1 год назад
Нету коментариев

Элемент и система — центральные понятия почвове­дения. С них начинается определение любой почвенной теории и гипотезы. С ними связаны такие важнейшие понятия, как «тело», «структура», «симметрия», «ие­рархия», «инвариант», «форма», «свойства», «признак», «граница», «связь», «система координат», «изомерия», «изоморфизм», «полиморфизм».

Понятию «почвенная система» противопоставляется менее богатое по содержанию понятие «почвенное тело». Последнее можно зафиксировать на карте, ис­пользуя новейшие способы картографии: рисовку пла­стики поверхности рельефа, аэрокосмические методы. Если тела правильно закартированы, то открывается путь к системному пониманию территории. Однако почвенные тела редко отрисовываются на картах пра­вильно. Часто проводят границы, искусственно разре­зающие почвенные тела, и тогда дальнейшая интер­претация структур заводит исследователя в тупик.

Почвенное тело — это почвенный покров определен­ной естественной геометрической формы с подчинен­ным этой форме вещественным составом. Поэтому по индивидуальному рисунку почвенного тела можно су­дить о водно-физических, геохимических и прочих его свойствах.

Трудности заключаются в правильном выделении естественных границ почвенных тел. Они могут быть отрисованы только при сочетании карт пластики с аэрокосмическими снимками. Поэтому необходимо быстрейшее усвоение новейших методов картографиро­вания почвенных и геологических тел.

Граница. В основе научного познания почв лежит фиксация объекта на любом уровне организации, т. е. установление его границ: между почвенными ареалами, горизонтами, отдельностями, агрегатами, минералами. Геометрическое почвоведение — преимущественно нау­ка о границах, под которыми следует понимать види­мые и воображаемые линии, разделяющие почвенные элементы и части внутри целого.

Взаимодействие почвенных тел происходит через соприкосновение, которое составляет их отличительную особенность. Соприкосновение тел лежит в основе фун­даментальных представлений математики и связано с понятиями дискретности и континуальности. Д. Л. Ар­манд (1975, с. 174) считает: «Дискретное пространство можно лишь делить по естественным границам, его расчленяющим. Континуальное … можно делить многи­ми разными способами». Полагая, что природа геогра­фических пространств континуальна, ученые сталки­ваются с проблемой, которая названа «парадоксом контурности»: надо проводить границы там, где их нет (Географические границы, 1982).

Использование способа картографирования — пла­стики рельефа — позволило выделить естественные границы почвенно-геологических тел и установить дис­кретный характер почвенного покрова. При такой ме­тодике исследований исчезают эти парадоксы. Мы ви­дим только четкие границы почвенных элементов, ча­стей, тел, которые, однако, находятся в очень сложных взаимоотношениях.

Не вызывает сомнения и характер границ почвен­ных тел: они «во всех случаях должны быть линейны­ми и резкими» (Мильков, 1956, с. 146), а не расплыв­чатыми, с постепенными переходами.

Почвенная система — целостная совокупность раз­нородных, взаимодополняющих и взаимоотрицающих друг друга почвенных элементов, между которыми име­ют место устойчивые связи. В литературе можно най­ти такие определения системы (Иерархия геологиче­ских тел, 1978): 1) все, состоящее из взаимосвязанных частей; 2) комплекс элементов, находящихся во взаи­модействии; 3) множество элементов, имеющих такие отношения и связи, которые образуют определенную целостность, единство; 4) математическая модель любого физического устройства; 5) предмет, у которого выявлены эмерджентные свойства.

Важнейшие особенности почвенной системы — связь, структура, форма, наличие элементов, размеры, а также искривление пространства, т. е. геометриче­ский эквивалент массы (Васильев, 1974). Видимо, кри­визна почвенного пространства обусловлена электро­магнитным и гравитационным полями. В каждой точке этого пространства кривизна зависит от различий в на­пряженности гравитационных и электромагнитных по­лей: в почвах понижений аккумулируются одни заря­ды, а на повышениях другие.

