Теплотворная способность древесины сосны в культурах северотаежного лесного региона

УДК

630*232.411

DOI:

10.37482/0536-1036-2021-1-82-91

Аннотация

Теплотворная способность растений является важным параметром для оценки материальных циклов и преобразования энергии в лесных экосистемах, а также качественной характеристикой растительного сырья как топлива. Древесное биотопливо находит все более широкое применение при производстве тепловой энергии, в связи с этим актуально изучение теплотворной способности древесины и условий выращивания наиболее качественного сырья. Цель исследования – выявление зависимости теплотворной способности древесины сосны в культурах от ее макроскопического строения, характеристик ассимиляционного аппарата, густоты и высоты древостоя. На временных пробных площадях выбирали мелкие, средние и крупные неповрежденные без патологий модельные деревья, у которых возрастным буравом на высоте 1,3 м отбирали керны для измерения радиальных приростов на полуавто-матическом комплексе «Линтаб-6» с точностью ±0,01 мм. Теплотворную способность древесины определяли в абсолютно сухом состоянии при помощи автоматизированного бомбового калориметра АБК-1В. Для изучения влияния ассимиляционного аппарата на теплотворную способность древесины хвою всех возрастов отбирали со средней ветви кроны модельного дерева, из средней части хвоинки готовили поперечные срезы, используя санный микротом МС-2. Измеряли гистологические элементы хвоинки с помощью микроскопа Axio Scope.A1 и программного обеспечения IMAGE-PRO INSIGHT 8,0. Средняя теплоемкость древесины сосны в сосняках вересково-лишайниковых составляет (20 731±133) Дж/г, в сосняках брусничных – (20 618±141) Дж/г, в сосняках черничных – (20 513±104) Дж/г при густоте древостоя от 1160 до 3806 шт./га. Наибольшая теплоемкость древесины сосны отмечается в сосняке вересково-лишайниковом при густоте древостоя 5021 шт./га. Повышенная теплоемкость древесины сосны при высокой густоте древостоя обусловлена сокращением количества хвои на ветви (r = –0,75) и увеличением диаметра смоляных ходов (r = –0,88). Установлено влияние средней высоты древостоя и структуры годичного слоя на теплотворную способность древесины сосны.

Сведения об авторах

О.Н. Тюкавина¹, канд. с.-х. наук, доц.; ResearcherID: H-2336-2019,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4024-6833
Д.Н. Клевцов¹, канд. с.-х. наук, доц.; ResearcherID: A-7791-2019,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6902-157X
Д.М. Адаи^1,2, аспирант
¹Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: o.tukavina@narfu.ru, d.klevtsov@narfu.ru
²Технический университет Такоради, а/я 256, Такоради, Западный регион, Гана; e-mail: georgeadayi@yahoo.com

Ключевые слова

теплотворная способность древесины, сосна, тип леса, культуры, радиальный прирост, хвоя

Для цитирования

Тюкавина О.Н., Клевцов Д.Н., Адаи Д.М. Теплотворная способность древесины сосны в культурах северотаежного лесного региона // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 1. С. 82–91. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-1-82-91

