Imię i nazwisko:

Grupa:

Ćwiczenie 2. Pomiar kapitału biofizycznego i kosztu negentropijnego

Podstawy teoretyczne

Intensywność transferu energii słonecznej do biosfery poprzez proces fotosyntezy i produkcji pierwotnej może być miarą stopnia „naturalności” ekosystemu, a także charakteryzować sposób jego wykorzystania przez człowieka. Sposób ten może być zgodny z zasadami trwałego i zrównoważonego rozwoju (sustainable development) lub może nie wykazywać takiej zgodności. Według Giampietro i Pimentala (1991) oraz Giampietro i in. (1992) oceny takie przeprowadza się w oparciu o dwa parametry: 1 - kapitał biofizyczny i 2 - koszt negentropijny.

Kapitał biofizyczny (Biophysical Capital BC) wg wymienionych autorów oznacza ilość energii słonecznej wykorzystywanej przez roślinność na produkcję pierwotną brutto (Gross Pirmary Production GPP) oraz na tzw. aktywny przepływ wody (Plant Active Water Flow PAWF) przypadającą na jednostkę powierzchni zbiorowiska roślinnego, tj. na m², przy czym wielkość PAWF obejmuje energię (promieniowanie słoneczne zamieniane na ciepło na powierzchni czynnej i energię metaboliczną) zużytą przez roślinność na procesy transpiracji i wielkością produkcji pierwotnej. Giampietro i Pimentel (1991) oraz Giampietro i in. (1992) przyjmują, że dla wytworzenia 1 J GPP niezbędny nakład PAWF wynosi około 11,1 J. Kapitał biofizyczny wyraża się w watach, przy czym 1 W - 1 J/s, gdzie s oznacza sekundę.

Koszt negentropijny (Negentropic Cost NC) to wartość kapitału biofizycznego przypadająca na 1 kg biomasy roślinnej. Wyraża się go w W/kg suchej biomasy roślinnej. Słowo negentropia (przeciwieństwo entropii) oznacza tu strumień energii niezbędnej roślinom na podtrzymanie ich funkcji życiowych w danej chwili oraz na dalszy wzrost i rozwój.

Giampietro i Pimentel (l.c.) obliczyli, że kapitał biofizyczny (podobnie jak wielkość biomasy roślinnej przypadającej na m² powierzchni gleby) w ekosystemach o charakterze naturalnym są bardzo zmienne, natomiast wielkość kosztu negentropijnego w takich systemach ekologicznych jest wielkością stałą (rys. 1).

Praca do wykonania

Zadanie 1. Znając wielkość NPP (produkcja pierwotna netto - Net Primary Production NPP) w gramach suchej masy i stan biomasy roślinnej (Plan Biomass PB) w 3 - i 12 - letniej uprawie sosnowej, 120 - letnim lesie sosnowym oraz w uprawie żyta oblicz wartości BC i NC. Wyniki zamieść w tabeli 1 i nanieś na diagram sporządzony według załączonego przykładu (rys. 1). W obliczeniach przyjmij, że 1 g suchej masy roślinnej ma ciepło spalania 4,35 kcal/g, zaś NPP stanowi 60% GPP dla upraw rolnych i 45% GPP dla ekosystemów leśnych (Golley 1961, Odum 1969, Nienartowicz 1996). Pamiętaj, że NPP=GPP-R, gdzie R oznacza respiracje (Respiration R). Przyjmijmy rok jako długość analizowanego horyzontu czasowego. Pamiętaj, że 1 cal - 4,187 J.

Tab. 1. Wyniki obliczeń kapitału biofizycznego i kosztu negentropijnego w uprawach leśnych i rolnych

Uprawa	NPP [g/m^2]	NPP [MJ/m^2]	GPP [MJ/m^2]	PAWF [MJ/m^2]	BC [W/m^2]	PB [kg/m^2]	NC [W/m^2]
Sosna 3 lata
Sosna 12 lat
Sosna 60 lat
Sosna 120 lat
Żyto
Łąki i pastwiska

Zadanie 2. Oszacuj wielkość BC i NC w krajobrazie leśnym i rolniczym następującej strukturze użytkowania terenu.

Tab. 2. Struktura użytkowania terenu w dwóch typach krajobrazu

Forma użytkowania	Krajobraz leśny - A	Krajobraz rolniczy - B
Uprawy leśne 1 - 6 lat	204,16 ha	76,22 ha
Uprawy leśne 7 - 18 lat	556,35 ha	84,89 ha
Starsze zbiorowiska leśne	6624,33 ha	621,17 ha
Uprawy rolne	140,61 ha	6334,19 ha
Łąki i pastwiska	176,55 ha	585,53 ha
Razem	7702,00 ha	7702,00 ha

W obliczeniach wykorzystaj dane zawarte w zadaniu 1 i tabeli 1 (ciepło spalania materiału roślinnego, NPP, R, PB; dla starszych lasów przyjmij wartości dla sosny 60 lat). Dla łąk i pastwisk przyjmij NPP = 650 g/m² na rok i PB = 1600 g/m² oraz NPP = 0,6 GPP. Wyniki obliczeń zamieść w tabelach 3 i 4 i nanieś na diagram (jak w zdaniu 1).

Wyniki

Tab. 3 Wyniki szacowania produkcji pierwotnej netto i brutto oraz stanu biomasy roślinnej w dwóch typach krajobrazu.

Forma użytkowania	Krajobraz leśny - A			Krajobraz rolniczy - B
	NPP [· 10^12J/m^2]	GPP [· 10^12J/m^2]	PB [· 10^6kg/m^2]	NPP [· 10^12J/m^2]	GPP [· 10^12J/m^2]	PB [· 10^6kg/m^2]
Uprawy leśne 1 - 6 lat
Uprawy leśne 7 - 18 lat
Starsze zbiorowiska leśne
Uprawy rolne
Łąki i pastwiska
Razem na 7702 ha
Średnio MJ/m^2

Tab. 4 Wyniki obliczeń kapitału biofizycznego i kosztu negentropijnego w dwóch typach krajobrazu.

Krajobraz	GPP [MJ/m^2]	PAWF [MJ/m^2]	BC [W/m^2]	PB [kg/m^2]	NC [W/m^2]
Leśny A
Rolniczy B

Dyskusja wyników i wnioski

Literatura

1. Giampietro M., Cerretelli G., Pimentel D., 1992. Energy analysis of agricultural ecosystem management: Human retur and sustainability. Agriculture, Ecosystems and Environment 38: 219-244

2. Giampietro M., Pimentel D., 1991. Energy analysis model to study the biophysical limits for human exploitation of natural process. W: C. Rossi, E. Tiezzi (eds), Ecological Physical Chemistry, pp. 139-184. Proceedings of an International Workshop, 8-12 November 1990. Siena, Italy, Elservier Science Publushers b. v., Amsterdam.

3. Golley F., 1961. Energy values of ecological material. Ecology 42: 581-584

4. Nienartowicz A., 1996. Energetyka dużych systemów ekologicznych. Wyd. UMK, Toruń

5. Odum E.P., 1969. The strategy of ecosystem development. Science 164: 262-270

---