Формы в мире почв

ЭЛЕМЕНТ — СИСТЕМА

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[1] 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: влочвах 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 отношении (связей) и элементов почвенной системы. Почвенная структура[2] 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. Солпцев (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 условно — 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 эле, — менте 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.

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 (7), 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).

Рис. 2. Пять типов плоских параллелограмматических решеток

1 — квадратная, 2 — гексагональная, 3 — ромбическая, 4 — прямоугольная, 5 — косоугольная

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.