Страница 6 из 41
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.
Инвариантность. В свою очередь симметрия связана с инвариантностью, т. е. с сохранением каких-либо признаков почв (не обязательно геометрических) по отношению к каким-либо преобразованиям, движениям. Преобразования сохраняют неизменными определенные признаки: вещественные, например весовое тождество запасов гумуса в почвах, или геометрические, например, формы и размеры агрегатов, горизонтов, профилей, ареалов. Эти признаки рассматриваются в качестве устойчивых (инвариантных) относительно движений: поворотов, отражений, вращений. Инвариантность существует не вообще, а лишь по отношению к определенным преобразованиям. Последние нужны для того, чтобы выяснить, что же при этом сохраняется постоянным.
Инвариантность — очень важное научное понятие, которое многие почвоведы интуитивно применяют, работая в экспедициях. Так, при полевом описании разрезов устанавливаются наиболее устойчивые признаки, присутствующие в той или иной группе почв, путем мысленных преобразований — наложения одного профиля на другой. При этом выявляется равенство или неравенство почвенных профилей как по мощностям горизонтов, так и по их свойствам. Таким же способом при помощи инвариантов сравниваются формы ареалов. Высшим классом исследований является поиск топологических инвариантов. По глубокому убеждению М. Борна (1963), «наука — это не что иное, как попытка конструировать инварианты там, где они не очевидны», «идея инвариантов является ключом к рациональному понятию реальности».
Система координат. Определение степени структурной неоднородности почв — одна из важнейших задач почвоведения. Она решается по-разному. Лучше это делать, используя систему координат (декартовую и полярную), с помощью которой можно определить положение материальных точек в почвенном пространстве. Однако для этого существующие почвенные карты не пригодны. Лишь по картам пластики рельефа система координат позволяет установить иерархию почвенных тел: начало координат, середину, нижние части.
Система отсчетов необходима для проведения замеров почвенных тел и систем. Измерения проводятся внутри системы или относительно ее. До недавнего времени почвенные тела описывали и измеряли «изнутри». Поэтому трудно было увидеть почвенную систему в целом. Взгляд вырывал из системы лишь отдельные, часто случайные фрагменты. Такое положение дел отразилось на теории почвообразования.
С появлением аэрокосмических методов исследования, а также нового метода картографирования (пластики) по топографическим картам стало возможным не только видеть целостность почвенных систем, но и замерить их элементы и тем самым обнаружить степень структурной неоднородности. Возникла потребность установить закономерные структурные связи между различными почвенными явлениями.
Системный подход как средство описания, анализа и синтеза природных явлений известен давно. Истоки систематики явлений и объектов можно найти у Лейбница в его идее универсальной символики. В 1817 г. Гегель писал, что философствование без системы не может иметь в себе ничего научного; всякое содержание получает оправдание лишь как момент целого.
Системный подход позволяет увидеть за многообразием конкретных явлений главное — «принципиальную схему». Е. С. Федоров (1915) полагал, что принцип наименьшего действия Ле Шателье в физической химии является универсальным. Многие ученые, опираясь на этот принцип, искали связи между всевозможными Явлениями природы. Так, почвоведами установлено, что морфологически выраженная почвенная мозаика профилей и ареалов меняется, подчиняясь принципу наименьшего действия, таким образом, чтобы свести к минимуму внешние нарушения, сохранить устойчивость и упорядоченность своих структур. Это удается сделать путем создания тождественных элементарных форм-штампов: блоков, ячеек, мозаик, паттернов и конечного числа правил их матричного размещения в пространстве.
Системно мыслить — это выработать технологию изучения почв и почвенных ареалов как систем. При этом почвенные профили и ареалы рассматриваются в непрерывной связи как единое целое. Например, сочетание почвенных горизонтов А, В и С можно признать системой, т. е. профилем, тогда, когда численно будет доказано, что эти горизонты действительно образуют единое целое, обладающее структурной связью. Последняя описывается определенным видом симметрии — трансляционным. Если же горизонты представляют собой изолированные, не связанные друг с другом слои, то здесь нет системы, а значит, нет и почвенного профиля.