Свойство — то, что присуще всем почвам, что явля­ется общим для них. Тогда качество — существенное свойство, определяющее границы геосистемы или поч­венного тела. В книге рассматривается существенное свойство — форма, как элементарных ареалов, обра­зующих разнообразные системы почвенных покровов, так и элементарных горизонтов, из которых состоят си­стемы почвенных профилей.

Связь, отношение — это то, что формирует почвен­ный профиль или почвенный покров из определенных почвенных элементов.

Структура — объемная совокупность отношений (связей) и элементов почвенной системы. Почвенная структура характеризуется большим набором элемен­тов, их количеством, свойством, характером располо­жения в пространстве. Последнее выявляется с по­мощью аппарата симметрии.

Элемент. Использование терминов «элемент», «элементность», «элементарный» в почвоведении требует особого разъяснения. Если исходить из общепринятых представлений, то почвенный элемент — это составная часть почвы как сложного целого. Такое определение заметно отличается от бытующего в почвенной и гео­графической литературе представления. В почвоведе­нии слово «элемент» часто ассоциируется с понятием «элементарный» в смысле «простой», «наименьший». Так, по В. М. Фридланду (1972), элементарный почвенный ареал — это предельно малая территориальная единица почвенного покрова. Однако при этом не ска­зано, что такая малая единица характерна для опреде­ленного уровня организации сложного целого — поч­венного покрова. Если мы станем изучать почвенные формы на небольшом участке поля, то окажется, что его элементарные ареалы имеют диаметр около 1 м, а если на обширном массиве — то более 1 км.

В противоположность В. М. Фридланду (1972) А. И. Перельман (1977) и В. Н. Солнцев (1981) «эле­ментарный ландшафт» представляют себе в широком интервале размеров в зависимости от внутренних при­чин. Но и у них понятие элементарности лишено глав­ного — определения связи, иерархизованности. Почвен­ный элемент представляет множество подобных ему элементов, находящихся в направленных связях с ними. Именно эти отношения элементов и образуют то целостное единство, которое называют почвенной си­стемой.

Иерархия почвенных тел. Понятие об элементе под­разумевает, что почвенная система иерархизована, т. е. разделена по определенному правилу на уровни орга­низации. Поэтому познание почвенной системы идет от постулирования некоторого ее уровня неделимым, наименьшим (элементарным) к выявлению структу­ры — пространственно-временных соотношений элемен­тов. При этом элемент одного уровня определяет струк­туру следующего уровня, более крупного по размерам. Переход от одного уровня к другому обусловлен «кван­том организации» (по И. В. Круть) и приводит к появ­лению эмерджентных свойств.

Эмерджентность. Два элемента: «горная порода» и «живые организмы» — при взаимодействии образуют новый элемент—«почву». Почва обладает эмерджент­ными свойствами, такими, которые отсутствуют как у организмов, так и у горных пород. Основным эмерд­жентным признаком почвы является наличие профиля с горизонтами, которые условна названы А, В и С. Это обстоятельство и позволило Докучаеву выделить почву в качестве самостоятельного природного тела, от­личающегося от горной породы и от органической массы.

Успехи в изучении самоорганизующихся структур в неравновесных системах дали научное обоснование эмерджентности почв. Энергетически устойчивая и изотропная геосистема — плотная горная порода (извест­няк или гранит) сначала превращается в измельчен­ную массу — мелкозем, а затем в почву. В отличие от горной породы мелкозем имеет термодинамически не­устойчивое состояние. Это благоприятствует образова­нию морфологически выраженных динамических струк­тур нового типа — почвенных, поддерживаемых посто­янным воздействием внешней среды. Периодическое изменение среды приводит к смене структур, поэтому последние можно назвать летучими, диссипативными. Почва состоит из наложенных друг на друга сменяв­шихся в течение тысячелетий динамических профилей, возникающих в результате колебаний биоклиматиче­ских режимов.

