С. Сейфуллин атындағы Қазақ агротехникалық университетінің
реклама
С. Сейфуллин атындағы Қазақ агротехникалық университетінің Ғылым Жаршысы // Вестник Науки Казахского агротехнического университета имени С. Сейфуллина. - 2012. – № 3(74). ЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ ПОЧВЕННОЙ СИСТЕМЫ Есхожин К.Д Аннотация В данной статье рассмотрена структурная организация почвы. Рассмотрены основные уровни строения почвы. Такой подход к изучению почвы позволяет понимать под ее структурой размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих элементов (отдельных частиц и агрегатов) и характер взаимосвязей их друг с другом. Они являются функциями структуры почвы. Исследования будут полными, если в качестве исходных объектов принимать не случайные части почвы, а их элементы. Проведен анализ и осуществлен логический подход к объяснению строения почвы. Их сложной взаимосвязи и взаимозависимости основных составляющих почвы, как объекта фундаментальных исследований. Ключевые слова: Логическая модель, структура, система, строение, эквивалент, логический круг. Почва характеризуется несколькими уровнями структурной организации: элементарным, агрегатным, горизонтным [1,2]. По А.П. Качинскому, структура почвы – совокупность агрегатов различной величины, формы, пористости, механической прочности и водопрочности [2]. Данное определение установлено с агрономической точки зрения и дает лишь объяснение внешней структуры почвы. Оно занимает определяющее положение в теории почвообработки и характеризуется физикомеханическими свойствами почвы. Однако размер, свойства, форма структурных отдельностей во многом обусловлены соотношением, составом и расположением почвенных частиц и агрегатов, т.е. внутренней структурой (строением). Чтобы иметь полное представление о почве, необходимо внешнее объяснение ее структуры дополнить внутренним строением. При этом появляется возможность изучать макропроцессы и макроявления почвы посредством раскрытия их микроструктуры и на их основе моделировать почвы. Такой подход к изучению почвы позволяет понимать под ее структурой размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих элементов (отдельных частиц и агрегатов) и характер взаимосвязей их друг с другом. В определении появляются новые свойства структуры почвы: характер поверхности элементов, их количественное соотношение и характер их взаимосвязей. Они являются функциями структуры почвы. Примером связей между структурой и функциями почвы является ее прочность (сопротивление внешним механическим воздействием на нее). Прочность связана со всеми элементами структуры и зависит от состава, размера, формы, характера почвенных частиц и агрегатов. Все это в конечном итоге отражается на природе их контактов, и, как следствие, на взаимодействие двух основных фаз: твердой и жидкой [4,5]. Структура твердой фазы имеет определяющее значение и оказывает влияние как на энергетику воды в почве, так и на ее физикомеханические свойства. Несмотря на то, что физика твердой и жидкой фаз почвы изучается давно, и достигнуты определенные успехи, еще недостаточно изучены их взаимодействия. На наш взгляд, именно этот аспект проблемы составляет концептуальную основу для развития теории разрушения почвы. С ней связаны с одной стороны, особенности и механизм организации твердой фазы почвы, а с другой основная термодинамическая характеристика почвенной влаги – зависимость между содержанием воды в почве и ее энергетическим состоянием. Термодинамический подход дает возможность не только теоретический обосновать с помощью моделирования механизма взаимодействия фаз почвы, но и оценить энергетические аспекты процесса разрушения почвы. Такой подход к развитию теории разрушения почвы стал возможным благодаря достижениям в области физики твердых фаз почвы, термодинамика почвенной влаги, физики поверхностных явлений, физико-химической механики дисперсных сред. Исследования будут полными, если в качестве исходных объектов принимать не случайные части почвы, а их элементы. Известно, что элементарный аспект целостного явления тесно связан с системным анализом. Это предполагает рассмотрение целого как множества упорядоченных и связанных между собой элементов, обладающих единством. Поэтому для создания теории, объясняющей свойства и функции целого, наряду с выделением элементов необходимо знать способ их внутренней организации, т.е., структуру строения целой системы. Исходя из принципа целостности, рассмотрим почвенную среду как фундаментальную систему множеств, а все остальное подмножество – элементы, связей и отношений между ними, входят в нее как простое множество. Используем сложившееся ныне представление о почве как объекте, состоящем из множеств всех подмножеств твердой, жидкой и газообразной фаз. При таком подходе возникает вопрос – равнозначны ли эти элементы (фазы) в образовании структуры почвы как системы. Почву, как систему, состоящую из трех фаз и их отношений, представим логической формулой: Т Ж Г О ПОЧВА , где Т, Ж, Г и О – твердая, жидкая, газообразная фазы почвы и их отношения; /\ - символ логической связки конъюнкцией. С точки зрения логики, вместо одной предметной переменной ПОЧВА удобно ввести логические переменные почвы. Переменные Т, Ж, Г, О определяют некоторую логическую функцию: f ( Т , Ж , Г , О ) ПОЧВА , которая в случае конъюнкцией может быть записана как пропозиционная связка: Т Ж Г О ПОЧВА . (2.1) Пересечение множеств в принципе образует почву саму как понятие, т.е. Т Ж Г О ПОЧВА . Это логическое выражение всегда истинно, т.