Литература

1. Адамов М.Г. Об энергетических возможностях лесов Дагестана // Вестн. Дагестан. гос. ун-та. Сер. 1. Естеств. науки. 2011. Вып. 6. С. 186–188. [Adamov M.G. On the Energy Potential of Dagestan Forests. Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya 1. Estestvennyye nauki [Herald of Dagestan State University. Series 1. Natural Sciences], 2011, vol. 6, pp. 186–188].
2. Бондарев В.Я., Гусева Л.М. Особенности подготовки сырья для пиролиза древесины // Лесн. хоз-во – 2013. Актуальные проблемы и пути их решения: междунар. научн.-практ. интернет-конф. Н. Новгород, 2014. С. 92–97. [Bondarev V.Ya., Guseva L.M. Features of Preparation of Raw Materials for Wood Pyrolysis. Forestry – 2013. Current Problems and Their Solutions: International Scientific and Practical Internet Conference. Nizhny Novgorod, 2014, pp. 92–97].
3. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. М.: Лесн. пром-сть, 1989. 296 с. [Borovikov A.M., Ugolev B.N. Handbook on Wood. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1989. 296 p.].
4. Ермоченков М.Г., Евстигнеев А.Г. Изменение теплоты сгорания древесного топлива при торрефикации // Лесн. вестн. Forestry Bulletin. 2017. Т. 21, № 1. С. 64–68. [Ermochenkov M.G., Evstigneev A.G. Changes of the Calorific Value of Wood Fuel after Torrefaction. Lesnoy vestnik [Forestry Bulletin], 2017, vol. 21, no. 1, pp. 64–68]. DOI: 10.18698/2542-1468-2017-1-64-68
5. Максимук Ю.В., Пономарев Д.А., Курсевич В.Н., Фесько В.В. Теплота сгорания древесного топлива // Изв. вузов. Лесн. журн. 2017. № 4. С. 116–129. [Maksimuk Yu.V., Ponomarev D.A., Kursevich V.N., Fes’ko V.V. Calorific Value of Wood Fuel. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2017, no. 4, pp. 116–129]. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.4.116, URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/6a0/1_maksimchuk.pdf
6. Никишов В.Д. Комплексное использование древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1985. 264 с. [Nikishov V.D. Complex Use of Wood. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1985. 264 p.].
7. Огиевский В.В., Хиров А.А. Обследование и исследование лесных культур. Л.: ЛТА , 1967. 50 с. [Ogiyevskiy V.V., Khirov A.A. Inspection and Study of Forest Crops. Leningrad, LTA Publ., 1967. 50 p.].
8. Орсик Л.С., Сорокин Н.Т., Федоренко В.Ф., Буклагин Д.С., Мишуров Н.П. Биоэнергетика: мировой опыт и прогнозы развития. М.: Росинформагротех, 2008. 404 с. [Orsik L.S., Sorokin N.T., Fedorenko V.F., Buklagin D.S., Mishurov N.P. Bioenergy: World Experience and Development Forecasts. Moscow, Rosinformagrotekh Publ., 2008. 404 p.].
9. Петрик В.В. Лесоводственные методы повышения смолопродуктивности сосновых древостоев. Архангельск: АГТУ , 2004. 236 с. [Petrik V.V. Silvicultural Methods of Increasing the Resin Productivity of Pine Stands. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2004. 236 p.].
10. Рябчук В.П., Юскевич Т.В., Гриб В.М. Физические свойства древесины видов рода сосна // Изв. вузов. Лесн. журн. 2013. № 5. С. 160–169. [Ryabchuk V.P., Yuskevich T.V., Grib V.M. Physical Properties of Pine Wood. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2013, no. 5, pp. 160–169]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/
d0a/mtd1.pdf
11. Серков Б.Б., Сивенков А.Б., Тхань Б.Д., Асеева Р.М. Тепловыделение при горении древесины // Вестн. МГУ Л–Лесн. вестн. 2003. № 5. С. 74–79. [Serkov B.B., Sivenkov A.B., Than’ B.D., Aseeva R.M. Heat Release during Wood Burning. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universitets lesa – Lesnoy vestnik [Forestry Bulletin], 2003, no. 5, pp. 74–79].
12. Соколов Н.Н. Методические указания к дипломному проектированию по таксации пробных площадей. Архангельск: АЛТИ , 1978. 44 с. [Sokolov N.N. Methodology Guidelines for the Diploma Project on the Valuation of Trial Plots. Arkhangelsk, ALTI Publ., 1978. 44 p.].
13. Суханов В.И. Зонально-типологические особенности смолопродуктивности сосновых насаждений // Лесоводственные исследования на зонально-типологической основе. Архангельск: АИ ЛиЛХ, 1984. С. 39–44. [Sukhanov V.I. Zonal-Typological
Features of Resin Productivity of Pine Plantations. Silvicultural Studies on the Zonal-Typological Basis. Arkhangelsk, AILiLKh Publ., 1984, pp. 39–44].