Чем же различаются свойства почв и горных пород? Переход горной породы в почву, в неустойчивое со­стояние — признак диссипации части энергии кристал­лических структур породы. Для сохранения нового эмерджентного свойства — появления почвенных гори­зонтов—требуется непрерывный обмен энергией и ве­ществом с внешним миром. Горной породе для сохра­нения своих свойств, напротив, контакт с окружающей средой противопоказан.

Элементарная ячейка. Общее представление об эле­менте как составной части системы в геологии и почво­ведении приобретает более конкретное выражение в по­нятии об элементарной ячейке (Драгунов, 1965; Шафрановский, Плотников, 1975; Забродин, 1981; и др.). Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц (1976) полагают, что наиболее простой путь выбора ячейки — это следова­ние кристаллографам, которые за элементарную ячейку принимают параллелепипед, построенный на взаимно перпендикулярных векторах. Каждый из этих векторов равен основному периоду кристаллической решетки.

Геологи уже применяют понятие о параллелепипеде (или о параллелограмме — для плоскости) при описа­нии структур земной коры. Почвоведы также составля­ют почвенные карты на основе выявления упорядочен­ности почвенных ареалов по плоской параллелограмматической решетке (рис. 2). Используются симметрии бордюров, непрерывных (континуумов) и частично прерывных (семиконтинуумов) пространств, а также семнадцати видов сетчатых орнаментов.

Пять типов плоских параллелограмматических решеток

Пять типов плоских параллелограмматических решеток

На хорошей почвенной карте всегда можно обнару­жить приуроченность ареалов к узлам параллелограмматической сетки. Эти ареалы плотно пригнаны друг к другу или «сидят» по ее узлам (рис. 2). Совершая пе­ренос (трансляцию) ареалов по узлам сетки, мы про­изводим классификацию структур почвенного покрова по характеру движений симметрии, которые могут осу­ществляться по квадрату (2), шестиугольнику (2), ромбу (3) и т. д. и тем самым отличаем одну структу­ру от другой, например квадратную от ромбической. Это дало повод высказать мысль о том, что структура почвенного покрова преимущественно клеточная (сет­чатая), т. е. подчиняется закону параллелограмматической плоской сетки, хотя не исключены и другие виды симметрии (Степанов, 1983).

Изомерия. Представления о почвенных элементах и системах связаны с такими понятиями, как «равенст­во», «сходство», «тождество», которые лежат в основа­нии многих наук и обобщены теорией симметрии. Но эти понятия не так просты, как кажется на первый взгляд. Например, почвенные ареалы могут иметь раз­ные формы при близких свойствах образующих эти формы почв (полиморфизм) или иметь одинаковые формы ареалов при сходном вещественном составе почв (изоморфизм). Обычны и такие ситуации: равные по форме и составу почв ареалы могут располагаться друг относительно друга в пространстве неодинаково: по квадратной, ромбической или иной сетке. Такая си­туация определяется понятием изомерии, глубоко из­ученной для природных систем Ю. А. Урманцевым (1974). Под изомерией автор понимает множество объ­ектов одного состава, но разного строения. Многие по­лагают, что понятия «изомерия», «изоморфизм», «по­лиморфизм» принадлежат химии. Изомерия — понятие структурное и приложимо к объектам любой природы, в том числе и к почвам. Научиться правильно разли­чать и сравнивать почвенные элементы и системы можно, лишь освоив правила изомерии и принципы сим­метрии.

Инвариантность. В свою очередь симметрия связа­на с инвариантностью, т. е. с сохранением каких-либо признаков почв (не обязательно геометрических) по отношению к каким-либо преобразованиям, движениям. Преобразования сохраняют неизменными определенные признаки: вещественные, например весовое тождество запасов гумуса в почвах, или геометрические, напри­мер, формы и размеры агрегатов, горизонтов, профилей, ареалов. Эти признаки рассматриваются в качестве устойчивых (инвариантных) относительно движений: поворотов, отражений, вращений. Инвариантность су­ществует не вообще, а лишь по отношению к опреде­ленным преобразованиям. Последние нужны для того, чтобы выяснить, что же при этом сохраняется посто­янным.

