CC BY
95
УДК 631.471+631.44+631.58
Структура почвенного покрова - основа точных систем земледелия
H.A. Лопачев, к. с.-х. н., (ОрелГАУ)
Карты пластики рельефа (потоковые) реализует основополагающую структурно-геометрическую идею В.В. Докучаева связать свойства почв с сохраняющимся без изменений (инвариантность) способ (порядок) их залегания в пространстве и времени по элементам каркаса рельефа. Потоки дают представление о физической, энергетической и химической концентрации и декоцентрации элементов почвенного тела в зависимости от положения его на каркасе рельефа, количественно характеризуемого морфометрическими величинами (MB). Выявленные связи накопления Сорг, Р205, К20, NH4, N03, и т.д. с MB каркаса рельефа и закономерности структуры почвенного покрова являются научными предпосылками точных потоково-динамических систем земледелия, использующих точечные технологии для создания однородных фитоценозов.
Инвариантностъ в структуре почвенного покрова. Проблема инвариантов тесно связана с вопросами классификации и картографического изображения почв, горных пород и ландшафтов. ЕЕ решение невозможно без анализа понятий о том, как представлены в тех или иных концепциях геологические и почвенные тела. В.В. Докучаев (1948, т.3, с.342) в «Лекциях о почвоведении» на вопрос, что является высшей целью науки, ссылаясь на слова Д.И. Менделеева, ответил: «Высшую цель истинной науки составляет не просто эрудиция, т.е. описание или знание,...а постижение неизменяющегося среди переменного и вечного - между временным.». На языке современной науки Менделеев и Докучаев говорили о поиске инвариантов.
В.В. Докучаев не только призывал к поиску инвариантов, но и сам использовал его при составлении классификации и методов картирования почв. Он предложил дедуктивный метод построения классификации: сначала выделяется теоретический каркас, характеризующий специфику рельефа по градиентам высот (рис. 1,А), а затем в этот рельефный каркас на основе априорного умозаключения вписывают почвы. 1 - нормальные почвы плоских поверхностей (водоразделы, возвышенные ровные места, выпуклости); 2 - переходные почвы средних частей склонов (полупочвы - перемытые, смыто-намытые); 3 - анормальные наносные почвы и наносы нижних частей склонов и низин, т.е. почвы вогнутостей.
Однако многие ученые не поняли его основополагающую структурно-геометрическую идею связать свойства почв с сохраняющимся без изменений способ (порядок) их залегания в пространстве и времени по элементам каркаса рельефа. Они не вникли в тонкость слов Докучаева (1949, т.3, с.248): каркас рельефа, как некая целостность с его повышениями переходными склонами и подножиями склонов, «будет оставаться постоянно, вечно»; тогда как другие элементы природы, связанные с этим каркасом, - горные породы, растительность, микроклимат и даже почвы, могут изменять ся. Докучаев писал (1949, с.247): «. мы незнаем почв, которые бы, в качестве таковых, с данным характером, оставались бы вечно.». Он противопоставил постоянное и вечное - каркас рель-
ефа, почвам, наносам, растительности, ландшафтам, которые по отношению к этому каркасу являются пространственно изменчивыми и кратковременными образованиями. Каркас рельефа (рис. 1,А) - это градуированная система (тело) отсчета, относительно которого можно проводить количественные определения скорости движения тела потока (рис. 1,В). Фиксацию механического движения потоков и их частей, специфику явлений и процессов стало возможным отразить на картах пластики рельефа (см. рис. 3,А) потому, что они многомерные. Традиционные лоскутные карты (рис. 3,В,С) одноплановые, нульмерные, в лучшем случае - одномерные (вертикально-профильные), что затрудняет описывать протекающие в них процессы по законам физики. Это устраняет созданная Докучаевым теория классификации и картографии почв на основе теории симметрии и это можно доказать.
а Р
(в)"--
П <C)/J
А In) Р' Д Inj
Рисунок 1 - Графическое представление идеи В.В. Докучаева о «способе залегания почв» по элементам каркасного рельефа. А - профиль; В - план. Н(в) - нормальные почвы; П(с) - переходные почвы; А(п) - анормальные почвы. Р-Р1 -ось вращения или плоскость зеркального отражения; Я - репеллер, самая высокая точка каркасного рельефа - потока; Ь - точка бифуркации, раздвоение потока на левую и правую части; А - аттрактор, куда стремятся левые и правые концевые части потока; П(с)- изолиния нулевой плановой кривизны (морфоизографа).
