CC BY
9УДК 536.12:541.12.127:531.4
И JO, Винокуров
ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ПЛОСКИХ ПОЧВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ НА КОНСТАНТЫ
НИТРИФИКАЦИИ
(Владимирский государствен и ы й университет)
e-mail: [email protected]
Обсуждается проблема описания устойчивости почвенных экосистем, Показано, что тияние неоднородностей в плоских системах может быть описано с использованием понятия химического сродства нитрификационного процесса.
может оказать существенное алия- зволяет описать различия констант скоростей ние на скорости химических реакций. В химиче- нитрификации, связанные с неоднородности ми ской кинетике это направление известно как учет IIЭС (коэффициент корреляции 0,97). эффектов среды.
На кинетику процессов, протекающих в биогеохимических системах, могут оказывать влияние неоднородности почвенных экосистем. В этой связи необходим учет этих неоднородностей и описание их влияния.
Современные методы наук о Земле, развитие геоинформацнонных систем позволяют выделить элементарные ареалы ландшафтов (ЗАЛ) и более тонкие структуры - элементарные почвенные ареалы (ЭПА) в виде границ, внутри которых почвенная экосистема однородна. Шифры ЭАЛ соответствуют принятой классификации.
В химических технологиях однородность среды взаимодействующих реагентов достигается эффективным перемешиванием. Почвенная экосистема (ПЭС) представляет собой уникальное природное тело, которое можно представить как некий натуральный «реактор» с неоднородными областями в пространстве. Добиться однородности среды в этом «реакторе» без негативных антропогенных воздействий невозможно. Однако необходимо учесть эти неоднородности в виде границ, представленных на рис. 1.
Так, более грубое обозначение, например, серой лесной почвы, уточняется на карте в виде более тонких, граничащих друг с другом элементарных ареалов: иеоподзоленная, слабооподзо-ленная, среднеоподзоленная, сильнооподзоленная и т.п. Кинетические параметры нитрификации для этих ареалов должны различаться.
На рис. 2 приведена зависимость констант скоростей нитрификации от логарифма начальной концентрации нитратов для различных элементарных ареалов ПЭС (коэффициент корреляции К =0,97).
Как видно из приведенной зависимости, использование понятия химического сродства по-
л А *
Рис. I> Пример выделения и обозначения элементарных ареа
лов 1шидшаф|ц т каргах шюских почвенных экосистем. Fig. 1 „ The example of denoting and marking the elementary are-als oHandscape on the map of flat soil ecosystems.
t40* час 1
-oj о oj 02 cu см o,?
Рис. 2. Зависимость константы скорости нитрификации от логарифма начальной концентрации нитратов ршгзтчпык элементарных ареалов плоских почтенных экологических
систем.
Fig, 2. The nitrification rate constant dependence on the logarithm of initial nitrate concentration for different elementary areals of
landscape of flat soil ecosystem,
7
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2007 том 50 вып. 2
Этот случай соответствует трехмерному описанию кинетических параметров, когда их значения должны быть представлены не только в таблицах или на графиках, но и обозначены на карте внутри выделенных границ элементарных ареалов ландшафта. Трехмерное описание такой термодинамической системы обусловлено плоским расположением элементарных почвенных ареалов ландшафта и фиксированным временем.
В.И. Вернадский, разрабатывая биосферные принципы, ввел термин «термодинамическое поле» живой системы. В этом термине, как и в названии «биогеохимический принцип» химическому подходу определена существенная роль [1].
На рис. 1, по сути, представлено термодинамическое поле ПЭС, если внутри границ ЭПА нанести фиксированные для каждого т них кинетические параметры нитрификации. Константы скорости нитрификации в этой системе связаны между собой фундаментальным термодинамическим понятием - химическим сродством, а ПЭС, несомненно, - живая система.
Особо следует отметить, что кинетические параметры нитрификации получены из логистического уравнения Ферхюльста. Это не просто кинетическая модель. Как показано в обобщениях ведущего в мире специалиста в области синергетики Г. Г. Малинецкого, из логистического уравнения следуют базовые синергетические понятия [2]. Таким образом, предлагаемый нами подход позволяет на количественном уровне развивать био-
■4
геохимический принцип В.И. Вернадского и соединить его с современными синергетическими моделями.
При обсуждении результатов, приведенных на рис. 2, отметим аналогию с методами оценки влияния эффектов среды на скорость химических реакций. Так, для оценки неспецифической сольватации широко используется линейная зависимость логарифма константы скорости реакции от функций Кирквуда, угловой коэффициент которой характеризует полярность переходного состояния.
При экстраполяции линейной зависимости (рис.2) на ось абсцисс можно получить критиче-
ские величины начальных концентрации нитратов С0 коз г при которых должен существовать термодинамический запрет на протекание нитрификации.
г
г-
—-©
1 «_.
О 20
Ш 80 100 120 140 Ш 180 200
Рис. 3. Трштсрный характер нитрификации при высоких значениях начальных концентраций нитратов.
Fig.3. The trigger nature of nitrification under high initial nitrate
concentrations.
Как показала практика, такие ПЭС реально существуют. Для них нитрификационны й процесс возможен только после осуществления обратного процесса - биологической сорбции нитратов. Биологическая сорбция протекает до некоторого порогового значения Схоз » с которого нитрификация становится возможной. Такие процессы, в которых «переключаюгея режимы» сложных систем, в биофизике называются триггерными.
Таким образом, на триггерный характер биогеохимической системы может распространяться термодинамический контроль.
ЛИТЕРАТУРА
T$optGK£iH0& А.Н.* Федоров В екий НЖ Биосферные ртауыш. Человечеству. 1996. 368 с. Мшшншкин Г,Г. Математические основы Хаос, струш^ура, вычислительный
С S
т.
Кафедра химии
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2007 том 50 вып. 2
79
