Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

(в насыщенной почве это единственная действующая сила), а тепло всегда распространяется от теплых к холодным телам. Интенсивность этих потоков прямо пропорциональна разнице действующих сил (высот, температур) и определяется еще коэффициентом пропорциональности(коэффициентом фильтрации,коэффициентом теплопроводности). Коэффициенты пропорциональности являются важными характеристиками природного тела, отражающими все его особенности: особенности сложения, извилистости порового пространства и множество других.

Эти два закона непоколебимы, они являются основными для любых расчетов. И в процессе познания сути почвенных процессов, их количественных расчетов и прогнозов именно эти два закона всегда лежат в фундаменте всех физических построений.

2. Принципы изучения почвы как природного естественно-исторического тела

При изучении почвы мы всегда должны помнить о некоторых общих естественно-научных принципах исследования природы.

1. Принцип масштабности. Все природные явления систематизированыпошкалеразмера,масштаба.Еслипотакойсистемепредставить почву, почвенный покров, каждый уровень (масштаб) обозначаявследзаХусбеекомиБриантом(Hoosbeek,Bryant,1992)буквой i соответствующий уровень, то получится следующая картина:

Этот принцип, который А.Д.Воронин назвал принципом иерархичности исследования почвы, имеет очень важное следствие: если мы работаем на определенном, скажем i-м уровне, то выводы по своей работе мы должны делать только для этого уровня. Для того чтобы перейти на следующий, более высокий уровень, требуется новое знание. На более высоком уровне действуют все законы нижележащих масштабных уровней, но появляются и дополнительные, которые могут стать доминантными для функционирования явления на этом уровне.

2.Принцип взаимосвязи структуры и функций. Это также об-

щий принцип устройства природы. Он особенно ярко проявляется в эволюционной биологии: каждый орган имеет форму, оптимальную для выполнения предназначенной функции. И в почвоведении, и в физике почв мы постоянно будем сталкиваться с этим принципом. Например,такиеструктурные отдельности,какгранулометрические элементы (уровень i–3), выполняют функцию сорбции /десорбции / обмена ионов и молекулярных соединений. А вот почвенные агрегаты, формирующиеся из гранулометрических элементов (уровень i–2), уже имеют поровое пространство и могут выполнять функции запасания объемов воды, питательных веществ, микроорганизмов, т.е. функцию «хранилища» запасов различных веществ.

3.Принцип пространственной неоднородности физических свойств и процессов. Этот принцип надо постоянно иметь в виду, еслиизучатьпочвунаразличныхиерархическихуровнях.Всегдапочвенные свойства различаются как по вертикали (почвенные горизонты, слои), так и по горизонтали. Причины неоднородности могут быть различны: это и исходная неоднородность материнских пород, неоднородность воздействия на поверхность почв (в том числе антропогенных)имногиедругие.Поэтомуизакономерностипочвенной неоднородности могут быть весьма различны. Впрочем, проблема исследования закономерностей пространственного распределения свойствирежимовпочв,илипроблемаструктурыпочвенногопокрова, только начинает изучаться. Однако этот принцип всегда следует помнить при изучении реальной почвы, так как изменение свойств почв в пространстве это один из способов жизни почвенного покрова, одно из главных условий его стабильности, устойчивости,

атакже биоразнообразия.

4.Принцип взаимосвязи почвенных физических свойств и про-

цессов. Этот принцип гласит: в почве нет ни одного свойства, котороеможнобылобысчитатьабсолютнонезависимымотдругихиединственно определяющим почвенные процессы. Все свойства зависят

друг от друга и взаимосвязаны. Обычно выделяют так называемые фундаментальные,илибазовые,свойстваввидегранулометрического,минералогическогосоставов,содержанияорганическоговещества, плотности почвы и твердой фазы почвы. Однако хотя эти свойства действительно во многом определяют другие свойства и процессы в почвах, все же и они существенно зависят друг от друга и от других свойств. Так,свойства почвы будутопределяться минералогическим составом,однаконе вменьшеймереи составомпоглощенныхкатионов. Гранулометрический состав определяющее физическое свойство,однакоеговлияниезависитиоттого,какиевторичные минералы входят в состав глинистой части, какие органические вещества представлены в той или иной его фракции. Поэтому при изучении разнообразныхсвойствпочвипочвеннойвлагимыбудемрассматривать первоначально их зависимость от свойств дисперсности и характеристик поверхности твердой фазы.

