Формы в мире почв

Если пробурить скважину или выкопать разрез (яму, шурф) и особенно траншею в любой точке Земли, то в пределах верхнего метра можно увидеть, как сверху вниз по мере осветления почвы обособляются горизонты: А — перегнойно-аккумулятивный, или гумусовый, В — переходный, С — почвообразующая горная порода, измененная выветриванием, D — горная порода, не затронутая разрушением (рис. 4).

Впервые эти горизонты выделил выдающийся русский почвовед В. В. Докучаев. Более ста лет ученые и практики всего мира пользуются его стратификацией почвенных толщ. И мало кто задумывается над тем, что горизонты профиля почв — абстракция. Все разнообразие конкретных свойств почв: их механический состав (пески, глины, суглинки), цвет (черный, желтый, серый), содержание солей он свел к трем геометрическим элементарным образам — горизонтам А, В и С, к единой целостной структуре — модели почвенного профиля. Такая абстракция привела к прогрессивному формализованному знанию о почве — почвоведению.

Рис. 4. Способы полевого изучения профиля почв

I — бурение, II — шурфование, III — траншейный метод

Формализованное представление о почве развивается в наши дни путем более глубокого изучения понятий о многомерной почвенной модели, о геометрическом почвенном пространстве, о почвенном теле на основе имеющихся конкретных описаний. На почву уже смотрят не только как на реальное тело, но и как на упрощенный идеализированный образ. Такой геометрический подход, заложенный в основание почвоведения Докучаевым, пронизывает, хотя и не явно, все современные исследования. История почвоведения — это смена одних геометрических почвенных моделей другими. И каждая такая смена — революционное научное событие, заметно меняющее мировоззрение ученых, практиков. Прошлое, настоящее и будущее почвоведения отражают понятия: точка — линия — плоскость — объем., Эти геометрические термины связаны с размерностью, т. е. с числом возможных измерений почвенного пространства. Как известно, точка имеет нулевую размерность, линия — размерность 1, плоскость — 2, объем — 3. Мы часто начинаем дискуссию о почве, не определив размерность ее образа (модели), что приводит к взаимонепониманию.

Знакомство с размерностью является подготовкой к использованию геометрического принципа научного рассуждения в почвоведении. Оно начинается с вопроса о том, какова размерность изучаемой почвенной системы. Ведь почвенные профили, ареалы и их расположение на плоскости могут быть нульмерными, одномерными, двумерными…., п-мерными.

Геометризация науки, в частности решение проблемы почвенного пространства, занимает умы многих ученых. Совершенствование способов картографирования — это углубленное понимание основ геометрии от нульмерных до n-мерных пространств.

НУЛЬМЕРНАЯ (ТОЧЕЧНАЯ) МОДЕЛЬ

В прошлом земледельцы различали почвы по единичному признаку, противопоставляя жирные (богатые) — тощим (бедным), засоленные — незасоленным, песчаные — глинистым, степные — лесным. В некоторых экономически слаборазвитых странах подобное представление бытует и сейчас. Земледелец извлекает лопатой из ямки почву, чтобы сделать недостаточно обоснованное, но устраивающее его суждение о судьбе будущего урожая. Восприятие образа почвы как изолированной горсти земли соответствует понятию нульмерной модели (рис. 5, а). Дифференциацию почвенной толщи на горизонты при нульмерном подходе не замечают или не придают ей значения. При таком понимании почва — однообразный нанос или однородная выветрелая часть горной породы.

ОДНОМЕРНАЯ (ЛИНЕЙНАЯ) МОДЕЛЬ

Важным шагом к углубленному пониманию природы почв был переход от нульмерной почвенной модели к одномерной. В. В. Докучаев совершил этот переход, проведя вертикальную линию от дневной поверхности до подстилающей горной породы (рис. 5, б) и разделив ее на три неравных отрезка: А, В и С, каждый из которых соответствовал почвенному горизонту. Вместе они образовали единое целое — профиль почвы.