Так в структурном каркасе рельефа (рис. 1), как геометрической фигуре, имеется что-то неизменное, инвариантное по отношению к некоторым преобразованиям. Представим, что каркас (рис. 2) мы отобразили не на бумаге, а на резиновой пленке, которую можно сгибать и растягивать, но не разрывать на части. Посмотрим, какие свойства каркаса сохранятся при
деформациях пленки? Оказывается, что значения длины линий, углов, площади изменяются при растягивании или сжатии пленки. Единственная величина, которая сохранится - это порядок следования повышений, склонов и понижений, образующих скелет каркаса рельефа. Такую величину можно назвать инвариантом. Она инвариантна относительно определенных операций, которые известны как теорема СРТ.
Широко известен закон Докучаева о том, что между относительным рельефом (пластикой рельефа) и почвами наблюдаются постоянные закономерные отношения. Демонстрация этого закона дана на рис. 2 с использованием правил симметрии. На верхнем рисунке показаны 3 идеализированные выпуклые формы рельефа, на которых выделены по способу залегания Докучаева полосы почв самого крупного подразделения (первого класса) в его классификации и картографии. Если с помощью операций симметрии будем преобразовывать фигуры путем поворотов с зеркальным отражением, то выпуклости станут вогнутостями и наоборот (рис. 2, внизу). При этом способ залегания почв, установленный Докучаевым, сохраняется. Так же на верхнем рисунке 2 мы видим, что изменения идеализированного каркаса рельефа под влиянием внешних факторов (денудация, неотектонические движения) не происходит. Теория симметрии и подобия доказывает его топологическую неизменность от формы А1 к А2 и А3,
Рисунок 2 - Сохранение элементов каркаса рельефа Докучаева преобразованиях симметрии. Верхний -преобразование подобия сферической формы каркаса рельефа от крупного (А1) к более мелким (А2, А3) сохраняет неизменным порядок следования почв: Н - нормальных, П - переходных и А - анормальных. Нижний - двойное зеркальное отображение каркаса рельефа сферической - А, треугольной - В и прямоугольной - С формы сохранит неизменным порядок следования почв.
Потоковая картография, согласно теоретико-дедуктивному методу, начинается с выделения по горизонталям топографических карт выпукло-вогнутой потоковой системы, как естественной целостности. При этом всегда картируется большая по площади территория, чтобы установить местоположение изучаемого хозяйства в пределах единой потоковой системы. Хозяйство может находиться в начале, середине или в концевой части потоковой системы, что определит априорно его почвенно-
геологические и ландшафтные свойства. После этого приступают к полевой съемке, с выделением ареалов и их совокупностей. При этом потоки, как целое, являются реальностью, а их элементы (ареалы) - лишь эпифеноменами этой реальности. Целостность потоков дает право на существование старых и возникновение новых элементов (ареалов). В потоках целое «предшествует» своим элементам.
Каркас рельефа - материализация физического поля. Не будем опираться, как принято в современной почвенной парадигме, на скважины и разрезы (шурфы), как материальные точки. каркас рельефа с его разностью высот является потенциальной энергией, поэтому можно принять каркас за физическое поле. В таком случае геометрический каркас рельефа, являясь реальностью, сохраняющей логическую структуру в любых условиях, позволяет все процессы, происходящие в природе, выражать в единой теории наук о Земле совокупно [3, 5, 2].
Физическое поле в виде потоков (рис. 1,В и 3,А) выделено дифференцированием горизонталей карт рельефа одной-единственной линией - нулевой плановой кривизны (морфоизографой), которая связывает события однозначно. Тогда все события, происходящие на земной поверхности, можно объяснить законами структурного каркасного рельефа Докучаева - единственной реальности, справедливой в любое геологическое время и в любой точке Земли в силу неизменности (инвариантности) этого каркаса, свойства которого мы постигли не чувствами, а разумом с помощью операций симметрии (рис. 2). Использование в науках о Земле каркаса рельефа Докучаева позволяет раз и навсегда соблюдать в рассуждениях геометрически последовательный порядок его элементов: верх - середина - низ. Все почвы, горные породы, ландшафты в этом каркасе стоят между собой в логической последовательности, продиктованной геометрией каркаса. Каракас -первопричина того, что существует и возникает. Из этой первопричины можно выводить следствия от высших до низших таксономических единиц почв. Геометрическая последовательность в каркасе почв позволяет использовать дедукцию: от общего к частному, от причины к следствию.
Выделение почв по их генезису. При классификации почв Докучаев использовал два принципа: структурно-геометрический (по способу залегания почв по элементам рельефного каркаса) и 2 - генетический (по способу образования почв). Целостность и единство структурных элементов каркаса остается неизменной (постоянной) при любых изменениях природы, а почвы (наносы и ландшафты) при этом могут изменяться, вплоть до исчезновения одних классов и появления других. Эти принципы не были востребованы современной наукой о Земле.
