Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ НА СОДЕРЖАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (П.М. Мазуркин, Ю.А. Винокуров, инженер)
Изобретение [2] относится к физико-химическому анализу различных видов загрязнения ландшафтов с наличием деревьев и древесной растительности и может быть использовано в инженерной экологии, лесной отрасли, лесном и сельском хозяйствах, а также в системах экологического мониторинга различных отраслей природопользования и охраны окружающей среды.Результаты статистического моделирования приведены по экспериментальным данным, взятым из аналога [1].
В основе всех процессов жизнедеятельности, происходящих в дереве и его частях, лежат различные химические элементы. Распределение химических элементов может быть рассмотрено относительно дерева по его высоте. При этом за начало можно принять верхушку растения или волоски корней. Вычислительные эксперименты показали, что по принципу «снизу вверх» модели точнее почти в 10 раз, чем уравнения по закономерности «сверху вниз». Поэтому ранговую шкалу принимаем по стремлению дерева к свету Солнца.
Нами предлагается следующая ранговая шкала частей дерева: 0 - корни мелкие; 1 - корни крупные; 2 - ствол; 3 - ветки крупные; 4 - ветки мелкие; 5 - листва, хвоя.
Такая шестизначная шкала оказалась вполне достаточной для статистического моделирования данных распределения химических элементов в сухой массе частей дерева.
Ель. Содержание всех веществ без азота (% на сухое растение) определяется зависимостью (табл. 1)
. (1)
Таблица 1
Содержание химических веществ (без азота) в дереве ели, % на сухое вещество
|
Часть дерева |
Ранг r |
Факт Cф |
Расчетные значения (1) |
Составляющие (1) |
|||
|
C |
ε |
Δ,% |
C1 |
C2 |
|||
|
Корни мелкие Корни крупные Ствол Ветки крупные Ветки мелкие Хвоя |
0 1 2 3 4 5 |
1.29 0.79 0.37 0.79 1.44 2.34 |
1.29 0.79 0.37 0.78 1.45 2.34 |
-8.1е-8 4.2е-6 -2.0е-5 0.007 -0.009 0.003 |
-0.00 0.00 -0.01 0.89 -0.63 0.13 |
1.29 0.72 0.04 0.00 0.00 0.00 |
0.00 0.07 0.33 0.78 1.45 2.34 |
Первая составляющая (1) показывает долю влияния корневой системы, а вторая - листвы. В растущем дереве располагаются два центра притяжения химических веществ - листва (хвоя) и мелкие корни.
В таблице 2 приведено общее содержание химических элементов в различных частях дерева ели по формуле
. (2)
Таблица 2
Содержание всех химических веществ в дереве ели, % на сухое вещество
|
Часть дерева |
Ранг r |
Факт Cф |
Расчетные значения (2) |
Составляющие (2) |
|||
|
C |
ε |
Δ,% |
C1 |
C2 |
|||
|
Корни мелкие Корни крупные Ствол Ветки крупные Ветки мелкие Хвоя |
0 1 2 3 4 5 |
2.00 1.08 0.48 1.10 2.02 3.35 |
2.00 1.08 0.48 1.08 2.04 3.34 |
-2.1е-6 6.6е-6 -0.000 0.018 -0.022 0.008 |
-0.00 0.00 -0.02 1.64 -1.09 0.24 |
2.00 0.98 0.04 0.00 0.00 0.00 |
0.00 0.10 0.44 1.08 2.04 3.34 |
По химическим элементам значения параметров формулы распределения по частям дерева ели приведены в таблице 3.