3. Почва как физическое тело. Предмет физики почв

В современном почвоведении принято следующее определение: почва это обладающая плодородием сложная полифункциональнаяиполикомпонентнаяоткрытая многофазнаяструктурнаясистема в поверхностном слое коры выветривания горных пород, являющаяся функцией горной породы, организмов, климата, рельефа и времени («Почвоведение». Ч. I /Под ред. В.А.Ковды и Б.Г.Розанова.1988).Этоопределениенесетвсебепреждевсегоинформацию об эволюциипочви ее организации. В меньшей меревнем выражен аспектпочвыкакфизическоготела,внутрикоторогопроисходятпроцессы переноса веществ и энергии, процессы сорбции /десорбции и др.Афизикипочвобращаютвниманиепреждевсегонаэтифизические аспекты. Поэтому, с их точки зрения, почва это гетерогенная многофазнаядисперснаясистемасопределеннымиусловияминаграницах (верхней и нижней), обладающая свойствами аккумулировать ивыделять,проводитьитрансформироватьвеществаиэнергию.Эти процессы лежат в основе осуществления почвой ее основных функций в биосфере. Это прежде всего (Добровольский, Никитин, 1990): 1) основа биологической продуктивности, 2) качество окружающей среды,преждевсеговотношенииздоровьярастенийиживотных(человека) и о чем, к сожалению, нечасто упоминают, 3) сохранение и поддержание биоразнообразия (вспомните принцип «неоднородности почвенных свойств и процессов). Качество же почв нередко опре-

деляют как «способность почвы осуществлять ее функции» (Karlen et al,1997). Следуя этимопределениям, физика почв наука, изучающая физические основы осуществления почвами их функций.

Задача данной книги ознакомить читателей с современными представлениями о почве, ее состоянии и структуре, об основных процессах, протекающих в почве, как о явлениях физических. Это необходимо,соднойстороны,длятого,чтобывсестороннепонимать происходящие в почве процессы; действительно, как указывал М.В. Ломоносов, «химик без знания физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом. И еще две науки так соединены между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут». С другой же стороны, знание физики процессов является необходимым моментом для построения физически обоснованных математическихмоделей различногомасштаба ииспользования. Поэтомуфизикапочвоказываетсявцентреприрассмотрениипочвенныхпроблем, генезиса, движения и состояния веществ в почве и на ее границах, т.е. для решения биосферных экологических проблем.

Всвязисэтим,полагаю,чточтениеэтойкнигибудетполезноне только почвоведам, но и экологам, географам, геологам, работникам сельского и лесного хозяйств; надеюсь, что и многим другим, изучающим Природу.

Рис. I.1. Схема, поясняющая обозначения трех основных фаз почвы (а) и составляющих ее агрегатов (б)

2. Плотность твердой фазы, почвы, агрегатов

Если обозначить весь рассмотренный объем почвы через Vt , объемы твердой, жидкой и газообразной фаз через Vs, Vw и Vair , а массысоответствующихфазчерезms, mw иmair (котораяблизкакнулю и в дальнейшем не рассматривается), то можно получить основные характеристикипочвы.Вчастности,отношениемассытвердойфазы почвы (минеральные, органические и другие твердофазные части-

цы) к ее объему это плотность твердой фазы почвы s :

плотность твердой фазы почвы, г/см3.

Если соотнести массу твердой фазы почв к общему объему, то получим величину плотности почвы b массу единицы объема почвы в ее естественном, ненарушенном состоянии:

Плотностьпочвы одноизосновных,фундаментальныхсвойств почвы. Без знания этой величины невозможны никакие расчеты, никакая количественная оценка почв. Поэтому данные по плотности и