CC BY
13УДК 541Л 2Л 27:581.5:531.4!
НЛО. Винокуров
КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ
:мирс!син e-maiti
Обсуждается проблема описания устойчивости почвенных экосистем * рамках термодинамического и биофизического подходов. Показано, что кинетика нитрификации может быть описана уравнением Ферхюльста. В качестве параметров устойчиво-emu предложено отношение параметров модели Ферхюльста К/г.
Защитные свойства почвенных экосистем (ПЭС), их способность связывать химические загрязнители (химическая сорбция) в существенной степени определяются состоянием верхнего орга-номииерального слоя. Сохранение органического вещества, его воспроизводство относится к проблеме устойчивости почвенных экосистем.
В этой связи разработка моделей устойчивости (ПЭС) представляет аггуальную проблему, О существующих биофизических подходах основное внимание уделяется описанию регистрации быстрого отклика растений на воздействие возмущающих факторов [I].
Эти подходы невозможно применить к (ПЭС), потому что основные, практически важные их параметры (продуктивность и содержание органического вещества) - результат длительных воздействий различных факторов. Как нами показано, для интерпретации параметров ПЭС может успешно использоваться термодинамический подход, обозначенный рамками принципа lie 111 ателье - Брауна, Для развития этого подхода необходима детализация введенного нами внутреннего биологического параметра РЪ и разработка конкретной модели устойчивости ПЭС [2],
Существенный вклад в устойчивость ПЭС, на наш взгляд, должна плоситъ оптимизация тарификационного процесса. В нем сопряжены биологическая и минеральная компоненты. Изучение кинетики этого - процесса позволяет развивать представление об устойчивости ПЭС в рамках б и огеох нм и ч ее ко го принципа B,R Вернадского. Процесс трансформации минеральных веществ, их круговорот в биогеоценозах изучен детально с помощью изотопных методов. Обратный процесс: минерализация органического вещества представлен пока только качественно.
Чрезмерно высокие скорости нитрификации вызывают минерализацию органического вещества ПЭС н как, следствие этого, деградацию почв. Нитраты, играющие существенную роль в
процессе питания растении, ооладают высокой подвижностью, потому что физическая, механическая, физико-химическая сорбция не могут выступах ь в роли фактора оптимизации их концентрации за счет удерживания. Резкая динамика накопления нитратов может приводить к значительным потерям продуктивного почвенного потенциала, Излишки нитратов, которые не успевают использовать растения, могут смываться в фунтовые воды и подвергаться денитрификацни с выделением азота в атмосферу.
Огсутствие нитрификации, например, за счет ее подавления биологической сорбцией соответствует ограничению доступа к почвенным ресурсам ПЭС и как следствие, уменьшению продуктивности, В ,зтой связи установление закономерностей между скоростями нитрификации и важнейшими эволюционными параметрами ПЭС .......накоплением органического вещества и. продуктивностью представляет актуальную проблему.
Нами впервые показано, что кинетика нитрификации серых лесных почв может быть описана в рамках логистического уравнения Фер~ хюльста (I), В результате были определены константы скорости нитрификации (г) и экологические емкости (К) для различных органомннераль-пых систем.
Здесь г- константа скорости процесса нитрификации, К-экояогическая емкость (ресурс ПЭС), xß - начальная и * - их текущая концентрации нитратов. '
Параметры К и г определялись из кинетических кривых, отражающих накопление нитратов во времени. В качестве параметра устойчивости предложено отношение К/г, т.е. устойчивость ПЭС определена двумя управляющими параметрами.
По физическому смыслу устойчивость, выраженная через отношение К/г, соответствует
И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2007 том 50 вып.
м
энергоэкономному использованию почвенного потенциала. Здесь идея основателя квантовой хи-I 3, Шредингера о том, что живые системы бо-знергозкономны но сравнению с неживыми, используется на количественном уровне, выше отношение К/г, тем ПЭС более совер-т, более устойчива, т.е. способна к продук-ости и воспроизводству органического веще-
Ъ, ЧТО
в отношении эволю-
ции ПЭС эта формула универсальна. Она опреде
эволюция зависит ог трех факторов:
ресурсов, эффективного их использова-(доступности к ним), экономности их расхо-Несоблюдение хотя бы одного из них к кризису развития,
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Кинетика нитрификации почв изучалась в течение 7 суток при постоянной температуре 28°С и постоянной влагосмкости 60%. Для определения концентрации нитратов использовались нитрат -селективные электроды типа "Элит" и рН-метр-иономер "Эксперт -001". Ошибка воспроизводства констант скоростей н
ОБСУЖДЕН И Е РЕЗУЛЬТАТОВ
На рис. 1 приведена зависимость величин К/г от начальной концентрации нитратов в почвенных образцах.
Тх "v
J.
..y
.X
V"
* v
<
*
sS . »
L.. ......
5л4 6.8
<ysurmnm?
■л.,Л,I„„.*„„„„f - . . J .. t ■■■*•■■ 4 R-.v. i ....^v" Aw-b ...-J-. ymkl....... > > H fffmw-
M $,2 4,4
Рис. 1. Зависимость i стране трос устойчивости почвенных эше itCTCM от начальной i:r-niteif троими нитритов в почве. Fig. L The lelationship for ability parameters сf soil ecology system from beginning concentration of soil nitrate.
дждои точке соответствует технология, которая может быть использована для решения проблем рекультивации ПЭС. Технологии были размещены в рамках длительных стационарных полевых опытов в течение 17 лет. Как нами пока-
зано, максимальным значениям воспроизводства органического вещества н продуктивности соответствуют максимальные значения
ie
"pyrma III). Этому соответствуют технологии совместного использования органоминеральных систем по занятым н черным па рам- Указанные технологии можно рекомендовать как перспективные для реабилитации деградированных ПЭС после ликвидации их загрязнения экотокеиканта-ми в системе рекультивации.
Можно показать, что в основе установленной закономерности лежат два фундаментальных представления; знергоэкономноеть и химическое
Первое нами отмечено выше. Второе показано на рис.2: чем выше концентрация конечного вещества нитрнфнкационного процесса - нитратов в исходных почвенных образцах, тем ниже его константа скорости.
'■I*1_ц Ц|HliH' у' >»»1 WIlllll inn^.'■I.I iiY^.iiii >1 " Y.....и Уи • vr•' III m I »Ii i h - ''""11* "**" 1j" Y1Y1 • j г - - - |.......-'.....^.....'A g 41H ft f 1*i~ и
f * ......... *
О
m. ш.
\
\ . S . .
«V.
N.
71M
{ ........ ft»
*2
2™. k.....u,. ■■
Ätt ^
e
Рис. 2- Зависимость константы скорости ми грификгшии от
начального содержания нитратов в почве. Fig. 2. The relationship for rate constant of nitrification from beginning concentration of soil nitrate,
Таким образом, для описания закономерностей биогеохнмических систем могут успешно использоваться фундаментальные химические
л
Л ИТ ЕРАТ УРА
Веселом ГЖ* Веселокскмм В.А,, Черна&ский Д.С
Ci*pccc у растении* М: Изл-во. МГУ. 1993. 144 с. Винокуров II.КХ Идеи синергетики в аграрной пауке // Материмы Первого международного межднецишшнар» ного семинара памяти СЛТ Курдюмоиа> Тверь. 2005. С. 67-71.
Шредннгер Э- Что такое жизнь с точки зрения физика?
Гладыше» ГЛТ Термодинам и ческа.» теория зшшюиии живых сущесгЕ. М;
Ка.^едра химии
ХИМИЯ N ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2007 von 50 вып.
