Файл: Количественные методы в мелиорации засоленных почв..pdf

вание их растительностью. Однако нередко аккумуляция может происходить в избыточном количестве для растений, поддерживающих активную саморегуляцию почвы. Так, в результате роста техногенеза темпы развития и изменения почв несопоставимо выходят за рамки обычного. Колоссаль­ ное количество элементов, ежегодно извлекаемое из недр земли и поставляемое в почву, огромное количество вовле­ каемых в круговорот веществ в результате сельскохозяйст­ венной деятельности и развития промышленности за корот­ кое время сильно может изменить свойства почв. По подсче­ там американского ученого Пласса (1960), за последние 100 лет человек добавил в атмосферу 360 млрд, т углекис­ лоты, увеличив концентрацию углекислого газа в воздухе по сравнению с первоначальным на 13%. Это активизирует процессы почвообразования. В настоящее время отношение кларков Fe/Al в природе равно 0,55, а извлекаемых Fe/Al составляет около 460. Добытое к 1964 г. железо составляет почти 40 т/км2 в населенных частях земли, а ежегодное по­ ступление на уровне добычи 1964—1965 гг. добавляет еже­ годно 6 т/км2. В результате мы можем говорить о техноген­ ном изменении поверхности планеты, а следовательно, и почвенного покрова. М. А. Глазовская (1968) предполагает, что в результате «техногенного» ожелезнения верхнего слоя земли возможно изменение степени подзолообразования (в результате связывания агрессивных органических кислот в малоподвижные комплексы), а техногенное поступление микроэлементов, на 1—2 порядка превышающее поступле­ ние биогенное, может привести от недостаточности к избыт­ ку последних на техногенных ландшафтах. Таким образом, наблюдается несопоставимость масштабов времени почвен­ ных процессов и процессов техногенеза.

Почва как функция времени

Какова скорость почвенных процессов? По данным М. А. Глазовской (1968), за тысячелетний период существо­ вания почвы количество синтезированного и вновь разло­ жившегося органического вещества в 1 ж3 почвенной толщи составляет 500—600 кг, т. е. около 7з веса минеральной части, а за 3000-летний период количество прошедшего че­ рез почвенную толщу живого вещества и органических остатков по весу примерно равно минеральной части почв. Здесь мы затронули лишь одну сторону сложнейшего про­ цесса формирования почв. Вопрос не только сложный, но и во многом еще неясный.

91

В 1968 г. И. П. Герасимов на основании определений радиокарбоновым методом абсолютного возраста гумуса не­ которых почв умеренного пояса (СССР, Западная Европа» США) пришел к заключению, что возраст верхней части их профиля измеряется всего лишь сотнями лет (300—700). В относительной молодости почвенного покрова и большой скорости почвообразования он видит подтверждение докучаевского положения о соответствии почв современным факторам почвообразования (Глазовская, 1972). Этот вывод чрезвычайно важный с точки зрения изучения современ­ ных процессов и состояния почвы в зависимости от факто­ ров почвообразования как саморегулируемой системы.

Приобретаемые почвами свойства проявляются как результат развития почвенных процессов во времени с раз­ ной скоростью: в естественных условиях — это столетия и тысячелетия, а при техногенезе — годы и десятилетия.

При развитии почвы возникают моменты, когда она не успевает освободиться от избытка поступающих веществ, нарушающих установившееся подвижное равновесие. Вме­ сте с тем эта граница скоростей саморазвития подсистем почвы и скорости воздействия человека открывает возмож­ ности изменить почву в нужном для человека направлении. Однако стремление почвы к восстановлению равновесия по­ казывает, что в огромном большинстве случаев — это при­ родное тело с приданными человеком свойствами нуждается в постоянном восстановлении. Так, известкование подзоли­ стых почв для устранения кислой реакции вызывает лишь временное изменение и нуждается в дальнейшем повторе­ нии.

