Файл: Количественные методы в мелиорации засоленных почв..pdf

Поэтому естественно, что М-Ю. То же самое может наблю­

даться, когда j ->0, т. е. в случае совершенно бессточ­

ных грунтовых вод мелиоративный показатель в данной ситуации имеет наименьше значение. Отсюда видно, что М изменяется от нуля до бесконечности. В настоящее время возникает необходимость экспериментальной проверки — при каких значениях М концентрация почвенного раствора превышает свою критическую величину или становится меньше ее. Если эти данные будут известны, то при райони­ ровании ландшафтов можно будет прогнозировать объем дренажа или объем инфильтрационных вод для создания нисходящих токов влаги. Может так же оказаться, что при определенных значениях М не потребуется ни дренажа, ни промывного режима орошения.

§3. Понятие энтропии

вмелиорации засоленных почв

Понятие энтропии играет фундаментальную роль в сов­ ременной науке. Особенно широко это понятие используется в кинетической теории газов, теории тепловых машин, тео­ рии информации и других областях знаний. В настоящее время существует много плодотворных попыток применить это понятие для биологии.

Понятие энтропии (от греческого слова етрояг), что зна­ чит превращение, изменение) впервые было введено Клаузиу­ сом для характеристики обратимых адиабатических процес­ сов, которые протекают внутри теплового двигателя. Им рассматривалось соотношение между количеством теплоты, получаемым газом и источником, к их абсолютным темпе­ ратурам. Основная задача, решаемая Клаузиусом, заключа­ лась в определении той величины энергии, которая необхо­ дима для совершения работы, чтобы возвратить систему в первоначальное состояние.

В современных справочниках по физике энтропией назы­ вается функция S состояния системы, дифференциал кото­ рой в элементарном обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества тепла, сообщенного системой, к абсолютной температуре последней (Яворский, Детлаф, 1965). Энтропия не поддается непосредственному восприя­ тию и не может быть легко измерена. Она определяется лишь математическим выражением и выглядит поэтому абстрактной величиной, которая трудно поддается простому интуитивному представлению. Однако, как указывает фран­

136

цузский термодинамик П. Шамбадаль (1967), «физический смысл энтропии отнюдь не столь непостижим, как это при­ нято думать, и что величина, скрывающаяся за интегралом Клаузиуса, не более таинственна, чем, скажем, удельная теплоемкость вещества». Уточнить физический смысл энтро­ пии можно, если провести аналогию между энтропией и другими физическими величинами, более доступными инту­ итивному восприятию. Рассмотрим для примера работу гидроэлектростанции. Вполне очевидно, что станция тем больше выработает энергии в единицу времени, чем больше масса воды будет поступать на лопасти турбин и чем с большей высоты она будет падать. Отношение массы воды, поступившей на лопасти, к высоте и будет означать энтро­ пию или величину энергии, производимую единицей массы к единице высоты.

Широкое использование понятия энтропии стало воз­ можным благодаря общности закономерностей, которые она отражает. Для всех физических систем эта закономер­ ность сводится к тому, что в любой системе энтропия воз­ растает. Последнее положение основано на так называемом принципе «минимума энергии», который состоит в том, что любая физическая система стремится к равновесию, совер­ шая при этом минимум работы (камень упадет со склона не зигзагом, а по наиболее короткой траектории, тепло от на­ гретого тела к холодному перейдет также по кратчайшему расстоянию). То есть, наиболее устойчивое состояние физи­ ческая система может достичь при полном равновесии, при нулевом энергетическом потенциале, при максимальном значении энтропии.

Биологические объекты, наоборот, приобретают более устойчивое состояние (в смысле жизнеспособности) при большой разнице потенциалов, при максимальной аккум у­ ляции полезной энергии, которая может совершать работу. Биологические системы отличаются от простых физических систем тем, что они способны понижать энтропию, или, сог­ ласно Э. Шредингеру, накапливать негэнтропию. Негэнтропия — величина противоположная энтропии; первая озна­ чает накопление полезной энергии в системе, вторая — рас­ сеивание.

Почва — биокосное тело и поэтому ей присущи как фи­ зические, так и биологические закономерности. Почва на­ капливает негэнтропию в виде энергии Солнца с помощью механизма гумусообразования. Чем больше в почве органи­ ческого вещества, тем больше работоспособной энергии на­ ходится в ней, тем больший урожай можно получить. Мине­ рализация гумуса — это энтропийный процесс. Если рас­

137

сматривать процесс засоления почв как физический, то можно четко постулировать: чем меньше энтропия системы «почва — грунтовая вода», тем меньше легкорастворимых солей находится в этой системе. При максимальной энтро­ пии (застойные грунтовые воды) можно ожидать появление солончаков.

