2.9. Передача входных воздействий и типовые звенья систем

Любая информация в системе (в том числе в почвах и экосистемах) передается по элементам системы через их связи в виде сигналов. Эти сигналы всегда представляют собой какое-либо проявление движения вещества или энергии. Типичный пример – это распространение влаги в почве после дождя. Вначале насыщается верхний горизонт почвы, затем избыток влаги (то есть выходной сигнал верхнего горизонта) перетекает в нижний горизонт. Следовательно, мы можем сказать, что выход горизонта А стал входом горизонта В.

Таким образом, сигналы характеризуются направленностью действия: в системе, состоящей из элементов (звеньев), каждый элемент является датчиком сигнала по отношению к последующему элементу (звену), который, в свою очередь, служит приемником сигнала. Передача сигнала (воздействия) через звенья осуществляется почти всегда в одном направлении: входной параметр звена всегда является причиной изменения состояния, а выходной – его следствием.

Датчики и приемники сигналов, составляющие систему (например, горизонты почвы), образуют каналы связи, как это было показано выше. Таким образом, сигналы передают информацию по цепи связей системы – каналам связи (Кафаров, 1985).

Многие природные системы состоят из большого количества элементов (звеньев), что значительно затрудняет построение их моделей. Однако по способу функционирования и по виду так называемых функций отклика многие из них можно свести в нескольким типовым звеньям. Функция отклика – это графическое или аналитическое отображение изменения выходного сигнала звена (или всего вектора выходов) при изменении его входного сигнала (или всего вектора входов). Так, любая экосистема при более детальном рассмотрении состоит из нескольких типовых звеньев – систем более низкого иерархического уровня (подсистем).

На макроуровне этими подсистемами будут, естественно, почвы, биота, приземный слой воздуха и подстилающие породы, которые сочленены в соответствии с выполнением целевой функции экосистемы. Для выявления устойчивости экосистемы нас будет в первую очередь интересовать, как проходит внешнее воздействие (сигнал) через всю систему и её отдельные звенья. То же самое относится и к почвам. Они состоят из элементов (звеньев) – почвенных горизонтов. Целевая же функция почвы – это равновесие с экосистемой почвенного покрова, в состав которого она входит как часть.

Характер прохождения сигнала через элемент системы во многом отражает его свойства и способ функционирования. Для количественной оценки того или иного реального звена (например, горизонта почвы) и получения его математической модели характер прохождения сигнала в этом звене сравнивают с характером его прохождения в стандартных типовых звеньях. В зависимости от характера изменения сигнала на входе в элемент меняется и характер сигнала на его выходе, то есть меняется вид функции отклика.

Обычно при определении математической модели элемента системы сигнал подают тремя различными способами.

Ступенчатое возмущение.

В этом случае величину входного сигнала в звено или элемент системы (х) ступенчато меняют до нового значения и получают так называемую выходную кривую отклика, которая называется также F-кривой.

Например, датчик рН или ОВП (окислительно-восстановительного потенциала) на границе горизонтов А и В показывал нам определенные значения кислотности и ОВП при конкретной дозе удобрения или мелиоранта. Затем мы ступенчато внесли на поверхность горизонта А дополнительную их дозу и следим за показаниями датчика во времени до выхода его на новое установившееся значение. В результате получаем кривую отклика на влияние на горизонт А и его выход удобрения или мелиоранта.