Инвариантность — очень важное научное понятие, которое многие почвоведы интуитивно применяют, ра­ботая в экспедициях. Так, при полевом описании раз­резов устанавливаются наиболее устойчивые признаки, присутствующие в той или иной группе почв, путем мысленных преобразований — наложения одного про­филя на другой. При этом выявляется равенство или неравенство почвенных профилей как по мощностям горизонтов, так и по их свойствам. Таким же способом при помощи инвариантов сравниваются формы ареа­лов. Высшим классом исследований является поиск то­пологических инвариантов. По глубокому убеждению М. Борна (1963), «наука — это не что иное, как попыт­ка конструировать инварианты там, где они не очевид­ны», «идея инвариантов является ключом к рациональ­ному понятию реальности».

Система координат. Определение степени структур­ной неоднородности почв — одна из важнейших задач почвоведения. Она решается по-разному. Лучше это де­лать, используя систему координат (декартовую и по­лярную), с помощью которой можно определить поло­жение материальных точек в почвенном пространстве. Однако для этого существующие почвенные карты не пригодны. Лишь по картам пластики рельефа система координат позволяет установить иерархию почвенных тел: начало координат, середину, нижние части.

Система отсчетов необходима для проведения заме­ров почвенных тел и систем. Измерения проводятся внутри системы или относительно ее. До недавнего времени почвенные тела описывали и измеряли «из­нутри». Поэтому трудно было увидеть почвенную си­стему в целом. Взгляд вырывал из системы лишь от­дельные, часто случайные фрагменты. Такое положение дел отразилось на теории почвообразования.

С появлением аэрокосмических методов исследова­ния, а также нового метода картографирования (пла­стики) по топографическим картам стало возможным не только видеть целостность почвенных систем, но и замерить их элементы и тем самым обнаружить сте­пень структурной неоднородности. Возникла потреб­ность установить закономерные структурные связи между различными почвенными явлениями.

Системный подход как средство описания, анализа и синтеза природных явлений известен давно. Истоки систематики явлений и объектов можно найти у Лейб­ница в его идее универсальной символики. В 1817 г. Гегель писал, что философствование без системы не может иметь в себе ничего научного; всякое содержа­ние получает оправдание лишь как момент целого.

Системный подход позволяет увидеть за многообра­зием конкретных явлений главное — «принципиаль­ную схему». Е. С. Федоров (1915) полагал, что прин­цип наименьшего действия Ле Шателье в физической химии является универсальным. Многие ученые, опи­раясь на этот принцип, искали связи между всевоз­можными Явлениями природы. Так, почвоведами уста­новлено, что морфологически выраженная почвенная мозаика профилей и ареалов меняется, подчиняясь принципу наименьшего действия, таким образом, чтобы свести к минимуму внешние нарушения, сохранить устойчивость и упорядоченность своих структур. Это удается сделать путем создания тождественных эле­ментарных форм-штампов: блоков, ячеек, мозаик, пат­тернов и конечного числа правил их матричного раз­мещения в пространстве.

Системно мыслить — это выработать технологию из­учения почв и почвенных ареалов как систем. При этом почвенные профили и ареалы рассматриваются в непрерывной связи как единое целое. Например, соче­тание почвенных горизонтов А, В и С можно признать системой, т. е. профилем, тогда, когда численно будет доказано, что эти горизонты действительно образуют единое целое, обладающее структурной связью. Последняя описывается определенным видом симметрии — трансляционным. Если же горизонты представляют со­бой изолированные, не связанные друг с другом слои, то здесь нет системы, а значит, нет и почвенного про­филя.

Так же обстоит дело и с почвенными ареалами. Они образуют систему в том случае, если закономерно повторяются в пространстве. Периодическое повторе­ние ареалов — это и есть та связь, которая образует определенную целостность и единство, т. е. систему почвенного покрова.

comments powered by HyperComments