книги из ГПНТБ / Количественные методы в мелиорации засоленных почв

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

Рис. 9. Схема прямых и обратных связей в почвенно-гидрогеологическом процессе.

поднимается по капиллярам и испаряется со скоростью q. Так как испаряется пресная вода, то концентрация солей у в капиллярах увеличивается. В результате возникает гра­ диент концентрации, который вызывает диффузионный по­ ток солей j D вниз, в грунтовые воды и способствует увели­ чению концентрации последних. Увеличение же концент­ рации грунтовых вод приводит к еще большему поступле­ нию солей за счет конвекции j k в почвенную толщу и увели­ чению у. Следовательно, здесь происходит нарастание про­ цесса засоления почв, характеризуемое положительной об­ ратной связью. Однако одновременно на процесс поступле­ ния солей в почвенную толщу оказывают влияние и отри­ цательные обратные связи между некоторыми факторами, препятствующими развитию данного процесса. Так, увели­ чение испарения приводит к понижению уровня грунтовых вод, а следовательно, уменьшается влажность почвы L Здесь явно прослеживается отрицательная обратная связь, препятствующая развитию процесса. При достижении уров­ ня грунтовых вод некоторой критической глубины До пре­ кращается поступление грунтовых вод в почву, влажность почвы падает, испарение практически прекращается. Увели­ чение скорости потока грунтовых вод приводит к большему «обмыванию» оснований капилляров, в результате градиент концентрации почвенного раствора возрастает и, следова­ тельно, возрастает нисходящий диффузионный поток солей, а засоление почвы падает. Здесь также существует обратная связь между и и у.

Отмечая наличие прямых и обратных связей в почве, мы вправе поставить вопрос о саморегулировании и рассматри­ вать почву как объект саморегулирования. Вполне возмож­ но, что почву следует отнести к еще неописанному классу саморегулируемых систем, которые в природе встречают­ ся не в единственном числе (Арманд, 1963). Но механизм саморегулирования таких систем скрыт и еще далеко не выяснен.

§ 4. Принципы автоматического управления водно-солевым режимом на орошаемых землях

Говоря об автоматическом управлении и регулировании водно-солевым режимом орошаемых земель, следует отме­ тить, что в настоящее время сельское хозяйство благодаря техническому прогрессу человечества вполне можно поста­ вить на промышленные рельсы, а это, несомненно, приведет к увеличению сельскохозяйственной продукции и повыше­ нию производительности труда.

98

Основная цель автоматизации состоит в том, чтобы ис­ ключить непосредственное участие человека в управлении теми или иными процессами. В данном случае регулирова­ ние водно-солевого режима орошаемых земель, которое сей­ час занимает большое количество людей, будет происходить без вмешательства человека. Но это не значит, что роль человека сводится к нулю. Наоборот, она становится еще более ответственной, так как человек должен будет управ­ лять сложной системой машин и автоматов. Обслуживание такой системы требует высокой квалификации и умения, но зато производительность такой системы несравненно выше, чем неавтоматизированной. Труд человека при авто­ матизации становится квалифицированнее и сложнее, но условия работы существенно улучшаются.

В данном параграфе приводятся основные принципы управления сложными системами, дается обобщение и при­ ложение этих принципов к автоматическому управлению водно-солевого режима на орошаемых землях.

Общая блок-схема автоматизированной системы управ­ ления тем или иным процессом приведена на рис. 10. Рас­ смотрим по блокам каждый элемент схемы.

Объект р егул и рова н и я . Объектом регулирования может быть печь, станок, раствор, почва и т. д. На объект регули­ рования действует возмущающее воздействие £. Оно может быть как одно, так и сумма каких-либо возмущений. На вы­ ходе объекта имеется какая-то регулируемая величина х (это может быть температура в печи, влажность в почве, скорость вращения вала двигателя и т. п.).

Измерительное устройство. Измерительное устройство или датчик служит для измерения регулируемой величины х на выходе объекта регулирования. Современная техника располагает громадным количеством разнообразных датчи­ ков, служащих для измерения любых величин. Поскольку большая часть датчиков предназначена для замера неэлект­ рических величин, а передача информации в большинстве случаев передается в виде электрических сигналов, то зада­ ча измерительного органа заключается не только в том, чтобы измерить данную величину, но и в том, чтобы преоб­ разовать ее в величину электрическую. Этой электрической величиной может быть любой параметр электрической цепи (сопротивление, амплитуда сигнала, частота и т. п.).

З а да ю щ ее устройство. Задающее устройство дает на вы­ ходе сигнал Хо, соответствующий значению регулируемой величины, которая должна быть на выходе объекта.

99

5

*'

Рис. 10. Общая блок-схема автоматизированной системы управления.