Складна кібернетична система 1989 Розанов Б
Складна кібернетична система
Грунт є дуже складною фізико-хіміко-біологічною системою. Ви хочете змінити лише одну якусь її властивість, наприклад ліквідувати перезволоження шляхом будівництва штучного дренажу, але при цьому змінюється вся система в цілому: її хімічні, фізичні та біологічні властивості. У кібернетичних системах, до яких належить і ґрунт, не можна змінити якусь одну властивість, не торкнувшись багатьох інших, бо всі вони пов'язані між собою прямими і зворотними зв'язками, всі впливають один на одного. Перш ніж застосувати якийсь агротехнічний чи меліоративний прийом, наприклад, внести мінеральні добрива чи організувати зрошення, потрібно дуже детально вивчити весь комплекс фізичних, хімічних та біологічних властивостей ґрунту, дати точний прогноз, якими будуть наслідки цього прийому.
Які ж властивості ґрунту особливо важливі для його родючості? Насамперед водно-фізичні, від яких залежить постачання рослин водою.
Вода в ґрунті може перебувати в різних формах, або, краще сказати, станах: пароподібному - водяна пара в ґрунтовому повітрі, що заповнює великі пори, яка видаляється з ґрунту при нагріванні; конституційно - молекули води, що входять до складу тих чи інших мінеральних або органічних речовин ґрунтової маси, ця вода не може бути видалена нагріванням з даних сполук без порушення їх складу; кристалізаційний - молекули води, що містяться в деяких кристалічних мінералах, як, наприклад, в гіпсі CaS04-2H20 або в лімоніті Fe203-nH20, які видаляються при сильному нагріванні беззміни хімічного складу мінералів; фізично пов'язане - шар молекул води, адсорбованих на поверхні твердих ґрунтових частинок. Фізично пов'язана вода не пересувається у ґрунті, і разом із кристалізаційною вона становить "мертвий" запас води в ґрунті, який у важких глинах може становити до половини загального водозапасу.
Вільна вода у ґрунті - це рідина, що пересувається по профілю вниз під дією сил гравітації або вгору під дією капілярних сил. У ґрунтах, які взимку промерзають на ту чи іншу глибину, рідка вода перетворюється на тверду, тобто на лід. Вільна вода - найважливіша складова частина ґрунту: вона формує ґрунтовий профіль, оскільки з водою вниз або вгору переміщаються розчинені в ній речовини. Саме цю воду споживають із ґрунту рослини та в'януть, коли у ґрунті її не вистачає.
Вода в ґрунт може надходити (див. рис. на с. 33) насамперед при випаданні опадів - дощу та снігу. Частина води, що випала на поверхню, стікає вниз по схилу, не потрапляючи в грунт і не поповнюючи його водозапас. Поверхневий стік – це ще й змив поверхневих горизонтів ґрунту, його ерозія.
Крім того, вода надходить у ґрунт із ґрунтових вод. Якщо ґрунтові води знаходяться близько до поверхні, наприклад, на глибині 0,5-1,0 м, то такий підйом зазвичай веде до заболочування ґрунту. Якщо ж ґрунтові води на глибині 2-3 м, то капілярно піднімається вода суттєво поповнює водозапас ґрунту, сприяючи розвитку рослинності. При глибині ґрунтових вод 10-15 м їхнє капілярне підняття не досягає ґрунту Висота капілярного підйому ґрунтових вод залежить від гранулометричного складу ґрунту: у пісках вони піднімаються на 40-50 см, а у важких глинах - на 3-5 м.
Відтік води з ґрунту теж відбувається двома шляхами: вгору – за рахуноквипаровування води з поверхні ґрунту, а також споживання та транспірації (випаровування) її рослинами; вниз - за рахунок просочування крізь товщу ґрунту в ґрунтові води і далі підземним стоком у річки.
Піщані ґрунти швидко пропускають воду крізь свою товщу і погано її утримують. Глинисті, навпаки, дуже погано фільтрують воду, зате міцно її утримують, мають велику вологоємність. Найбільш оптимальними властивостями володіють структурні, комкуваті суглинні грунти: вони добре фільтрують воду і багато накопичують її у своїх порах.
Дощова або снігова вода, що надходить у ґрунт, вже містить у собі якусь кількість розчинених речовин, захоплених з атмосферного повітря, а просочуючись крізь грунтову товщу, вона ще збагачується ними. Ґрунтова вода - це водний розчин якихось речовин, розведений чи концентрований залежно від вологості грунту.
Зазвичай розчинені у ґрунтовій воді речовини знаходяться у вигляді позитивно (катіони) або негативно (аніони) заряджених іонів, причому є іони як органічних, так і мінеральних сполук, зокрема простих солей: NaCl, Na2СОз, NaHC03, Ca(HC03)2, Na2S04 , CaSo4 і т. п. Як правило, концентрація цих солей невелика, але в засолених ґрунтах, особливо в солончаках, може досягати дуже великих величин, що робить ґрунт непридатним для життя рослин.
