельскохозяйственного назначения и снижение плодородия почвы непосредственным образом сказываются на обеспечении населения продуктами питания, на продуктивности сельскохозяйственного производства. Решение этих проблем прежде всего зависит от рациональной организации территории, в частности, отведения земель под строительство дорог, трубопроводов, промышленных предприятий и населенных пунктов с соблюдением установленных нормативов. Это позволит предотвратить сокращение сельхозугодий, не обусловленное объективной необходимостью.
   Загрязнение атмосферы приводит к кислотным дождям, которые, как известно, оказывают значительное влияние на окисление почвенного покрова земли и снижение его плодородия. Ухудшение плодородия почвы является причиной низких урожаев и снижения эффективности сельскохозяйственного производства.

4

   Примеры, иллюстрирующие взаимосвязь экономических и экологических проблем, можно продолжить. Так, кризис экономики тормозит развитие безотходных технологий, создание индустрии экологического назначения (строительства очистных и других сооружений). Сложное финансовое состояние многих предприятий сдерживает внедрение таких экономических рычагов рационализации природопользования, как введение платы за использование природных ресурсов, за загрязнение компонентов окружающей среды. Кроме того, вследствие кризисного состояния экономики государство испытывает дефицит средств на предоставление субсидий и налоговых льгот предприятиям для внедрения ресурсосберегающих технологий и производства экологически чистой продукции. В развитых странах значительная часть этих проблем уже решается путем развития безотходных технологий. В том случае, когда решить эти проблемы пока невозможно, идут на ограничение или отказ от производства и потребления тех или иных товаров.
   Научный поиск привел к появлению научных направлений, предлагающих пути оптимизации взаимодействия общества и природы. К их числу относится и эколого-энергетический анализ, предлагающий механизмы, которые стимулировали бы более рациональное использованию природных ресурсов, снижение уровня загрязнения среды, а также обеспечивали бы более эффективное развитие экономики и создание благоприятных условий существования человека. То есть практическое применение энергоэффективных и экологически оправданных технологий природопользования [5, с. 98-100].

            1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИСЫ КАК ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЯВЛЕНИЯ ЭКОЛОГОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЭКОСИСТЕМ


  Усиливающийся экологический кризис на Земле в значительной мере обязан энергетической проблеме. Количество вырабатываемой на душу населения энергии постоянно растет в экономически развитых и развивающихся странах. За сто лет мировое потребление энергии увеличилось в 14 раз [6, 7] (рис. 1). Территории городов превратились в сгустки потребления энергии. На начало XXI века в развитых странах на одного человека в сутки приходится 1,5-109 Дж энергии, а суммарное энергопотребление на земном шаре превысило 380 млрдт (более 1022 Дж). Все это, безусловно, не могло не привести к дефициту природных ресурсов, и загрязнению и деградации природной среды, которые достигли критических величин.


Рис. 1. Исторический рост энергопотребления на Земле: Е-уровень энергопотребления (экса Дж=1018 Дж) [6, 7]

   Следует отметить, что не только энергопотребление общества растет вместе с нагрузкой на природные системы. Сами энергоресурсы продаются по ценам, в которые не закладывается труд самой приро

6

ды, но их производству - природная рента. Поэтому важно оценить вклады природы и общества в производство энергоресурсов и материальных благ. Универсальной единицей измерения этих вкладов является энергия [8].
   Энергия имеет стоимость, истинная величина которой определяется разницей между количеством энергии, затрагиваемой на ее изъятие из среды и на доставку к местам потребления, и количеством энергии, используемой непосредственно для удовлетворения общественных потребностей. Чем больше эта разница, тем больше получаемая прибыль.
   Полагается, что на рынке устанавливается не истинная стоимость товара, учитывающая издержки производства (в конечном счете -энергии), а меновая, уравнивающая стоимости одного и того же вида товаров, иначе - уравнивающая расходы энергии, вещества и информации на ее производство.
   Денежные оценки природных ресурсов неадекватно отражают их реальную стоимость, поскольку в них не учитывается вклад накоплений возобновляемых источников. В условиях нарастающего дефицита энергетических ресурсов необходимо ввести экологическую составляющую в экономическую оценку, привести разнородные экологоэкономические показатели к одному эквиваленту - не денежному, а энергетическому, так как только в единицах энергии, как мы отмечаем выше, можно сопоставлять ценность природных и экономических товаров и услуг [9, 10].
   Эколого-энергетический подход позволяет не только сравнивать вклады природы с вкладами человека в какой-либо товар, но и определять энергетические потоки в различных системах (агро-, эко-, урбо-системах и др.), сравнивать их по эффективности использования ресурсов. С его помощью можно эффективно оценивать различные варианты новых и старых технологий, устойчивость функционирования любых природных и антропогенных систем.