е. является тавтологией, при этом, какое бы значение не принимали бы переменные составляющие. Исключая различные составляющие, запишем следующие логические формулы: Т почва , ( а ); Т Ж почва , ( б ); Т Г почва , ( в ); Т Г Ж почва , ( г ); Ж почва ; Г почва ; Г Ж почва ; (2.2) где - знак отрицания. Из формулы (2.2) следует, что представленная четырьмя составляющими (2.2а, 2.2б, 2.2в, 2.2г.) почва, как объект, определяется неоднозначно. Так, достаточно одной лишь твердой фазы (2.2а), чтобы считать почву целостным объектом. При таком подходе почву, состоящую только из твердой фазы, можно характеризовать как твердое тело. Если почва состоит из твердой и жидкой (2.2б) или твердой и газообразной (2.2.в) фаз, то ее можно рассматривать как пластическую или упругую среду. Наличие всех трех фаз (2.2г) дает возможность считать почву упругопластической средой. Таким образом, вследствие неоднозначности определения понятия «почва» в теории почвообработки существуют различные модели почвы. Рассмотрим, из каких же элементов должна состоять почвенная среда при условии однозначности определения «почва», как целостный объект. Будем исходить из реальной структуры почвы, т.е. дискретной среды. Элементами почвы являются частицы (Ч), контакты (К) между частицами, поры (П) – пространство между твердыми частицами, заполненные водой и газом, а также отношения (О) между этими элементами: Ч К П О ПОЧВА . (2.3) Используя правила исключения: ЧКП почва ; ЧК почва ; ПО почва ; ЧКО почва ; ЧП почва ; Ч почва ; ЧПО почва ; ЧО почва ; К почва ; КПО почва ; КП почва ; П почва ; О почва ; (2.4) Последовательность, куда входят четыре названных элемента почвы Ч, К, П, и О образуют логический круг: (Ч К) (К П) (Ч, К, ПО). Однако отношение эквивалетности между всеми четырьмя элементами, т.е. Ч ~ К ~ П ~ О, здесь не могут возникнуть, да и не могло возникнуть, так как ведь мы не утверждаем, что поры образуют контакты (П ~ K), или что отношения непосредственно образуют частицы (О ~Ч). Поэтому эквивалентность в данном случае проявляется в весьма своеобразной форме: (Ч К П О) ~ (Ч К П О), Что можно истолковать в случае операции эквивалентности как: одновременное появление всех трех элементов опор произойдет тогда и только тогда, когда возникает хотя бы одна из опор, и наоборот. Откуда следует, что нет других сочетаний рассматриваемых подмножеств элементов, которые представляли бы почву как целостный фундаментальный объект, кроме формулы (2.3). Отсутствие хотя бы одного из указанных элементов нарушает целостность системы, и среда перестает быть почвой. В самом деле, если тело нельзя разделить на частицы путем последовательного удаления их с поверхности, то это уже не почва, а сплошное твердое тело. Следовательно, применительно к почве частицы необходимы. Кроме того, если они не будут иметь контактов между собой, то не смогут образовывать почвенную среду и останутся лишь отдельными частицами. Последние не представляют собой совокупность упорядоченных частиц и не обладают свойствами почвы. Следующим необходимым элементом почвы служат поры. Частицы, соприкасаясь, друг с другом, заполняют некоторое пространство и обособляют часть пространства, находящегося между частицами, которое принято называть порами. Если такого пространства не будет, то рассматриваемая среда становится сплошной. Каждую из четырех элементов почвы при системном подходе следует рассматривать как подсистему в системе «почва», а не вне ее. Это положение проявляется при анализе контактов и пор: контакты между частицами вне системы не существуют, как и поры вне почвы. Положение и роль подсистемы частиц (Ч), контактов (К) и пор (П) в системе «почва» определяются их отношениями (О). Отношение «поры-частицы» в почве характеризуется пористостью (отношением объема пор к объему почвы) и коэффициентом пористости (отношение объема пор к объему твердой фазы частиц). Под отношение «контакты-частицы» понимают множество точек, которыми одна частица соприкасается с другим. Один контакт принадлежит одновременно двум частицам. Контакты между частицами образуются случайно в процессе формирования структуры почвы. Поэтому число контактов у частиц различно. Для частиц одинаковых размеров и форм будет не меньше двух и не больше шести в плоской задаче и двенадцати – в пространственной. Такая структура почвы характеризует число контактов, приходящихся на одну частицу, т.е. упаковкой частиц. Если в почвенной среде выбрать частицу и переходить от нее к другим частицам через контакты, то отношение «контакты-частицы» порождает отношение следования, определяя таким образом, характер строения почвенной системы. Список литературы 1. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М.: Наука, 1984. – 204с. 2. Куковский Е.Г. Особенности строения и физико-химических свойств глинистых минералов. Киев. «Наукова Думка», 1996. – 250с. 3. Качинский Н.А. Почва, ее свойства и жизнь. М.: Наука. 1975. – 296с. 4. Злочевская Р.И. Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах. М.: МГУ, 1988. – 278с. 5. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: МГУ, 1986. – 214с. Түйін Мақалада топырақты құрылымды ұйымдастыру мәселесі қарастырылып, топырақ құрылымының негізгі деңгейлері зерттелген. Топырақты зерттеудің мұндай жолы оның құрылымды өлшемі бойынша құрамдас элементтерінің (агрегаттар мен оның жеке бөліктерін) сандық қатынастарын, өлшемдерін, кескінін, жоғары қабаттарының сипаттарын және олардың бірбірімен өзара байланыстарын анықтауға жол береді. Сондай-ақ, топырақ құрылымы жіктеліп, олардың элементтері талданып, күрделі байланыстары анықталды.