14. Тюкавина О.Н., Клевцов Д.Н., Болотов И.Н., Филиппов Б.Ю., Адай Д.М. Биологическая продуктивность культур сосны обыкновенной северотаежного лесного района // Изв. вузов. Лесн. журн. 2018. № 6. С.101–108. [Tyukavina O.N., Klevtsov D.N., Bolotov I.N., Filippov B.Yu., Adayi D.M. Biological Productivity of Scots Pine Cultures in the Northern Taiga Forest Area. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2018, no. 6, pp. 101–108]. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.6.101, URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/b75/101_108.pdf
15. Феклистов П.А., Евдокимов В.Н., Барзут В.М. Биологические и экологические особенности роста сосны в северной подзоне европейской тайги. Архангельск: АГТУ , 1997. 140 с. [Feklistov P.A., Evdokimov V.N., Barzut V.M. Biological and Ecological Features of Pine Growth in the Northern Subzone of European Taiga. Arkhangelsk, ASTU Publ., 1997. 140 p.].
16. Чудный А.В. О некоторых признаках и свойствах сосен высокой и низкой смолопродуктивности в Кировской области // Селекция и семеноводство древесных пород. М.: Лесн. пром-сть, 1965. С. 97–111. [Chudnyy A.V. On Some Features and Properties of Pines of High and Low Resin Productivity in the Kirov Region. Breeding and Seed Production of Tree Species. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1965, pp. 97–111].
17. Шульгин В.А. Отбор и разведение сосен высокой смолопродуктивности. М.: Лесн. пром-сть, 1973. 87 с. [Shul’gin V.A. Selection and Breeding of Pine Trees of High Resin Productivity. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1973. 87 p.].
18. Gravalos I., Kateris D., Xyradakis P., Gialamas T., Loutridis S., Augousti A., Georgiades A., Tsiropoulos Z. A Study on Calorific Energy Values of Biomass Residue Pellets for Heating Purposes. Proceedings of the 43th International Symposium on Forestry Mechanisation: “Forest Engineering: Meeting the Needs of the Society and the Environment”, Padova, July 11–14, 2010. Padova, Italy, 2010, pр. 1–9.
19. Hough W.A. Caloric Value of Some Forest Fuels of the Southern United States. USDA Forest Service Research Note SE-120. Asheville, NC, Southeastern Forest Experiment Station, 1969. 6 p.
20. Janssen R., Helm P., Grimm P., Grassi G., Coda B., Grassi A., Agterberg A., Fjällström T., Lindstedt J., Moreira J.R., Masera O., Baoshan Li, Sada Sy B. A Global Network on Bioenergy – Objectives, Strategies and First Results. Proceedings of the 12th European Conference and Exhibition on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, Amsterdam, June 17–21, 2002. Amsterdam, 2002.
21. Karjalainen T., Asikainen A., Ilavsky J., Zamboni R., Hotari K.-E., Röser D. Estimation of Energy Wood Potential in Europe. Working Papers of the Finnish Forest Research Institute 6. Finland, MELTA, 2004. 43 p.
22. Librenti E., Ceotto E., Candello M. Biomass Characteristics and Energy Contents of Dedicated Lignocellulose Crops. Biomass and Waste, 2010, pp. 7–8.
23. Nasser R.A., Aref I.M. Fuelwood Characteristics of Six Acacia Species Growing Wild in the Southwest of Saudi Arabia as Affected by Geographical Location. BioResources, 2014, no. 9(1), pp. 1212–1214.
24. Obernberger I., Thek G. Physical Characterisation and Chemical Composition of Densified Biomass Fuels with Regard to Their Combustion Behavior. Biomass and Bioenergy, 2004, vol. 27, iss. 6, pp. 653–669. DOI: 10.1016/j.biombioe.2003.07.006
25. Orémusová E., Tereňová L., Réh R. Evaluation of the Gross and Net Calorific Value of the Selected Wood Species. Advanced Materials Research, 2014, vol. 1001, pp. 292–299. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1001.292
26. Petersen Raymer A.K. A Comparison of Avoided Greenhouse Gas Emissions When Using Different Kinds of Wood Energy. Biomass and Bioenergy, 2006, vol. 30, iss. 7, pp. 605–617. DOI: 10.1016/j.biombioe.2006.01.009
27. Quaak P., Knoef H., Stassen H. Energy from Biomass: A Review of Combustion and Gasification Technologies. World Bank Technical Paper 422. Washington, DC, World Bank, 1999. 78 p.
28. Ravindranath N.H., Balachandra P., Dasappa S., Usha Rao K. Bioenergy Technologies for Carbon Abatement. Biomass and Bioenergy, 2006, vol. 30, iss. 10, pp. 826–837. DOI: 10.1016/j.biombioe.2006.02.003
29. White R.H. Effect of Lignin Content and Extractives on the Higher Heating Value of Wood. Wood and Fiber Science, 1987, vol. 19(4), pp. 446–452.
30. Zeng W.-S., Tang S.-Z., Xiao Q.-H. Calorific Values and Ash Contents of Different Parts of Masson Pine Trees in Southern China. Journal of Forestry Research, 2014, vol. 25, iss. 4, pp. 779–786. DOI: 10.1007/s11676-014-0525-3