            2. ЭНЕРГОРЕСУРСЫ И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ


   В настоящее время принято говорить о росте потребления жидкого топлива. Рост воспринимается как безусловное благо. Но в тоже время очевидно, что бесконечно увеличивать потребление ресурсов на физически ограниченной планете невозможно. Значит, бесконечно растущее потребление рано или поздно будет ограничено естественными пределами. Пока потребности были невелики относительно возможностей планеты, говорить о проблеме пределов роста было преждевременно. Но последствия пика добычи нефти как одного из пределов планеты уже проявляются. Разумеется, пик добычи нефти далеко не единственный предел. Текущий момент является своевременным, чтобы начать разговор о естественных пределах и пересмотреть саму концепцию бесконечно растущего потребления, сменив ее концепцией устойчивого развития.
   Концепция устойчивого развития излагается в ряде работ «Римского клуба». Предложения известны как построение «цивилизации Кротких». Основная идея заключается в том, что следует искать баланс между потреблением и возможностями планеты с целью обеспечения долгосрочного устойчивого развития [116]. Современное состояние российской нефтедобычи хорошо иллюстрирует эту идею: при условии, что если в ближайшем будущем будет наращиваться объем добычи, то уже через 10 лет рост сменится падением. Но если следовать концепции устойчивого развития и не увеличивать добычу, то уровень в 500 млн т/г можно поддерживать достаточно долго. В будущем, вполне возможно, научно-технический прогресс даст новые высокоэффективные неуглеводородные технологии в сфере энергетики, что ознаменует переход к новой конфигурации мирового энергетического комплекса. Но до тех пор необходимо обеспечить устойчивый уровень добычи углеводородов, «не нужно растрачивать силы, деньги и драгоценное время на стремление к доминированию над конкурентами в нефте- или газодобыче, на построение нового углеводородного “Голема” - такой точки зрения придерживается В.Ю. Алекперов [117].
   Проблема «укрощения» роста потребления с целью выхода на траекторию устойчивого развития актуальна не только для энергоресурсов, также и для биоресурсов, воды, земли. Осмысление естественных пределов ставит перед наукой насущнейшую, огромной социальной значимости задачу глобального уровня - разработку новой рыночной методологии Кротких и на ее основе создание новых технологий мира будущего человечества - «мира Кротких». Эти технологии должны будут обеспечивать не только разумный уровень прибыльности предпринимательства и благосостояния общества, но, главным образом, высокую эффективность природопользования, особенно в сфере энергоресурсов. Необходимо уделять больше внимания увеличению эф

8

фективности использования природных ресурсов, где эффективность есть соотношение результатов и затрат [118-120].
   Можно выделить два вида эффективности процессов деятельности: эффективность природопользования Еп и эффективность использования средств финансирования Еф. В расчетах Еп в качестве затрат рассматриваются природные ресурсы, а в качестве результатов - произведенные из них полезности. Еп характеризует приумножение богатства стран и народов. Еф - соотношение доходов и расходов характеризует рост прибыли, которая, в конечном счете, обогащает богачей стран и народов и приводит к социальной несправедливости. Высокая эффективность природопользования будет осуществляться за счет того, что значительная часть прибыли будет расходоваться специально на решение задач эффективного природопользования, а не на создание и приобретение излишеств «лидерами» монополизированной рыночной экономики. Потенциал страны используется наилучшим образом при равенстве:
Еп = Еф.
   Так как основной причиной низкой эффективности природопользования является несбалансированность отношений между обществом и природой, то для повышения его эффективности нужно достигать не только гармонии конкурирующих интересов, но и прежде всего усваивать культуру природопользования, куда входят научно обоснованные пределы допустимого воздействия на природу [116].
   Культура природопользования становится важнейшим фактором достижения цели эффективного природопользования. В связи с этим основной задачей организации процессов природопользования становится исполнение норм и правил (кодекса) культуры природопользования. Все остальные задачи развития страны - вторичны и без учета требований культуры природопользования приносят вред, разрушая окружающую среду и здоровье человека. Неэффективное природопользование, при длительном воздействии на окружающую среду, вызывает сверхпредельные нагрузки на природу. Задача эффективного природопользования - научить человечество продлевать время своего существования, создавая и используя только современные «щадящие» технологии пользования природой [122, с. 13-14].

            3. ИСТОРИЯ И РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА


        3.1. МЕТОДОЛОГИЯ ЭМЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Г. ОДУМА

   Фундаментальные основы анализа энергетических потоков в экосистемах, агроэкосистемах ив промышленности были разработаны Говардом Т. Одумом. Г. Одум расширил понимание четвертого закона термодинамики, предложенного Альфредом Лотка, ив 50-х годах XX в. начал развивать эмергетическую теорию. В работах по энергетической оценке глобальных процессов, происходящих в окружающей среде, он использовал энергетическую теорию стоимости, основанную на введенном им понятии «энергия» - это энергия, использованная для производства товара или услуги, мера полезной энергии, которая была заложена, например, в древесине в процессе фотосинтеза. Эмергетический анализ - лишь часть большой теории Г. Одума о функционировании экологических и других систем. Она объясняет, как системы наиболее эффективно используют и перерабатывают поступающую в них энергию [11, 12]. Человечество осознало значение энергетических источников только в период энергетического кризиса, наступившего в конце 1970-х гг. В это время Г. Одум признал роль, которую играют экосистемы в глобальном экономическом развитии, показал, что экономические действия определяются не только экономическими законами, но и емкостью природной среды. Методологический подход Г. Одума основан на оценке всех энергетических потоков в системе, связи между которыми для их лучшего выявления рассматриваются на эмергетической системной диаграмме. По мнению Г. Одума, каждая система имеет хотя бы один накопитель высококачественной энергии, который выступает в роли ее аккумулятора. Часть высококачественной энергии из накопителя поступает на вход системы для улучшения качества поступающей внешней энергии и превращается в поток изделий, вновь передаваемых в хранилище. Образуется «петля обратной связи», в результате чего процесс выработки высококачественной энергии продолжается и развивается. Выявленные потоки энергии заносятся в таблицу в энергетических и денежных единицах, для дальнейшей их оценки и сравнения [12].
   В его работах все формы энергетических вкладов выражены в единицах солнечной энергии, то есть сколько солнечной энергии понадобилось бы преобразовать для получения и изготовления товаров и услуг, если бы солнечная радиация была единственным вкладом в это производство. Все системы на Земле участвуют в процессе преобразования более низкой по качеству энергии в более высокую, а солнечная энергия является главным энергетическим источником. Следовательно, другие виды энергии могут быть выражены через солнечную энергию. Так как солнечная энергия - основание всего эмергетического 10