Потоковые системы земной поверхности (геосистемы) выделяются на суше, дне морей и океанов, в толщах земной коры. Их специфику проследим на примере системы реки Терек (рис. 3,А). В понимании
эмпирии - это аллювиально-дельтовая равнина Терека. Однако на (рис. 3,А) четко выделяются ветвящиеся потоки, образующие в полупустыне древнюю дельту. Поэтапная смена узоров с закономерно увеличивающейся к морю (Кизляру) степенью разветвленности дает полное представление о целостности и генетическом единстве всей рассматриваемой территории. Подобное «луковичное» строение имеют все речные долины Земли. Они всегда состоит из двух частей: дивергенции - расходящейся, рассеивающей энергию и конвергенции - сходящейся, концентрирующей энергию. Перед нами пример самоорганизации системы, обусловленный не геологическими, а физическими причинами - гравитацией. Согласно Докучаеву, элементы каркаса рельефа (рис.3,А) сохраняются в любом возрастном звене единого географического цикла. Структуры каркаса рельефа каждого звена неповторимы и имеют свои почвы.
Рисунок 5 - А) пластика рельефа. Фрагменты из изданных карт М1:500 000: В) геоморфологической, С - геологической
Концентрация и деконцентрация энергии в потоковых системах. Внутренняя самоорганизация системы р. Терек многое объ ясняет с позиции закона термодинамики. так, закон зональности не может объяснить быструю смену почв от черноземов Ставропольской возвышенности к полупустынным бурым почвам Прикаспийской равнины на протяжении 70100 км, следующую не с севера на юг, а с запада на восток. Это связано с явлением внутрипочвенной самоорга низации энергии. В местах аттракторов происходит наибольшее рассеяние энергии с огромным выделением тепла, приводящего к локальной аридизации (опустыниванию) территории.
Химическая эволюция почв и наносов вдоль потоков. На картах пластики (рис. 3,А) наблюдаем условия перехода хаоса (аттрактор, репеллер) через точки бифуркации к порядку - собственно траекториям потоков. Для того чтобы хаос мог играть какую-то роль в
«генезисе» информации, необходим потоковый механизм, позволяющий хаотической активности оставлять о себе «память» в веществе почв и наносов. если применить модель Г. Николис и С. Субба Рао к потокам карт пластики, то в ней химический хаос потоков. Всякий раз, когда концентрация мономера, участвующего в химических реакциях, превышает заданный порог, этот мономер в точках бифуркации присоединяется к растущей полимерной цепи. Получающийся в результате полимер обладает характеристиками цепи Маркова пятого порядка, состоящей из упорядоченных звеньев, где каждое шестое звено характеризуется вполне определенной вероятностью при условии, что пять предшествующих заданы. если бы вместо потока-матрицы (рис. 3,А) имели «лоскуты» (рис. 3,В,С), то мы наблюдали бы чисто случайную последовательность, в которой невозможно никакое предсказание относительно очередного звена на основе того, что известно о предшествующих звеньях. Это важный научный результат. Он показывает, как квантованные потоки (рис. 3,А) реализуют свойства цепей Маркова. Если следовать мнению Пригожина, Стенгерс (1994, с.95), то на картах пластики видим важную конструирующую роль понятий хаоса и необратимости без которых невозможно описать потоки.
Потоки и морфометрические величины точки каркаса рельефа - основа для создания точных систем земледелия. С 70-х годов XX века изучение функционирования почв на разных иерархических уровнях занимает одно из ведущих мест в мире и относится к числу фундаментальных наук. Успешное решение этой проблемы невозможно без изучения влияния рельефа на состояние агро- и биогеоценозов. Однако количественные исследования в этой области сильно затруднены недостатками геоморфометриче-ских методов анализа рельефа земной поверхности. Если сама поверхность является предметом изучения физики и математики на протяжении нескольких веков, то система «поверхность - поле» как математически двойной объект изучена недостаточно [9]. Уже в 1972 году И.С. Эванс [7] придал указанным подходам значение отдельного направления, названного им общей геоморфометрией. Дальнейшее ее развитие с позиций потоковых структур, получило в работах П.А. Шарого [8]. Он предложил разделить все морфометрические величины (МВ) по отношению их к гравитационному полю и на этой основе [9] создал первую классификацию МВ. Она объединяет 18 локальных и две региональные МВ, количественно описывающих каждую точку каркаса рельефа.
Поэтому с 1997 года ИФПБ РАН и ОрелГАУ. начали исследования по прикладному изучению связей МВ отдельных точек потока и концентрации вещества в серых лесных почвах агроценозов (пашня, луг) Среднерусской возвышенности (Серпуховское Заочье).