Ссылка на английскую версию:

Calorific Value of Pine Wood in Crops of the Northern Taiga Forest Area

CALORIFIC VALUE OF PINE WOOD IN CROPS OF THE NORTHERN TAIGA FOREST AREA

Olga N. Tyukavina¹, Candidate of Agriculture, Assoc. Prof.; ResearcherID: H-2336-2019,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4024-6833
Denis N. Klevtsov¹, Candidate of Agriculture, Assoc. Prof.; ResearcherID: A-7791-2019,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6902-157X
D.M. Adaj^1,2, Postgraduate Student
¹Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: o.tukavina@narfu.ru, d.klevtsov@narfu.ru
²Takoradi Technical University, P.O. BOX 256, Takoradi, Western Region, Ghana; e-mail: georgeadayi@yahoo.com

Abstract. Calorific value of plants is an important characteristic for evaluation of material cycles and energy conversion in forest ecosystems, as well as a qualitative characteristic of plant raw materials as fuel. Wood biofuel is increasingly used in the production of thermal energy, in this regard, it is important to study the calorific value of wood, as well as the conditions for growing high-quality raw materials. The research purpose is to identify the dependence of the calorific value of pine wood in crops on its macroscopic structure, the assimilation apparatus characteristics, density and height of the stand. Small, medium, and large not damaged model trees without pathologies were selected on temporary sample plots. Cores from which were taken with an increment borer at a height of 1.3 m to measure radial growth on the semi-automatic complex Lintab-6 with an accuracy of ±0.01 mm. The calorific value of pine wood was determined in an absolutely dry state using an automated bomb calorimeter ABK-1V. To study the influence of the assimilating apparatus on the wood calorific value, needles of all ages were selected from the middle branch of the model tree crown. Cross sections were prepared from the middle part of a needle using a sledge microtome MS-2. Histological elements of a needle were measured by the Axio Scope.A1 microscope using the IMAGE-PRO INSIGHT 8.0 software. The average heat capacity of pine wood in heath-lichen pine forests is (20 731±133) J/g; in cowberry pine forests – (20 618±141) J/g; in bilberry pine forests – (20 513±104) J/g at a stand density from 1160 to 3806 pcs/ha. The highest pine wood heat capacity is found in heath-lichen pine forests with the density of stand 5021 pcs/ha. The increased pine wood heat capacity in pine forests with high stand density is due to a reduction in the number of needles on the branch (r = –0.75) and an increase in the diameter of resin channels (r = – 0.88). The influence of the average stand height and the annual layer structure on the calorific value of pine wood was found.
For citation: Tyukavina O.N., Klevtsov, D.N., Adaj D.M. Calorific Value of Pine Wood in Crops of the Northern Taiga Forest Area. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 1, pp. 82–91. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-1-82-91

Keywords: calorific value, wood, pine, forest type, radial growth, needles.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
The authors declare that there is no conflict of interest

Поступила 29.11.19 / Received on November 29, 2019