Сложна кибернетична система 1989 Розанов Б
Сложна кибернетична система
Почвата е много сложна физическа, химична и биологична система. Искате да промените само едно от свойствата му, например да премахнете преовлажняването чрез изграждане на изкуствен дренаж, но цялата система като цяло се променя: нейните химични, физични и биологични свойства. В кибернетичните системи, към които принадлежи и почвата, е невъзможно да се промени някое свойство, без да се засегнат много други, тъй като всички те са свързани помежду си чрез преки и обратни връзки, всички си влияят. Преди да се приложи какъвто и да е агротехнически или мелиоративен метод, например прилагане на минерални торове или организиране на напояване, е необходимо да се проучи много подробно целия комплекс от физични, химични и биологични свойства на почвата, за да се даде точна прогноза какви ще бъдат последствията от този метод.
Кои свойства на почвата са особено важни за нейното плодородие? На първо място водно-физични, от които зависи снабдяването на растенията с вода.
Водата в почвата може да бъде в различни форми, или, по-добре казано, състояния: парообразна - водна пара в почвения въздух, която запълва големи пори, която се отделя от почвата при нагряване; конституционни - водни молекули, които са част от определени минерални или органични вещества от почвената маса, тази вода не може да бъде отстранена чрез нагряване от тези съединения, без да се нарушава техният състав; кристализация - водни молекули, съдържащи се в някои кристални минерали, като гипс CaS04-2H20 или лимонит Fe203-nH20, които се отстраняват чрез силно нагряване безпромени в химичния състав на минералите; физически свързан - слой от водни молекули, адсорбиран върху повърхността на твърди почвени частици. Физически свързаната вода не се движи в почвата и заедно с кристализационната вода съставлява "мъртвия" воден резерв в почвата, който в тежките глини може да бъде до половината от общия воден запас.
Свободната вода в почвата е течност, която се движи надолу по профила под действието на гравитационните сили или нагоре под действието на капилярните сили. В почви, които през зимата замръзват до определена дълбочина, течната вода се превръща в твърда вода, т.е. в лед. Свободната вода е най-важният компонент на почвата: тя формира почвения профил, тъй като веществата, разтворени в нея, се движат надолу или нагоре с водата. Именно тази вода растенията консумират от почвата и изсъхват, когато тя липсва в почвата.
Водата може да навлезе в почвата (виж фигурата на стр. 33) предимно при валежи - дъжд и сняг. Част от водата, която е паднала на повърхността на почвата, се стича надолу по склона, без да попада в почвата и без да попълва запаса от вода. Повърхностният отток също е измиване на повърхностните хоризонти на почвата, нейната ерозия.
Освен това водата навлиза в почвата от подпочвените води. Ако подземните води са близо до повърхността, например на дълбочина 0,5-1,0 m, тогава такова покачване обикновено води до преовлажняване на почвата. Ако подземните води са на дълбочина 2-3 m, тогава капилярно издигащата се вода значително попълва водния резерв на почвата, допринасяйки за развитието на растителността. При дълбочина на подземните води 10–15 m капилярното им издигане не достига до почвата.
Изтичането на вода от почвата също става по два начина: нагоре - порадиизпаряване на водата от повърхността на почвата, както и нейното потребление и транспирация (изпарение) от растенията; надолу - поради просмукване през почвата в подпочвените води и по-нататък чрез подземен отток в реките.
Пясъчните почви бързо пропускат вода през дебелината си и я задържат лошо. Глината, напротив, филтрира водата много слабо, но я държи здраво и има висок капацитет на влага. Структурните, буци глинести почви имат най-оптималните свойства: те филтрират добре водата и натрупват много от нея в порите си.
Дъждовната или снежна вода, постъпваща в почвата, вече съдържа известно количество разтворени вещества, уловени от атмосферния въздух, и просмуквайки се през почвения слой, тя все още е обогатена с тях. Почвената вода винаги е воден разтвор на някакви вещества, разредени или концентрирани в зависимост от влажността на почвата.
Обикновено веществата, разтворени в почвената вода, са под формата на положително (катиони) или отрицателно (аниони) заредени йони и има йони както на органични, така и на минерални съединения, по-специално прости соли: NaCl, Na2CO3, NaHC03, Ca(HC03)2, Na2SO4, CaSo4 и др., подходящи за живота на растенията.