Рис. 5. Размерности профиля почв

а — нульмерная, б — одномерная, в — двумерная, г — трехмерная (искусственное тело)

Особое внимание Докучаев уделял проблеме соотношения почвы (горизонта А) и подпочвы (горизонта ВС). Он установил закон, согласно которому отношение почвы и подпочвы есть устойчивая величина, т. е. свойства этих горизонтов находятся в структурной взаимосвязи, которую можно выразить постоянным коэффициентом, константой. Этот закон, как и другие, характеризуют Докучаева как структуралиста, а его научный подход к изучению почв — как структурный. Во всех почвах и почвенных явлениях он старался увидеть прежде всего структурные связи, отношения.

Для Докучаева отношение — не просто частное от деления одной величины на другую, а структурная связь частей единого целого. Только такое отношение выявляет совокупность устойчивых связей почвы, обеспечивающих ее целостность и тождественность самой себе, т. е. инвариантность. Это означает, что любые преобразования горизонтов приведут к соответствующему изменению структуры почвенного профиля.

Таким образом, в одномерной модели Докучаева следует искать структурные связи между почвой, подпочвой и почвенным профилем, объединяющим почву и подпочву в единое целое — систему. Еще Платон писал: «…но невозможно сочетать две вещи без наличия третьей: между ними необходим связующий элемент. Нет лучше связи, чем та, которая образует из самой себя и связуемых ею вещей одно и неделимое целое. И такова природа пропорций».

В век научно-технической революции трудно по справедливости оценить работу Докучаева, выполненную с помощью двух инструментов — лопаты и мерной ленты. Если сказать, что его шаг в науке был революционным, с этим не согласится геолог — представитель науки, созданной несколько сот лет назад: невозможно установить, кто и когда впервые нарисовал геологический профиль. Реакция физика и математика вообще непредсказуема.

Однако жизнь надо воспринимать такой, какая она есть. И не стоит удивляться гигантской пропасти между почвоведением и, например, физикой. Это мы с вами допустили, что хлеб наш насущный связан с отраслью знаний, где колесо выдумано всего лишь 100 лет назад. И вот за исторически короткий срок крестьянин с сохой оказался перенесенным через тысячелетия в мир современной агротехники. Из «шокового состояния» земледельца вывела новая наука — почвоведение, послужившая мостом между прошлым, настоящим и будущим.

Первое научное заключение в почвоведении было высказано не так давно — 100 лет назад. Значит, сегодня быстрее нужно двигаться вперед, причем не трусцой, а бегом и на очень длинную дистанцию, в начале которой находится одномерный почвенный профиль Докучаева, а впереди — ультрасовременные теории симметрии, комбинаторики, топологии, системный подход, раскрывающие многообразие почвенных пространств и их свойств.

Здесь уместно привести высказывания Докучаева (1899), так оценившего основную черту развитии естественных наук на рубеже XIX и XX вв.: «Изучались главным образом отдельные тела… но не их соотношения, не… генетическая, вековечная и всегда закономерная связь». Под отдельными телами можно понимать нульмерную модель, а под соотношениями — закономерные связи, порождающие модели более высокого, порядка.

В изучении соотношений между природными объектами одномерная модель Докучаева сыграла огромную роль. Сегодня она приобрела количественные характеристики и новое качественное звучание. Так, недавно получено численное выражение закона 0 постоянстве соотношений (связей) между почвой и подпочвой. Оказалось, что для всех нормально развитых типов почв Земли отношение мощностей почвы (горизонта А) к подпочве (горизонту ВС) равно постоянной величине, а именно 1,618… Эта фундаментальная величина — золотое сечение — характеризует высокую степень упорядоченности почвенных профилей (Степанов, 1983 а). Устойчивое отношение мощностей почв в результате эволюции направленно изменяется.