В результате исследований выявлены сила и формы связей распределения вещества почвы (мощность гумусового горизонта, Сорг, Р205, К20, КИ4> N03, поглощенные и обменные основания, водно-
физические и механические показатели) в зависимости от показателей МВ (локальных или региональных), характеризующих в данной точке условия стока или геометрические формы рельефа (Митусов,2001; Лопачев, 2005). Установлено, что обработка почвы лишь частично оказывает влияние на распределение вещества только в пахотном слое и практически не воздействует на подпахотные горизонты.
Так же было установлено, что концентрация и декоцентрация тех или иных элементов в почвенном теле для данной точки зависит от положения этой точки на каркасе рельефа, количественные характеристики которой можно выразить МВ, а в конечном итоге с ними тесно связана и продуктивность фитоценоза данной точки
Теория инвариантности позволяет утверждать, что двух точек с абсолютно одинаковыми показателями МВ не существует. Следовательно, нет двух агро- и биогеоценозов с одинаковой пространственной продуктивностью. До настоящего времени нет систем земледелия, в том числе и точных, обеспечивающих констуирование агроценозов с однородной пространственной продуктивностью фитоценоза (количественной и качественной). Существующие системы земледелия решают проблемы повышения общей продуктивности агроценозов, то есть решают задачи, чем воздействовать и не решают, где и как. К данному заключению мы пришли в результате обобщения многочисленных полевых экспериментов нашей страны и за рубежом, и собственных полевых исследований в течении 30-ти лет на разных объектах (СССР, Россия), где так и не удалось решить указанную проблему (всегда присутствуют различия по повторностям и повторениям даже в самых точных опытах не считая производственных посевов). Различия в продуктивности агроценоза в зависимости от его площади и положения точек учета на каркасе рельефа составляют от 7 до 40% и более. Однако потоковая структура земной поверхности и МВ, количественно характеризующие положение точки, определяющие накопление вещества почвы в данной точке дают точные научные обоснования, где наиболее эффективно воздействовать на систему, чтобы достичь желаемого эффекта в этой точке. Так любое воздействие (обработки почвы, удобрения, смена фи-тоценозов, дренаж, химические и фитомелиорации, и т. д.) в области репеллера (рис.3,А) или в области аттрактора окажут различное влияние на состояние всей системы (репеллер - аттрактор) и каждой ее
точки. Воздействие на систему в точке миграции потока окажет существенное влияние на подсистему, в которой она находится, и не значительное влияние на всю систему. Следовательно, с позиций, где с наибольшими или наименьшими последствиями воздействовать на агроценоз, научная, математически обоснованная система земледелия должна быть потоковой (или динамической).
Выявленные зависимости накопления вещества почвы и МВ, характеризующих точки каркаса рельефа [6], являются научными предпосылками, как воздействоввть на почву в данной точке, чтобы привести ее в подобное (равнозначное) состояние с другой точкой системы, имеющей другие МВ. Следовательно, научно обоснованная система земледелия должна быть не только потоково-динамической, но и точной, использующей точечные технологии создания однородных фитоценозов.
Модели указанных систем земледелия будут рассмотрены в последующих публикациях.
Литература
1. Докучаев В.В. Избр. соч. в 3-х т. М.:Сельхозгиз, 1948-1949. С 247, 248, 342.
2. Ильин Р.С. Природа Нарымского края. Томск, 1930. 156 с.
3. Максвелл Дж. к. Материя и движе-ние.Ижевск.:НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. 178 с. 1878;
4. Пригожин И., Стенгер И. Время, хаос, квант. М.:Прогресс, 1994. С.95),
5. Соболевский П.К. Современная горная геометрия. //Социалистическая реконструкция и наука. 1932. Вып. 7. С. 42-78
6. Турьянский А.В.,..., Лопачев Н.А.,..., Воробьев И.И. Экологические и технологические основы растениеводства: /Монография. Том 1. - Белгород. :Изд-во БелГСХА, 2005. - 294 с.
7. Evans, I.S., 1972. General geomorphometry, derivatives of altitude, and descriptive statistics. In: Chorley, R.J. (Ed.), Spatial Analysis in Geomorphology. Me-thuen & Co., Ltd., London, Chap. 2, 17-90.
8. Shary P.A. Landsurface in gravity points classification by complete system of curvatures. Pushchino: Pushchino Research Centre, 1992, 18 p.
9. Shary P.A. Land surface in gravity points classification by a complete system of curvatures // Mathematical Geology. 1995. V. 27. No 3. P. 373-390.
