Dlaczego biomasa?

13 marca 2012 09:15 2012 Wersja do druku

W ostatnich latach wyraźnie wzrasta zainteresowanie tematyką biomasy w kontekście lasów. Wynika to przede wszystkim z dwóch kwestii. Po pierwsze, jest to konieczność zwiększenia udziału energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych, a po drugie to kwestia akumulacji dwutlenku węgla przez lasy.



Można się przy tym zastanawiać, po co zajmować się szacowaniem biomasy w lasach, gdy w bazie danych mamy szczegółowe informacje o każdym wydzieleniu leśnym, opracowane przez urządzanie lasu, a niekiedy jeszcze dodatkowo uzupełnione w oparciu o szacunki brakarskie. W rzeczywistości jednak szczegółowe dane taksacyjne dotyczą jedynie Lasów Państwowych i nie ma tam informacji o biomasie całych drzew. To, co powszechnie w lasach określamy „masą”, jest w rzeczywistości miąższością drzew, czyli objętością drewna (najczęściej grubizny) wyrażoną w m3. Oczywiście znając przeciętny ciężar właściwy drewna danego gatunku, możemy określić jego suchą masę, ale będą to już dane szacunkowe, odnoszące się jedynie do elementów zbudowanych z drewna. Wykorzystując, np. tablice zasobności oraz urządzeniowe dane taksacyjne, można wyliczyć masę drewna dla wydzielenia, ale tylko dla grubizny (i ewentualnie drobnicy). Brak jest informacji o biomasie koron (zwłaszcza aparatu asymilacyjnego), a tym bardziej – systemów korzeniowych. Trzeba również mieć świadomość, że w bazach urządzeniowych zasobność jest w miarę dokładnie oszacowana tylko dla drzewostanów starszych klas wieku (bliskorębnych, rębnych i starszych). Brakuje również informacji dla wydzielenia o pniakach i martwym drewnie, które są istotnym zasobem zakumulowanego węgla.

 

Współpraca polsko-niemiecka

W 2011 r. rozpoczął się 3-letni projekt pod tytułem „Opracowanie transgranicznego systemu wspomagania procesów decyzyjnych dla zdalnej i modelowej oceny biomasy drzewnej w lasach obszaru wsparcia Pomerania”. Projekt realizowany jest w lasach Euroregionu Pomerania przy współpracy polskich i niemieckich partnerów. Euroregion ten obejmuje Meklemburgię-Pomorze Przednie, Brandenburgię oraz województwo zachodniopomorskie – obszar o wspólnej polsko-niemieckiej historii.

Partnerem wiodącym projektu jest Leśne Centrum Kompetencyjne (LFE) w Eberswalde (Niemcy), które jest leśnym instytutem badawczym, działającym w strukturze administracyjnej lasów Brandenburgii. Drugi partner niemiecki to Ministerstwo Rolnictwa, Ârodowiska i Ochrony Konsumentów kraju związkowego Meklemburgia-Pomorze Przednie, a trzecim są Lasy Krajowe Meklemburgii-Pomorza Przedniego. Po stronie polskiej też uczestniczą trzy jednostki. Lasy Państwowe reprezentowane są przez RDLP w Szczecinie oraz Nadleśnictwo Drawno. Jednostką naukową jest Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu.

Projekt realizowany jest w ramach unijnego programu „Europejska Współpraca Terytorialna” – „Współpraca Transgraniczna”, znanego, jako Interreg IVa. Program ten dotyczy regionów usytuowanych wzdłuż wewnętrznych i niektórych zewnętrznych granic UE. Jego głównym celem jest rozwijanie współpracy i bezpośrednich kontaktów transgranicznych, wspieranie rozwoju gospodarczego i społecznego oraz ochrony środowiska na obszarach przygranicznych. Chodzi przede wszystkim o ograniczenie barier, jakie powstały na granicach między poszczególnymi państwami. Bariery te są szczególnie wyraźne pomiędzy krajami byłego bloku socjalistycznego, gdzie przez dziesiątki lat granice były niezwykle szczelne.

