Математизация почвоведения
Необходимость математизации осознавалась уже при рождении почвоведения. В середине 80‐х годов позапрошлого века основатель почвоведения В.В. Докучаев, понимая всю сложность проблемы формализованного количественного описания почв, верил, что все трудности со временем будут преодолены и почвоведение станет «истинно строгой наукой». Об этом свидетельствует выдержка из его работы «Главные моменты в истории оценок земель Европейской России, с классификацией русских почв», опубликованной в 1886 году в «Материалах к оценке земель Нижегородской губернии».
Идеи В.В. Докучаева получили дальнейшее развитие в работах Ганса Йенни. В 1941 вышла его книга «Factors of Soil Formation. A System of Quantitative Pedology», которая получила мировую известность. В этой работе он писал: «Докучаев выразил пророческий взгляд на наиболее фундаментальные проблемы теоретического почвоведения, а именно на количественное решение уравнения почва – почвообразующие факторы». Йенни отмечал, что со времен В.В. Докучаева почвоведение накопило огромную информацию о почвах мира и сосредоточило основные усилия по агрегированию и представлению этой информации на разработке почвенных классификаций. Он указывал на то, что классификация не единственный путь систематизировать факты. Данные могут быть организованы в виде законов и теорий, и следует направить усилия в этом направлении обработки информации, успехи которого демонстрируют физика, химия и отдельные разделы биологии, где установлены законы и развита количественная теория.
В развитии любой научной дисциплины выделяют три этапа: описательный (инвентаризационный), концептуально‐теоретический (при котором происходит выдвижение всякого рода представлений о структуре и характере функционирования исследуемых систем) и этап математизации этих представлений (т.е. их формализация на наиболее точном и строгом языке математики) (Розенберг, 2013).
Один из возможных ответов на вопрос о том, что же даст математизация почвоведения, приводится в вышедшей в 2007 году книге А.И. Морозова «О почве и почвоведении (взгляд со стороны)», в которой обсуждается современное состояние и перспективы развития почвоведения. По мнению автора в результате формализации будет осуществлено всеобъемлющее интегрирование накопленного огромного экспериментального материала и сведение его в небольшое число систем уравнений. Формализация позволит дать не только качественную (как это делается в основном сейчас), но и количественную картину почвообразования. Благодаря этому удастся снять множество спорных вопросов о генезисе почв.
Эффективным средством изучения почв, а точнее, их моделей станут компьютеры. Основной целью исследования станет выявление базовых законов почвообразования. Все это создаст новую основу, в частности, для классификации почв и анализа смежных систем, подобно тому, как молекулярная биология создала новую базу для систематики организмов. Формализация будет способствовать взаимодействию почвоведения с такими фундаментальными науками как физика, химия, биология на универсальном языке математики. В результате формализации почвоведение станет строгой дисциплиной с надежной предсказательной способностью, способной отвечать на сложные вопросы сельского хозяйства и экологии XXI века. Понимание необходимости перехода почвоведения на этап математизации четко сформулировал В.А. Ковда: «Моделирование является методологией науки, достигшей определенной стадии зрелости, в этом смысле почвоведение не представляет собой исключения. Моделирование процессов, связанных с функционированием объекта этой науки – почвы, очевидно, не может быть самостоятельной отраслью почвоведения и не может существовать без опоры на конкретные полевые и лабораторные экспериментальные почвенные исследования. Вместе с тем, начиная с некоторого этапа, простой сбор экспериментального материала без надлежащего его планирования и обработки с помощью хотя бы концептуальной модели, а на более высоком уровне – математической модели, становится малоэффективным, если не сказать бессмысленным» (Моделирование почвенных процессов и автоматизация их исследований, 1976).
В современном почвоведении для решения, как теоретических, так и практических вопросов широко используется множество математических моделей, которые значительно различаются
по используемым подходам и степени сложности. Прежде чем переходить к их обсуждению, познакомимся с необходимыми в дальнейшем основными понятиями.