Развитие идей в физике почв

• Введение
• Глава 1. Представление о физических свойствах и режимах почвы в период эмпирического накопления знаний о почве (ок.8 тыс. лет до н.э. - XV в.)
• Глава 2. Представление о физических свойствах почв в Эпоху Возрождения (XVI - XVIII вв.)
• Глава 3. Расцвет представлений о физике почв в XIX - XX вв
• Заключение
• Список литературы

Физика почв — область почвоведения, изучающая физические свойства почв и протекающие в них физические процессы. Физические свойства почвы — совокупность свойств, характеризующих состояние почвы и её отношение к различным физическим воздействиям: гранулометрический и агрегатный состав, структурность, удельный и объемный вес, пористость, воздушные, водные, тепловые, электрические и радиоактивные свойства (Роде А.А., 1972 г., с.60).

В период работы В. В. Докучаева, Н. М. Сибрцева и П. А. Костычева почвоведение развивалось как единая наука о генезисе и географии почв, которая опиралась в основном на морфологический метод исследования. В дальнейшем, в связи с запросами сельскохозяйственного производства, значительное развитие получили физика, химия, биология, география почв. Существовало несколько точек зрения на разделение почвоведения на ряд отраслей.

В.Р. Вильямс считал, что почвоведение должно быть единым, и разделение его на физику, химию, географию почв и проч. — недопустимый разрыв науки на части. Более того, он считал, что почвоведение нельзя резко ограничивать от общего земледелия, поскольку между этими науками трудно провести границу.

Противоположную точку зрения высказывали профессора В. А. Михельсон и А. Ф. Лебедев, a также академик А. Ф. Йоффе. Они считали, что почвоведение, учитывая необходимость его быстрого развития, нельзя удерживать в рамках одной науки (Качинский Н.А., 1965 г., с.5). Оно должно дифференцироваться так, как это произошло в области биологических наук — ботанике, зоологии, медицине и пр. Высказывалось соображение, что физика, химия, география почв, как и другие разделы почвоведения, быстрее и глубже разовьются, если они будут сближены с физикой, химией, биологией, минералогией, географией, биологией.

Оригинальной точки зрения придерживался И.Н. Антипов-Каратаев, предложивший выделить как самостоятельную научную дисциплину дисперсоидологию почв, в которую должны войти все разделы почвоведения кроме картографии, географии и биологии почв. Эта точка зрения, как явно необоснованная, не нашла сторонников и не получила признания в науке.

Развитие современного почвоведения представляют собой результат критического анализа и синтеза вышеуказанных точек зрения. Признается, что для глубокого развития почвоведения необходимо, чтобы оно основывалось на комплексе естественноисторических дисциплин, таких как математика, физика, химия, геоморфология, геология, гидрогеология, ботаника, зоология. Базируясь на таком научном комплексе, почвоведение должно оставаться единой наукой, но вместе с тем, как и в других научных дисциплинах, оно должно дифференцироваться внутри себя на отдельные разделы: физику почв, химию почв, агрохимию, минералогию почв, биологию почв, географию почв и др. Развитию физики почв в составе почвоведения способствовало расширение сельскохозяйственного производства. Экологическая и технологическая оценка физического состояния почв лежит в основе систем обработки почв и ухода за посевами. Современная физика почв также изучает пути направленного регулирования физических свойств, процессов и режимов почвы в целях сельского и лесного хозяйства, строительства, ландшафтного проектирования и др. Развитие информационных технологий позволяет перейти к компьютерному моделированию физических процессов в почвах. Трудоёмкие процессы математической, статистической, геостатистической обработки и интерполяции данных о пространственной неоднородности физических свойств почвы в значительной степени автоматизируются. Наиболее полно процессы обработки, визуализации пространственных данных и анализа получаемой информации реализуются при помощи ГИС-технологий. Всё большей популярностью стали пользоваться исследования по созданию искусственных почв.

Глава 1. Представление о физических свойствах и режимах почвы в период эмпирического накопления знаний о почве (ок.8 тыс. лет до н.э. — XV в.)

История развития физики почв тесно связана с развитием земледелия. За несколько тысячелетий до нашей эры в древних речных цивилизациях существовала контролируемая ирригация земель. Развитие орошаемого земледелия в долинах рек аридных стран (Тигр и Евфрат, Амударья и Мургаб) сопровождались засолением почв и падением их плодородия (Добровольский Г. В., 2010 г., с.12). Это потребовало совершенствования способов орошения и регулирования водно-солевого режима почв, что дало начало мелиорации засоленных почв.