Важливе значення для життя рослин має концентрація у ґрунтовому розчині водневого катіону Н+; та гідроксильного аніону ВІН. Від їх співвідношення залежить кислотність або лужність ґрунту, що вимірюється величиною рН (негативний логарифм активності іона водню в розчині). При величині рН-7 грунт нейтральний, в її розчині однакова кількість іонів N+ та ОН-. Якщо рН менше 7, то ґрунт кислий, у його розчині переважаютьіони Н+; якщо рН більше 7, то грунт лужний, має в розчині надлишок гідроксильних іонів. Як сильнокислі, і сильнолужні грунти непридатні життя більшості рослин. Якщо грунт занадто кислий, його нейтралізують необхідною кількістю вапна (СаСОз або СаО); якщо ж ґрунт надто лужний, його нейтралізують внесенням кислих речовин.
Ґрунтовий розчин постійно обмінюється іонами із твердими частинками ґрунту. Одні іони активніше поглинаються частинками і міцно утримуються ними, інші - менш. У кінцевому результаті виникає рівноважний стан, всяке порушення якого надає руху весь цей хімічний механізм, викликаючи іноді несприятливі для рослин наслідки.
Допустимо, ви хочете підгодувати рослини азотом і внесете натрієву селітру NaN03. Що вийде? Рослини поглинуть іон N03-, а грунті з'явиться надлишок катіону Na+. Ґрунтовий розчин стане лужним і пригнічуватиме рослини. Натрій витіснить кальцій із твердих частинок і зробить їх нестійкими, зруйнує ґрунтові агрегати. Фізичні властивості грунту погіршаться, структурна комковата грунт перетвориться на суцільну аморфну масу.
Ще в давнину людям була відома здатність грунту поглинати речовини з розчину, що просочується через неї. 2000 років тому Лукрецій поетично описав опріснення морської води, що проходить через ґрунт. Нині це явище називається поглинальною здатністю ґрунту та досконало вивчене ґрунтознавцями. Процеси поглинання тих чи інших речовин ґрунтом із розчину ми навчилися описувати математичними рівняннями. З їх допомогою можна точно розрахувати поведінку солей у ґрунтах, їх пересування по ґрунтовому профілю, а значить, і керувати сольовим режимом ґрунтів.
Поглинальна здатність ґрунту, відповідні іонообмінні процеси дужеважливі для родючості. Від того, як міцно утримується той чи інший іон ґрунтом, залежить, чи зможуть його взяти із ґрунту рослини. У ґрунті, наприклад, може бути дуже багато фосфору, але рослини відчуватимуть його дефіцит, якщо він, скажімо, міцно утримується в комплексах із залізом чи кальцієм. Управління цими процесами - одне з найважливіших завдань землеробства та особливо меліорації ґрунтів. Вся хімізація землеробства, включаючи добрива та хімічні меліорації (вапнування, гіпсування та ін.), заснована на регулюванні поглинальної здатності ґрунтів, що протікають у них іонообмінних реакцій.
Найважливіша складова частина ґрунту, від якої залежить її родючість, - органічна речовина, або гумус. Потенційно найродючішими ґрунтами можуть вважатися чорноземи, гумусовий горизонт яких іноді перевищує 100 см і містить до 10-12% гумусу.
Гумус утворюється у ґрунті при розкладанні бактеріями та грибами мертвих органічних залишків, насамперед рослинних. Частина органічної речовини залишків мінералізується до простих сполук (СО2, H20, NH3, H2S і т. д.), що йдуть в атмосферу та гідросферу, а інша частина (20-40%) перетворюється на дуже складний ланцюг реакцій розкладання та синтезу в нові сполуки , що накопичуються в ґрунті. Гумус - це дуже складна суміш високополімерних азотовмісних органічних сполук з молекулярною масою близько десятків тисяч одиниць, як у білків або інших складних органічних речовин.
Головну масу гумусу складають темнозабарвлені гумусові кислоти, що мають високу реакційну здатність. Якщо гумусові кислоти насичені кальцієм або магнієм, вони випадають в осад, обволікаючи мінеральні частинки ґрунту та склеюючи їх у міцні агрегати, структурні окремості. Насичені катіоном натрію, гумусові кислоти стаютьрухливими, втрачають свою здатність, що клеїть, вимиваються з грунту. Якщо ж серед катіонів переважає водень, то вони агресивні, поводяться як справжні кислоти, руйнують ґрунтові мінерали.
Гумус у ґрунті, загальний запас якого на планеті становить зараз приблизно 1,5 1018 г, – це акумулятор сонячної енергії на поверхні Землі, від якого залежить чітке функціонування біосфери, що було показано дослідженнями радянських учених за останні 20-30 років. Енергетика ґрунтів, пов'язана з їх гумусом та його перетвореннями, - особливий розділ ґрунтознавства.
Без гумусу грунт мертвий, стає безплідним. Якщо ґрунт позбавити щорічного надходження рослинних залишків, що відмирають, мікроорганізми негайно перейдуть на харчування гумусом і швидко знищать весь його запас. Це, зокрема, одна з найбільших проблем сучасного землеробства.