Способность почвы к саморегулированию и управление почвенными процессами

Как видно из приведенных выше примеров, на почвооб­ разовательный процесс сильно возросло влияние человека. В настоящее время (по данным ФАО) пашня занимает 10— 11% суши, луга и пастбища — 17%, а общая сельскохозяй­ ственная освоенность суши составляет 28—30% (Ковда, 1966,1971).

Нарушение обмена и круговорота веществ в естествен­ ном биоценозе в результате хозяйственной деятельности че­ ловека может вызвать как положительные, так и отрица­ тельные последствия. Необходимы знание и строгий учет особенностей развития почвенных процессов при разработке мероприятий по регулированию и управлению этой систе­ мой. Как переоценка степени возможности саморегулирова­ ния почвенных процессов (отказ вслед за В. Р. Вильямсом

92

от дренажа, как основного приема в мелиорации), так и не­ дооценка ее (внесение удобрений без учета географических закономерностей и др.) могут создать большие трудности и стать препятствием при разработке мероприятий в целях создания оптимальных условий почвенного плодородия. На кислых почвах (подзолах, серых лесных и др.), не бу­ ферных к кислотам, внесение в качестве азотного удобрения сульфата аммония (NH^SCU систематически и в больших количествах не улучшит почву, а, наоборот, снизит ее плодо­ родие, так как повысится кислотность и без того кислых почв, что очень вредно отразится на растительности. При вне­ сении того же сульфата аммония на почвах, буферных к действию кислот (на черноземах, сероземах), кислотный остаток будет нейтрализован поглощенным Са или карбона­ тами самой почвы. Внесение селитры KNO3 (щелочное удоб­ рение) в почвы не буферные или слабобуферные к щело­ чам (солонцеватые почвы и прочие) может повысить щелоч­ ность до высоких вредных для растений пределов; на кис­ лых же почвах вследствие их буферности к действию щело­ чей данное удобрение вполне можно применять без боязни вредных последствий.

Выводы

1.Почва представляет собой специфическую саморзгулируемую систему открытого (не замкнутого) характера, где наблюдается исключительно тесная взаимосвязь с условия­ ми внешней среды.

2.Управляющим началом формирования почвы служит сочетание взаимодействия основных факторов почвообразо­ вания (климат, растительность, материнская порода, гео­ морфология, деятельность человека), функционально свя­ занное с напряженностью солнечной энергии в зависимости от термических (широтных) поясов.

3.Механизмами активного отображения внешней среды являются живые организмы почвы.

4.К механизмам саморегулирования почвенных процес­ сов относятся буферность почвы и геохимические барьеры.

5.Процессы саморегулирования почв осуществляются при помощи обратных связей.

6.«Выбор поведения» почвы определяется путем само­ регулирования в тесной зависимости от зональных фак­ торов.

7.Управление почвенными процессами невозможно без учета особенностей почвы как саморегулируемой системы.

93

§ 3. Прямые и обратные связи в процессе засоления почв и грунтовых вод

На современном этапе развития науки и техники успеш­ но решаются проблемы регулирования и управления теми или иными процессами в производстве. Регулирование ж е естественных природных процессов пока еще находится на низком уровне. Это можно объяснить тем, что данным воп­ росам не уделялось должного внимания, а также тем, что природные процессы по своей структуре гораздо сложнее процессов, используемых в промышленности, энергетике и транспорте.

В настоящее время в связи с широким развитием оро­ шаемого земледелия возникла проблема регулирования водно-солевого режима орошаемых земель средствами авто­ матики. Чтобы успешно регулировать водно-солевой режим почв и грунтовых вод, необходимо тщательно изучать вза­ имосвязь факторов в почвенно-гидрогеологическом процессе' и выявить наличие обратных связей. Дадим определение и характеристики связей, существующих в природе и технике. Рассмотрим некоторую систему, на входе которой действу­ ет фактор х. Под воздействием этого фактора система по за­ кону G имеет на выходе какую-либо реакцию у , т. е. (рис. 7)

Рис. 7. Схема прямой связи регулирования.