Таблица 3
Содержание химических элементов в дереве ели, % на сухое вещество
|
Химический элемент |
Обоз- начение |
Параметры статистической модели |
Погрешность Δ, % |
||||
|
C0 |
a1 |
a2 |
a3 |
a4 |
|||
|
Азот Кремний Кальций Калий Марганец Фосфор Алюминий Железо Марганец Сера |
N Si Ca K Mg P Al Fe Mn S |
0.7100 0.04012 0.5300 0.2009 0.05285 0.1100 0.1919 0.02052 0.03031 0.1102 |
0.9366 0.2977 0.6339 0.2692 0.5579 1.1577 1.2815 1.1893 0.6132 1.2979 |
8.5733 2.1516 6.3590 2.7222 1.2199 17.6062 1.2452 1 1 1 |
0.02172 4.3733е-7 0.1088 0.005597 0.001918 0.005440 0.006275 0.0002854 0.0005959 0.008954 |
2.3835 8.4090 1.1919 2.9730 2.5293 2.0461 2.1445 2.2390 2.9161 1.7025 |
3.87 38.08 22.08 34.27 60.80 28.75 84.57 ∞ 33.89 6.59 |
В общем виде искомая закономерность запишется так:
, (3)
где C0 - концентрация химического элемента в мелких корнях, %; a1 - активность гибели естественной закономерности поднятия химических элементов до листьев или хвои; a2 - интенсивность снижения концентрации вещества по высоте дерева; a3 - активность дерева по аллометричскому росту содержания химического элемента; a4 - интенсивность роста биотехнического возбуждения дерева.
Береза. Здесь крупные ветви не изучались. Поэтому третий ранг из списка частей дерева выпадает. Для всех химических веществ (без учета азота) получена формула (табл. 4)
. (4)
Таблица 4
Содержание химических веществ (без азота) в березе, % на сухое вещество
|
Часть дерева |
Ранг r |
Факт Cф |
Расчетные значения (4) |
Составляющие (4) |
|||
|
C |
ε |
Δ,% |
C1 |
C2 |
|||
|
Корни мелкие Корни крупные Ствол Ветки крупные Ветки мелкие Хвоя |
0 1 2 3 4 5 |
1.50 1.00 0.32 - 0.80 3.18 |
1.50 1.00 0.32 - 0.80 3.18 |
-0.00 1.1е-16 5.6е-17 - -0.00 8.9е-16 |
-0.00 0.00 0.00 - -0.00 0.00 |
1.50 1.00 0.31 0.05 0.00 0.00 |
0.00 0.00 0.01 0.13 0.80 3.18 |
Из данных таблицы 4 видно, что возможно прогнозировать концентрацию химических элементов. В крупных ветках должно быть 0,18 % химических элементов без азота на сухое вещество.
С учетом азота будет уравнение (табл. 5)
. (5)
Для крупных веток прогнозируется концентрация в сухом веществе 0,47% всех химических элементов. При этом оба уравнения имеют практически однозначную закономерность. Сопоставление с елью показывает, что общее содержание химических элементов больше. Это, по нашему мнению, связано с тем, что листья березы являются одногодками, а хвоинки ели живут до 5-7 лет.
Таблица 5
Содержание химических веществ в дереве березы, % на сухое вещество
|
Часть дерева |
Ранг r |
Факт Cф |
Расчетные значения (5) |
Составляющие (5) |
|||
|
C |
ε |
Δ,% |
C1 |
C2 |
|||
|
Корни мелкие Корни крупные Ствол Ветки крупные Ветки мелкие Хвоя |
0 1 2 3 4 5 |
2.96 1.52 0.58 - 1.61 5.54 |
2.96 1.52 0.58 - 1.61 5.54 |
-0.00 -2.2е-16 -0.00 - 6.7е-16 2.7е-15 |
-0.00 -0.00 -0.00 - 0.00 0.00 |
2.96 1.52 0.55 0.16 0.04 0.01 |
0.00 0.00 0.03 0.31 1.57 5.53 |
Параметры моделей по химическим элементам (порядок расположения элементов принят по первоисточнику) приведены в таблице 6.
Эти уравнения повторяют найденную общую закономерность (3), поэтому сопоставление отдельных химических элементов между собой в дальнейшем возможно проводить по значениям параметров моделей.