Известна легенда о «Висячих садах», созданных в Нововавилонском царстве при царе Навуходоносоре (634 — 561 до н.э.). По преданию, они были сконструированы на искусственных террасах, куда был принесен мелкозём, a затем были высажены деревья. Существует теория, что растения выживали и росли в таких условиях благодаря капиллярным явлениям, a именно эффекту «жаменовских цепочек». На территории царства были нередки песчаные бури; песок осаждался на принесенный мелкозёмистый грунт и образовывалась почва с песчаными прослойками. Эта естественно образовавшаяся «почвенная конструкция» за счет капиллярных эффектов не давала воде фильтроваться за пределы корнеобитаемого слоя. Поэтому влага сохранялась в корнеобитаемой толще, целенаправленно расходуясь на транспирацию растений (Шеин Е.В., 2005 г., с.104).

Самый примитивный способ обработки почвы — мотыжный — требовал некоторых знаний о ее физических свойствах, к ним надо было приспосабливать конструкцию мотыг и родственных им орудий, от этого же зависел урожай (Крупеников И.А., 1981 г., с.14). Из поэмы Гессиода «Труды и дни» известно, что у древних греков существовали разные плуги, приспособленные к тем или иным почвам; таким образом, в Древней Греции существовало представление о физических свойствах различных почв. Феофраст (ок.372 — 287 гг. до н.э.) в своих трудах выделяет почвы глинистые, песчаные, каменистые, слоистые, солёные, болотные, а также сухие и влажные, тяжёлые и лёгкие, мягкие и плотные и др., то есть в первую очередь имеет ввиду физическую природу почвы.

О состоянии римской агрономии можно судить по поэме Вергилия «Георгики» (36 — 29 гг. до н.э.). В своем произведении он описывает, в частности, деление почвы по гранулометрическому составу и приемы его определения:

Рыхлая ль почва или сверх меры плотна, эти исследуй:

Ибо одна для хлебов подходяща - другая для Вакха.

В византийском произведении «Геопоники, или Кассиана Басса Схоластика выборки о сельском хозяйстве» (X в.) приводится описание выращивания растений в зависимости от гранулометрического состава и водопроницаемости почв. Так, для винограда больше всего подходит почва «не тяжёлая», которая «впитывает дождевую воду, сохраняя её»; подчёркивается, что «нужно исследовать глубину земли: часто сверху оказывается чернозём, внизу же глина» .

Период раннего Средневековья в Западной Европе характеризовался упадком знаний о почве и технологий, который сменился периодом развитого Средневековья и подъемом сельского хозяйства. Большое развитие в этот период приобрела мелиорация: с расширением посевных площадей и усилением так называемой «внутренней колонизации» вырабатывались приемы дренажа избыточно увлажненных почв, проводились осушительные мелиорации. Известно, что в Голландии велись работы по осушению крупных озёр и превращению их в польдеры. В Англии, наряду с мелиоративными приемами осушения, был разработан способ борьбы с избыточным увлажнением почв путём создания на полях с помощью плуга выпуклых гряд, разделенных канавами для отвода воды.

В середине XIII века появился первый английский агрономический трактат Вальтера Хенли «О хозяйстве», в котором чётко различает почвы по физическим свойствам. Он советует яровые как можно раньше сеять на «двух сортах почвы» — глинистой и каменистой: если в марте бывает сухо, то первая «слишком затвердевает», а вторая «засыхает и трескается» (Крупеников И.А., 1981 г., с.67). В противоположность этому почвы песчаные и «меловые» засевают не так рано, поскольку надо «избегать переворачивать их, пока они еще очень влажны» .

На Руси в период до XVIII века знания о почве опирались, в основном, на опыт сельского хозяйства: к XI веку уже был распространен плуг, возделывалось множество культурных растений, существовала трехпольная система земледелия. Источниками информации о почве служил собственный опыт и ряд переводных иностранных книг (к примеру, труд П. Кресценция о сельском хозяйстве); поэтому знания о физике почвы были весьма ограниченными.

Таким образом, в области эмпирических знаний о почве в указанные периоды было установлено значение физических свойств и режимов влажности; заложены основы мелиорации почв в различных условиях.

Глава 2. Представление о физических свойствах почв в Эпоху Возрождения (XVI — XVIII вв.)