При рассмотрении в § 2 данной главы работы, которую совершает поток грунтовых вод, можно заметить, что этот процесс означает рост или прибыль энтропии системы «поч­ в а — грунтовая вода» на данном участке. Чем больше при­ быль энтропии, тем лучшим будет ландшафт с точки зрения его мелиорации. Но прибыль энтропии на одном участке приводит к увеличению ее на более низком участке, так как поток уже отдал более верхнему участку какую-то долю энергии. Энтропия системы «почва — грунтовая вода» не­ прерывно возрастает по мере движения от горных областей к равнинным. Дренаж на орошаемых землях повышает негэнтропию ландшафта, увеличивает прилив энтропии. Одна­ ко, сбрасывая соленые воды, дренаж повышает энтропию соседних участков, которые аккумулируют сбросные воды. Отсюда можно сделать парадоксальный вывод для мелио­ рации, который тем не менее четко согласуется и вытекает из первого и второго законов термодинамики. Вывод можно сформулировать следующим образом: «Нельзя что-то улуч­ шить, чтобы что-то не испортить». Что и наблюдается очень часто при орошении. Мелиоративные мероприятия в верх­ них и средних частях долин по рассолению почв ведут, как правило, к увеличению минерализации воды в реке и ухуд­ шению мелиоративного состояния земель в низовьях. При малых КЗИ рассоления почв на малодренированных терри­ ториях можно добиться путем выдавливания оросительны­ ми водами солей на соседние территории. С указанным па­ радоксальным выводом следует считаться и необходимо свыкнуться с мыслью о том, что всего улучшить нельзя. Необходимо ставить вопрос о сведении к минимуму тех мест ландшафта, которые «обречены на ухудшение».

Использование понятий энтропии и негэнтропии, оче­ видно, может быть применено при разработке энергетиче­ ского метода расчета дренажа. Однако вопрос этот чрезвы­ чайно сложный и требует больших специальных исследова­ ний. В данном параграфе приведена только постановка про­ блемы, однако и это необходимо. В своей книге «Развитие и приложения понятия энтропии» П. Шамбадаль пишет «ге­ незис жизни может относиться к проблемам, которые нам каж утся неразрешимыми лишь потому, что они плохо по­ ставлены».

138

Г Л А В А V

ИНФОРМАЦИОННО-СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАСОЛЕННОСТИ ПОЧВ

Неоднородность — один из самых существенных призна­ ков почв. Она проявляется как по площади, так и по глуби­ не, а так же по времени. Наличие неоднородности вызывает значительные трудности при определении параметров почв (эффективных коэффициентов диффузии, коэффициента растворения или кристаллизации солей, скорости движения почвенных растворов и т. д.). При наблюдении за динами­ кой солей в почве без учета неоднородностей можно прийти к неправильному выводу о направленности процесса засоле­ ния — рассоления. Например, сравнив показатели о содер­ жании солей в данной почве в разные промежутки времени

иубедившись, что в некоторый момент времени солей стало больше, исследователь может сделать неверный вывод о направленности процесса миграции солей в сторону засоле­ ния. В действительности это кажущееся увеличение солесодержания может произойти не за счет изменения процесса,

аза счет неоднородности пространственного размещения солей в почве. Вся беда почвоведа-экспериментатора состоит в том, что он не может измерять количество соли в одной

итой же точке почвы, и свои исследования он проводит на какой-то площадке, которая уже по своему составу неодно­ родна, несмотря на свою «типичность».

Вопросы количественной оценки неоднородности изуча­

ются статистикой и теорией информации. К ак статистика, так и теория информации имеют дело с разнообразием эле­ ментов некоторой совокупности, но их подход к задачам совершенно различен. Статистика рассматривает разнообра­ зие как зло и пытается выяснить, что же все-таки можно утверждать или сделать, несмотря на разнообразие. Теория информации рассматривает разнообразие как положитель­ ное явление, без которого такие операции, как отбор, связь, представление, спецификация были бы невозможны. Эта

140

теория стремится выяснить, чего можно достичь благодаря некоторой степени разнообразия.

Мелиорацию интересует как первый, так и второй ас­ пекты разнообразия, т. е. как его полезность (теория ин­ формации), так и вредность (статистика).

В этой главе коротко перечислены вопросы, которые не­ обходимо решить по количественной оценке засоленности почв по данным экспериментальных исследований, прове­ денных по инициативе В. М. Боровского по вероятностной оценке засоленности почв юга Казахстана. Для решения вопросов о типе распределения, о необходимой повторности образцов для получения заданной достоверности и т. д. бы­ ло отобрано и проанализировано более 5000 почвенных проб. Однако ниже приводятся в основном логические выво­ ды, полученные в результате обработки экспериментального материала. Сделано это для того, чтобы не нарушать общей теоретической направленности данной монографии.

§ 1. Неоднородность почв по засолению

Наличие неоднородности по засолению связано с измен­ чивостью условий почвообразования. Влияние всех природ­ ных факторов на засоление почв специально не изучалось. Эти факторы или компоненты почвенной неоднородности можно разделить на внутренние и внешние.

1.Основные внутренние факторы (статические): механи­ ческий состав почвы, объемный и удельный вес, кинетиче­ ская удельная поверхность почвы, полная удельная поверх­ ность почвы, статическая удельная поверхность, коэффици­ ент фильтрации почвы, полная влагоемкость, полевая влагоемкость почвы, влажность замедленного роста растений, влажность устойчивого завядания растений, максимальная гигроскопичность.

2.Основные внутренние динамические факторы: влаж­ ность почвы, содержание солей в водной вытяжке почвы,

концентрация почвенных растворов, уровень грунтовых вод и их минерализация, скорость движения грунтовых вод, температура почвы и грунтовых вод, поглощенные основа­ ния, микроагрегированность почвы, pH почвенного раство­ ра и грунтовых вод.

3. Основные внешние динамические факторы: режим осадков (и поливов), температура воздуха в приземном слое и на уровне, соответствующем высоте травостоя, температу­ ра воздуха метеорологическая, скорость ветра в приземном слое и на уровне, соответствующем высоте травостоя, ско­ рость ветра метеорологическая, влажность воздуха в при­

141