Концентрацията на водородния катион Н+ в почвения разтвор е важна за живота на растенията; и хидроксилния анион ОН. Киселинността или алкалността на почвата зависи от тяхното съотношение, което се измерва чрез стойността на pH (отрицателния логаритъм от активността на водороден йон в разтвор). При pH-7 почвата е неутрална, в нейния разтвор същото количество N+ и OH- йони. Ако pH е по-малко от 7, тогава почвата е кисела;Н+ йони; ако pH е по-голямо от 7, тогава почвата е алкална, има излишък от хидроксилни йони в разтвора. Както силно киселите, така и силно алкалните почви са неподходящи за повечето растения. Ако почвата е твърде кисела, тя се неутрализира с необходимото количество вар (CaCO3 или CaO); ако почвата е твърде алкална, тя се неутрализира чрез въвеждане на киселинни вещества.
Почвеният разтвор непрекъснато обменя йони с твърди почвени частици. Някои йони се абсорбират по-активно от частиците и се задържат здраво от тях, докато други по-малко. Крайният резултат е равновесно състояние, всяко нарушение на което задвижва целия химичен механизъм, понякога причинявайки неблагоприятни последици за растенията.
Да приемем, че искате да подхраните растенията с азот и да добавите натриев нитрат NaN03. Какво ще се случи? Растенията ще абсорбират N03- йона и в почвата ще се появи излишък от Na + катион. Почвеният разтвор ще стане алкален и ще инхибира растенията. Натрият ще измести калция от твърдите частици и ще ги направи нестабилни, унищожавайки почвените агрегати. Физическите свойства на почвата ще се влошат, структурната бучка почва ще се превърне в непрекъсната аморфна маса.
Дори в древни времена хората са знаели способността на почвата да абсорбира вещества от разтвора, който се просмуква през нея. Преди 2000 години Лукреций поетично описва обезсоляването на морската вода, преминаваща през почвата. Сега това явление се нарича абсорбционна способност на почвата и е обстойно проучено от учените по почвата. Научихме се как да описваме процесите на усвояване на определени вещества от почвата от разтвор чрез математически уравнения. С тяхна помощ е възможно точно да се изчисли поведението на солите в почвите, движението им по почвения профил и оттам да се контролира солният режим на почвите.
Поглъщателната способност на почвата, съответните йонообменни процеси са многоважни за плодовитостта. Колко здраво този или онзи йон се държи от почвата зависи от това дали растенията могат да го вземат от почвата. В почвата, например, може да има много фосфор, но растенията ще изпитат неговия дефицит, ако, да речем, той се държи здраво в комплекси с желязо или калций. Контролът на тези процеси е една от най-важните задачи на селското стопанство и особено на мелиорацията. Цялата химизация на селското стопанство, включително торовете и химическите мелиорации (варуване, гипсиране и др.), се основава на регулирането на поглъщателната способност на почвите и протичащите в тях йонообменни реакции.
Най-важният компонент на почвата, от който зависи нейното плодородие, е органичната материя или хумусът. Потенциално най-плодородните почви могат да се считат за черноземи, чийто хумусен хоризонт понякога надвишава 100 cm и съдържа до 10-12% хумус.
Хумусът се образува в почвата, когато бактериите и гъбичките разграждат мъртвите органични остатъци, предимно растителни остатъци. Част от органичната материя на останките се минерализира до прости съединения (CO2, H20, NH3, H2S и др.), които отиват в атмосферата и хидросферата, а другата част (20-40%) се превръща в много сложна верига от реакции на разлагане и синтез в нови съединения, които се натрупват в почвата. Хумусът е много сложна смес от силно полимерни азотсъдържащи органични съединения с молекулно тегло от порядъка на десетки хиляди единици, като протеини или други сложни органични вещества.
Основната маса на хумуса е тъмно оцветени хуминови киселини, които имат висока реактивност. Ако хуминовите киселини са наситени с калций или магнезий, те се утаяват, обгръщат минералните частици на почвата и ги слепват в здрави агрегати, структурни единици. Наситени с натриев катион стават хуминови киселиниподвижни, губят адхезивната си способност, измиват се от почвата. Ако сред катионите преобладава водородът, тогава те са агресивни, държат се като истински киселини и разрушават почвените минерали.
Хумусът в почвата, чийто общ запас на планетата сега е приблизително 1,5 1018 g, е акумулатор на слънчева енергия на земната повърхност, от който зависи точното функциониране на биосферата, както показват изследванията на съветските учени през последните 20-30 години. Енергията на почвите, свързана с техния хумус и неговите трансформации, е специален раздел на почвознанието.
Без хумус почвата е мъртва, става безплодна. Ако почвата е лишена от годишния запас от умиращи растителни остатъци, микроорганизмите веднага ще преминат към хранене с хумус и бързо ще унищожат целия му запас. Това в частност е един от големите проблеми на съвременното земеделие.