В данном примере связь, которая придает возмущение х на вход системы G, независимо от величины у называется пря­ мой связью регулирования. Пусть на систему G действует возмущение х, но в какой-то зависимости от величины на входе системы у (рис. 8):

y = G(x±Hy)

Gx

У ~ 1± вн •

Система, в которой величина возмущения, действующего на объект, зависит от некоторой величины у на выходе объ­ екта по определенному закону Я, называется замкнутой, а связь между выходом и входом такой системы называется

94

обратной связью регулирования. Обратная связь может быть как положительной и усиливать х, так и отрицатель­ ной, т. е. уменьшать величину х. Поэтому в формуле (Ш.3.2) перед величиной GH стоит знак плюс-минус. Примерами

прямых связей между факторами в природе может слу­ жить связь между температурой почвы и температурой воз­ духа: при увеличении температуры воздуха температура почвы повышается и, наоборот, между глубиной залегания грунтовых вод и влажностью почвы: с увеличением глуби­ ны влажность падает, с уменьшением глубины влажность повышается. Примерами прямых связей в технике может служить связь между оборотами двигателя автомобиля и его скоростью.

Важнейшим понятием при процессах регулирования является понятие обратной связи. Выше мы дали определе­ ние обратной связи в регулируемой системе. Необходимо отметить одно фундаментальное понятие, касающееся об­ ратной связи. Обратная связь — способность живых и нежи­ вых систем к саморегулированию.

Термин «обратная связь» впервые возник в технике при создании автоматических механизмов. Позднее было уста­ новлено, что принцип обратной связи, т. е. такие взаимоот­ ношения компонентов и факторов в процессе, когда не только причина определяет следствие, но и следствие влияет на причину, является необходимым в процессах управления любых систем. Очевидно, что это один из самых существен­ ных законов природы.

при координации движений живых организмов. П. К. Ано­ хин (1949) сформулировал понятие об обратной афферентации или поступлении в центральную нервную систему

95

животных сигнала о результатах произведенных действий. Им же была доказана общность этого принципа для биоло­ гии и медицины.

При действии положительной обратной связи происхо­ дит непрерывное самоусиление, вызывающее лавинообраз­ ное нарастание процесса, хотя и не бесконечное, а ограни­ ченное суммой внешних условий, определяющей существо­ вание данного процесса (а именно: количество питающей его энергии, ограниченность пространства и вещества).

Примерами наличия положительных обратных связей в технике могут служить различные пневматические, гид­ равлические, магнитные, электронные усилители. В приро­ де — это цепные реакции, рост ледников, эрозия и другие процессы. Однако обычно развитие систем с положительной обратной связью автоматически приводит к возникновению отрицательных обратных связей.

Отрицательные обратные связи препятствуют всякому отклонению системы от среднего стационарного состояния. Благодаря именно отрицательной обратной связи система приобретает способность к сохранению устойчивого состоя­ ния или равновесия. Отрицательные обратные связи имеют­ ся в различных регуляторах.

В природе действие обратной отрицательной связи хоро­ шо прослеживается в системе «жидкость — пар» в закры­ том объеме, в процессе формирования облачности и затене­ ния ею поверхности, где происходит испарение. Образование ледников не идет безгранично — большой ледник образует устойчивый антициклон, из-за чего уменьшаются осадки и рост ледника замедляется. То же наблюдается и в процессе выветривания, который ведет к увеличению мощности элю­ вия и делювия, в свою очередь, образующийся элювиально­ делювиальный чехол снижает скорость выветривания корен­ ных пород.

Таких примеров можно привести очень много. Как об­ щее для природных систем: обычно начало процесса свя­ зано с преобладанием положительной обратной связи, а конец процесса — с отрицательной, когда следствие влияет на причину в направлении противоположном развитию си­ стемы в целом.

Для вскрытия причинно-следственных связей в процес­ се засоления была использована математическая модель этого процесса, приведенная в I главе. Схема прямых и обратных связей в процессе засоления почв и грунтовых вод приведена на рис. 9.

Из этой схемы хорошо виден весь механизм засоления почв и грунтовых вод. Часть воды из потока грунтовых вод

96