Таблица 6
Содержание химических элементов в дереве березы, % на сухое вещество
|
Химический элемент |
Обоз- начение |
Параметры статистической модели |
Погрешность Δ,% |
||||
|
C0 |
a1 |
a2 |
a3 |
a4 |
|||
|
Азот Кремний Кальций Калий Марганец Фосфор Алюминий Железо Марганец Сера Натрий Хлор |
N Si Ca K Mg P Al Fe Mn S Na Cl |
1.4600 0.1001 0.6000 0.1700 0.1600 0.1100 0.5999 0.05528 0.04000 0.07007 0.06963 0.07021 |
1.0336 0.7110 0.3349 0.2683 0.2878 0.7892 0.4056 0.01219 5.5677 0.5632 0.3389 0.8122 |
0.8120 1.9278 2.3219 1.7525 2.2646 1.1743 2.1870 7.1153 1 1.8164 5.1714 1 |
0.0006570 0.0006864 0.0007523 8.9830е-6 6.3279е-8 0.00003730 0.00001039 0.003979 1.7120е-8 4.5333е-6 0.001086 0.00005714 |
5.0780 2.2683 4.5448 7.0229 10.0501 5.3016 5.7576 0 9.7863 6.0743 1.0007 4.6165 |
0.00 59.34 0.00 0.00 1.90 0.00 1.40 60.20
3.24
23.80 |
В этом наборе химических элементов у березы появились два новых вещества - натрий и хлор, которых не было в ели. Будем считать, что эти множества достаточно полно характеризуют данный вид дерева. Тогда в дальнейших исследованиях можно применять методы популяционной динамики.
В популяции химических элементов также соблюдается строгая иерархия и поэтому нами далее рассматривается ранговое распределение химических элементов по концентрации в сухом веществе частей дерева. Здесь это распределение необходимо вначале принять по листве и хвое, как наиболее эффективным из всех других органов дерева.
Тогда для ели получилась зависимость (табл. 7)
. (6)
В этой формуле четыре составляющие. Вторая и третья помогают приспособляться популяции из 10 химических элементов к данному виду дерева. который возник 400-450 миллионов лет назад. Третья составляющая показывает медленно нарастающее возмущение.
Таблица 7
Популяция химических элементов хвои ели, % на сухое вещество
|
Хими-ческий элемент |
Ранг r |
Факт Cф |
Расчетные значения (6) |
Составляющие статистической модели (6) |
|||||
|
C |
Δ,% |
C1 |
C2 |
C3 |
a |
C4 |
|||
|
N Ca K Si Al P S Mg Mn Fe |
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
1.01 0.72 0.66 0.33 0.18 0.14 0.13 0.10 0.07 0.01 |
1.01 0.72 0.66 0.33 0.18 0.14 0.12 0.11 0.07 0.01 |
0.02 -0.01 -0.03 0.09 0.56 -2.43 4.23 -5.50 5.29 -13.00 |
1.01 0.71 0.38 0.17 0.06 0.02 0.01 0.00 0.00 0.00 |
0.00 0.01 0.26 0.09 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 |
0.00 0.00 0.02 0.07 0.12 0.14 0.12 0.08 0.05 0.03 |
0.000 0.003 0.007 0.010 0.014 0.017 0.021 0.024 0.027 0.031 |
0.000 -0.001 -0.007 -0.003 0.010 0.015 -0.002 -0.023 -0.018 0.015 |
Наиболее выделяются из общего множества азот, кальций и калий. Эта троица присутствует и в популяции химических элементов березы. Поэтому иерархия здесь не меняется. В этом конечном множестве максимумы расположены (они выделены) таким образом: первой составляющей - это азот, второй составляющей - калий, третьей - это фосфор, а четвертой - марганец. При этом амплитуда колебания нарастает вроде бы незначительно, имея максимум для железа, однако уже эта половина полного размаха колебания сопоставима с алюминия и далее. Таким образом, волновая составляющая как бы расставляет химические вещества по из концентрации по рангам.
Для березы получена зависимость рангового распределения концентрации 12 химических элементов по 11 рангам (концентрации натрия и железа совпадают) по формуле (табл. 8)
(7)
Здесь вторая составляющая приспосабливается резче, а волновое возмущение начинается позже начала процесса распределения.