 

Teledetekcja

Rosnące zapotrzebowanie na jak najaktualniejsze dane dla lasów oraz wysokie koszty i czasochłonność tradycyjnych metod pomiarowych, wymusza poszukiwanie innych, efektywniejszych sposobów zbierania danych. Dobrym rozwiązaniem może być zastosowanie teledetekcji, która umożliwia zdalne (a docelowo – automatyczne) określanie różnych cech obiektów znajdujących się na powierzchni Ziemi, w tym wypadku cech drzew i drzewostanów. Z poziomu satelitarnego, lotniczego czy za pomocą urządzeń zlokalizowanych na ziemi, pozyskuje się coraz więcej różnorodnych danych. Szybki rozwój technologii sprawia, że dane te są coraz dokładniejsze i jednocześnie coraz tańsze. Na ich podstawie możemy określać wiele parametrów drzew, w tym także ich biomasę.

W ramach projektu stosowane są różne metody teledetekcyjne, m.in.: zobrazowania satelitarne, lotniczy i naziemny skaning laserowy, zdjęcia lotnicze, loty samolotów bez-załogowych, mobilne systemy teledetekcyjne oraz zdjęcia hemisferyczne. Wykonywanie zobrazowań satelitarnych nie wymaga organizowania specjalnych lotów, gdyż satelity w sposób ciągły okrążają Ziemię i mogą wykonywać zdjęcia tego samego fragmentu wielokrotnie, w regularnych odstępach czasu. Ich wadą natomiast jest wysoki pułap lotu, co się wiąże z uzyskiwaniem danych o niższej rozdzielczości przestrzennej.

Zdjęcia lotnicze są bardziej precyzyjne, ale loty nad konkretnymi obszarami wykonywane są zwykle na zamówienie.

Lotniczy skaning laserowy często wykonuje się równocześnie ze zdjęciami lotniczymi, podczas tego samego przelotu. W wyniku skaningu powstaje gęsta chmura punktów, będąca trójwymiarowym plastycznym odzwierciedleniem wszystkich obiektów na powierzchni ziemi. Przy skanowaniu lasu większość sygnałów odbija się od powierzchni koron, ale części udaje się przedostać w głąb, przez co można wydzielić różne warstwy drzewostanu. Przede wszystkim, na podstawie danych ze skaningu można utworzyć numeryczny model powierzchni terenu i numeryczny model jego pokrycia.

Skaning naziemny wykonuje się najczęściej pod koronami drzew, przez co uzyskuje się precyzyjne modele poszczególnych drzew, na których można szczegółowo analizować m.in. wymiary i kształt strzały, rozmieszczenie gałęzi, wielkość i położenie korony.

Zaletą samolotów bezzałogowych jest możliwość szybkiego przemieszczania w konkretne miejsce i wykonywania zdjęć z niskiego pułapu. Szczególnie przydatne są one do aktualizacji danych, np. do szybkiej inwentaryzacji szkód powstałych w wyniku klęsk żywiołowych. Zdjęcia hemisferyczne wykonywane pod okapem drzewostanu, pozwalają w sposób znormalizowany określać różne cechy koron drzew, np. ich ażurowość czy powierzchnię projekcyjną aparatu asymilacyjnego.

Zadaniem projektu w tej dziedzinie jest wypracowanie metod stosunkowo taniego i szybkiego pozyskiwania aktualnych informacji o biomasie leśnej, ujednolicenie sposobów zbierania tych danych po obu stronach granicy oraz opracowanie transgranicznego systemu informacyj-nego „BIOMASA”, dla potrzeb gospodarki leśnej i przemysłu drzewnego.

 

Pomiary i modele

Równolegle ze zbieraniem i opracowywaniem danych teledetekcyjnych, w ramach projektu prowadzone są bezpośrednie pomiary drzew i drzewostanów. Są to dane referencyjne, potrzebne do testowania różnych metod teledetekcyjnych, a także do opracowania modeli matematycznych opisujących zależności pomiędzy różnymi cechami drzew, a alokacją biomasy w poszczególnych częściach tych drzew.