Таблица 8
Популяция химических элементов листвы березы, % на сухое вещество
|
Химический элемент |
Ранг r |
Факт Cф |
Расчетные значения (7) |
Составляющие статистической модели (7) |
|||||
|
C |
Δ,% |
C1 |
C2 |
C3 |
a |
C4 |
|||
|
N Ca K Mg P Mn Al Cl S Si Na, Fe |
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
2.36 1.13 0.73 0.67 0.19 0.12 0.11 0.10 0.08 0.03 0.01 |
2.36 1.13 0.73 0.67 0.19 0.12 0.11 0.10 0.08 0.03 0.01 |
0.00 0.00 0.01 0.03 -0.37 0.08 1.45 -2.90 3.88 -6.33 7.00 |
2.36 1.13 0.42 1.14 0.04 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 |
0.00 0.00 0.29 0.46 0.05 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 |
0.00 0.00 0.02 0.06 0.10 0.12 0.11 0.09 0.07 0.04 0.03 |
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.013 0.015 0.017 0.019 0.021 |
0.000 0.002 -0.001 -0.006 -0.001 0.010 0.005 -0.012 -0.011 -0.012 0.018 |
Максимальная относительная погрешность иерархического расположения 12 химических элементов не превышает 7 %. Это дает возможность сделать надежные методические выводы.
Вначале сопоставим ранжированные ряды химических элементов. Береза возникла 170-180 миллионов лет назад, то есть тогда, когда ель прожила на Земле уже почти триста миллионов лет. В сущности, береза как вид растения живет всего один цикл (176 миллионов лет) вращения Солнечной системы вокруг центра нашей галактики.
Сопоставление позволило выявить следующие особенности популяций химических элементов ели и березы:
а) троица N, Ca, K - постоянна, то есть эта группа химических элементов содержится во всех видах измеренных в [1] деревьев;
б) в ходе эволюции у березы появились Na и Cl;
в) железо у обоих видов дерева находится на последнем месте, а концентрация в сухом веществе этого вещества одинакова;
г) концентрация кремния Si упала в 11 раз, и этот химический элемент сместился с четвертого места на предпоследнее (если даже учесть жизнь хвои продолжительностью 5-7 лет, то все равно остается разница в 1,6-2,2 раза);
д) элементы Al, P, S, Mn сместились в рассматриваемой популяции химических элементов, что можно объяснить влиянием сокращения жизненного цикла листьев (до сезона) вместо хвои (до 9-11 лет);
е) магния Mg в листьях стало больше в 6,7 раз, что можно объяснить сокращением 7-летней жизни хвоинок и годичную периодичность листьев (вегетационный сезон).
Особое внимание следует уделить кремнию.
По-видимому, в древности кремнийорганических соединений было больше. Поэтому предлагаем следующий приближенный способ оценки древности древесных растений: чем больше содержания кремния в вегетативных органах, то тем древнее изучаемый вид дерева.
Комплексность испытания на множество показателей структуры, свойств и качества древесины, листвы и корней и коры растущих деревьев позволяет изучить экологический режим и экологическое состояние лесного ландшафта.
Замена всех крупных кружков на периферийные образцы позволяет снизить трудоемкость озоления и последующего химического анализа.
Одновременно повышается точность определения содержания химических элементов в различных органах модельных деревьев. Переход на химический анализ отдельного модельного дерева позволяет выявлять закономерности изменения содержания химических элементов в конкретном биологическом организме, и только затем обобщать все модельные деревья с пробной площади.
При применении предлагаемого способа появляется возможность количественного исследования круговорота химических веществ в модельных деревьях за счет одновременного испытания образцов и проб, полученных из древесины , листвы и мелких корней. Распределение химических элементов по древесинному телу дерева позволяет развернуть исследования по химической дендрохронологии.
Литература
- Родин, Л.Е. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах / Л.Е. Родин, Н.П. Ремезов, Н.Н. Базилевич. - Л.: Наука, 1968. - 145 с.
- Пат. 2290638 Российская Федерация, МПК G 01 N 33/46 (2006.01). Способ испытания древесины на содержание химических элементов / Мазуркин П.М., Винокуров Ю.А. (РФ); заявитель и патентообладатель Марийск. гос. тех. ун-т. - №2005105154/12; заявл. 24.02.05; опубл. 27.12.06, Бюл. № 36.