W pierwszym etapie zakładane są trzy zestawy powierzchni doświadczalnych w litych drzewostanach sosnowych Nadleśnictwa Drawno (obręb Dominikowo). Każdy taki zestaw składa się z 20 powierzchni, uszeregowanych wg rosnącego zagęszczenia drzew. Założenie jest takie, że pozostałe cechy drzewostanu i siedliska na wybranych powierzchniach są jak najbardziej do siebie zbliżone. Najstarsze drzewostany (V klasa wieku) to powierzchnie o wielkości 0,5 ha, środkowe (IV klasa wieku) mają wielkość 0,4 ha, a najmłodsze (III klasa wieku) są wielkości 0,3 ha. Na wszystkich 60 powierzchniach badawczych wykonywany jest metodami tradycyjnymi pomiar pierśnic i wysokości drzew oraz określane są cechy jakościowe (stanowisko biosocjalne, jakościowa klasyfikacja surowca, charakterystyka wad i uszkodzeń). Dodatkowo na każdej powierzchni wykonywany jest naziemny skaning laserowy ze środka powierzchni oraz seria zdjęć hemisferycznych.

Na 12 powierzchniach doświadczalnych, wybranych spośród sześćdziesięciu, wyznaczane są tzw. drzewa modelowe, po 10 szt. na każdej powierzchni, w sposób reprezentatywny dla całego drzewostanu. Wyznaczone drzewa modelowe są skanowane z trzech stron, a następnie ścinane i precyzyjnie mierzone i ważone. Każde drzewo najpierw rozdzielane jest na poszczególne frakcje: strzała, gałęzie suche, grube gałęzie żywe, drobne gałęzie żywe, igły oraz szyszki. Następnie wszystkie części są dokładnie ważone, po czym pobierane są z nich próbki do laboratorium, w celu określenia suchej masy. Ze strzały wycinane są krążki w odstępach, co jeden metr. Na podstawie relacji masy suchej do świeżej w próbkach, określana jest sucha masa całego drzewa (z podziałem na frakcje). Dane dla drzew modelowych pozwalają określić biomasę dla całej powierzchni próbnej, a następnie także dla innych drzewostanów sosnowych analizowanego obrębu.

Uzyskane wyniki pomiarów drzew oraz dane z laboratorium umożliwiają zbudowanie modeli opisujących ogólne zależności pomiędzy różnymi cechami drzew i drzewostanów danego gatunku a ich biomasą. Najczęściej wyprowadza się wzory matematyczne pozwalające na określenie biomasy drzewa na podstawie jego pierśnicy, czy biomasy drzewostanu na podstawie miąższości.

 

Obozujący studenci

Pomiary drzew modelowych na powierzchniach doświadczalnych są niezwykle pracochłonne i wymagają zaangażowania dużego zespołu ludzi. Dlatego do realizacji tego zadania skorzystano z pomocy studentów leśnictwa z Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu.

W pierwszych dwóch tygodniach września 2011 r., na terenie Nadleśnictwa Drawno, odbył się obóz naukowy, podczas którego studenci Wydziału Leśnego wraz z pracownikami projektu zajmowali się pomiarami drzew. Wyjazd podzielony został na dwa turnusy, a w jego organizacji brali udział członkowie Sekcji Geomatycznej Koła Leśników UP w Poznaniu. Głównym zadaniem w trakcie obozu były pomiary drzew modelowych na powierzchniach doświadczalnych. Drzewa te były ścinane, mierzone, dzielone na frakcje i ważone oraz pobierane były z nich próbki do laboratorium. Pracą wymagającą największej cierpliwości było oddzielanie igieł od gałązek oraz oddzielenie gałęzi grubych od drobnych.

Uczestnicy obozu zapoznali się z takimi technikami, jak skanowanie drzew przy użyciu naziemnego skanera laserowego oraz wykonywanie zdjęć hemisferycznych. Przez dwa tygodnie obóz odwiedziło wielu gości, którzy zaprezentowali tematykę swojej pracy bądź ciekawe rozwiązania geomatyczne. Wśród nich wymienić można gospodarzy terenu – pracowników Nadleśnictwa z nadleśniczym Włodzimierzem Rocławskim na czele, gości z RDLP w Szczecinie, dziekana Wydziału Leśnego SGGW Michała Zasadę oraz Andrzeja Jagodzińskiego wicedyrektora Instytutu Dendrologii PAN w Kórniku. Obóz odwiedzili również przedstawiciele firm – dystrybutorów sprzętu i oprogramowania: TPI (tachimetr zmotoryzowany oraz odbiornik GPS klasy geodezyjnej) i ESRI (prezentacja w warunkach polowych, przy ognisku, zagadnień o tematyce GIS).

Obóz ten był zaledwie pierwszą edycją; w latach 2012–13 planowane są kolejne obozy naukowe, w tym niektóre międzynarodowe – z udziałem studentów leśnictwa z innych krajów.

 

Więcej informacji o projekcie można znaleźć tutaj.

Kamil Kondracki, Paweł Strzeliński, Sławomir Sułkowski, Andrzej Węgiel, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Leśny, Katedra Urządzania Lasu


Pokłosie Kioto

Polska musi sprostać wymogom unijnym dotyczącym udziału energii ze źródeł odnawialnych – do roku 2020 źródła te mają stanowić 15% w ogólnym bilansie energetycznym kraju. Wprawdzie Unia Europejska pozostawia krajom członkowskim swobodę wyboru technologii produkcji energii odnawialnej, jednakże, istnieje wiele czynników ograniczających szybki rozwój niektórych z nich, np. większe wykorzystanie energii spadku wody czy wiatru wymaga drogich i długotrwałych inwestycji (dochodzi tu jeszcze opór społeczności lokalnych oraz wymogi ochrony przyrody), kolektory słoneczne w naszym klimacie nie są najlepszym rozwiązaniem (wysokie koszty założenia oraz spadek wydajności zimą, kiedy zapotrzebowanie na energię jest najwyższe), a uprawy energetyczne konkurują z rolniczym wykorzystaniem terenów. Dlatego, biomasa pochodząca z lasów, może stanowić istotne uzupełnienie pozostałych źródeł energii, szczególnie w najbliższych latach, do czasu pełnego rozwoju technologii i infrastruktury umożliwiających pozyskanie energii z innych źródeł.

Nie bez znaczenia jest także kwestia pochłaniania dwutlenku węgla przez lasy i jego akumulacji w biomasie roślin. Państwa posiadające zobowiązania w ramach Protokołu z Kioto przyjęły cele redukcji emisji gazów cieplarnianych. Cele te są wyrażone w postaci poziomów dopuszczalnych emisji w latach 2008–12. Co ciekawe, Polska zredukowała emisje gazów cieplarnianych w porównaniu z rokiem 1988 o 30% wobec zobowiązań z Protokołu wynoszących 6%, dlatego nasz kraj uzyskał znaczną nadwyżkę. Jest to trzecia na świecie (po Rosji i Ukrainie) nadwyżka emisji CO2 (w systemie ONZ) wynosząca około 500 mln jednostek. Zgodnie z artykułem 17 Protokołu, handel emisjami umożliwia państwom, które posiadają taką nadwyżkę, na jej sprzedaż innym państwom, nieosiągającym założonych celów. W ten sposób powstał nowy towar, którym są jednostki redukcji emisji. Przy czym, procesem odwrotnym od emisji dwutlenku węgla jest jego pochłanianie. Zatem jednostki emisji mogą być równoważone jednostkom pochłaniania. W ustawie z dnia 17 lipca 2009 r. o systemie zarządzania emisjami gazów cieplarnianych i innych substancji, zdefiniowane zostały jednostki pochłaniania oraz handel nimi. W projektowanej treści ustawy zakładano możliwość uczestniczenia Lasów Państwowych, jak również innych właścicieli lasów, w krajowym systemie zarządzania jednostkami pochłaniania, jednak zostało to odrzucone w toku legislacji. Ostatecznie ustawa dopuszcza jedynie obrót jednostkami pochłaniania między państwami. Polska zarobiła dotąd na takim handlu ponad 130 mln euro, a dalsze wnioski są w trakcie oceny.