Эпоха Возрождения в Западной Европе характеризовалась подъемом научной деятельности. Значительные успехи были достигнуты и в области почвоведения. Формировались идеи о происхождении почв, большое развитие получили дискуссии о питании растений, были предприняты попытки классифицировать почвы по гранулометрическому составу, материнской породе и пр.

В 1673 году Мартин Листер предложил подробную классификацию песчаных и глинистых почв Англии. Англии. Принцип этой классификации по отношению к пескам был такой: сначала они разделялись гранулометрически на тонкие, грубые и скелетные; далее шло разделение по окраске, с применением широкой цветовой гаммы: белые, серые, бурые, красновато-бурые и даже серебристые (silver-like) и золотистые (gold-like) (Крупеников И.А., 1981 г., с.94). «Глины», куда входили и суглинки, делились на тонкие, жирные, или «салоподобные», грубые и пылеватые, «камнеподобные, когда сухие» и т. д. В заключении указывалось географическое распространение глин и песков. Начались первые опыты по отмучиванию глин и песков, Существовали и другие модификации этой классификации. В 1765 году Гирш разделил почвы Германии на суглинистые, глинистые и каменистые, в то же время выделяя их виды как черные, серые и красные. Таким образом, в какой-то мере эти классификации были бинарными — они основывались на гранулометрическом составе и цвете. Карл Линней и Валлериус также пытались классифицировать почвы на основе их петрографических и гранулометрических особенностей.

А. Тэер (1752 — 1828 гг.) предложил классификацию почв, самыми крупными таксонами в которой были шесть классов: песчанистая почва, суглинок, глинистая, мергель, известковая, перегнойная (болотная). В первых четырех классах выделено 13 родов: рыхлый песок, глинистый песок, средний суглинок, тяжелый суглинок и проч. Также были введены количественные критерии — содержание в процентах глины, песка, извести и перегноя для каждого рода. Таким образом, эта классификация представляет собой прообраз современной гранулометрической классификации.

Одновременно с Тэером вопросами почвоведения занимался английский химик и физик Г. Дэви (1778 — 1829). Он исследовал физические свойства почв, в частности процессы нагревания и охлаждения почв и влияние на них окраски.

Таким образом, в Эпоху Возрождения в Западной Европе взгляд на почву становится более научным, нежели в Средние века.

В России XVIII отмечен взлётом науки: в Санкт-Петербурге создается Академия наук, в Москве открывается университет, создается Вольное экономическое общество. Во второй половине XVIII в. появляются такие научные идеи, в которых уже угадывается будущая роль России в истории почвоведения (Крупеников И.А., 1981 г., с.100).

Основоположником физического обоснования земледелия по праву следует считать выдающегося русского агронома И. М. Комова (1750−1792). В 1788 г. в Петербурге он выпустил свой знаменитый труд «О земледелии», в котором он писал:". и само оно (земледелие) не что есть иное, как часть физики опытной, только всех полезнейшая". Комов одним из первых сформулировал принципы гранулометрического анализа почв, указав на возможность разделения фракций песка и глины отмучиванием в воде. Так же он рассматривает вопросы улучшения структуры глинистых почв добавлением песка и извести, a песчаных почв — путём добавления глины. Он обратил внимание на большую роль гумуса не только как источника питания растений, но и как средства улучшения структуры почв (Воронин А.Д., 1986 г., с.6).

Можно сказать, что русское почвоведение сравнялось с зарубежным уже в XVIII веке. Во второй половине XVIII в. был накоплен некоторый фактический материал о свойствах и распространении почв, а также высказаны теоретические положения о происхождении почв, которые в трудах Ломоносова почти на полтора столетия предвосхитили ряд положений теории современного почвоведения (Виленский Д.Г., 1958 г., с.61). Однако физические свойства почв, как в России, так и за рубежом по-прежнему были сравнительно мало изучены.

Глава 3. Расцвет представлений о физике почв в XIX — XX вв

В XIX в. почвоведение становится подлинной наукой, появляется уже ее название, сначала у немцев — Bodenkunde, а затем и в России, в современном его звучании (Крупенников И.А., 1981 г., с.121). Почвоведение начинает дифференцироваться на отрасли; резце проявляется его зависимость от успехов химии, биологии, геологии и пр.

В 1838 году в Германии было положено начало изучению физики почв. Первое описание физических свойств почв сделал Г. Шюблер. Он исследовал практически все свойства, которые изучаются и сейчас: плотность твердой фазы, плотность сложения сухой почвы, влагоёмкость, скорость испарения воды, скорость поглощения водяного пара, теплота смачивания; прочность, пластичность, вязкость почв; степень поглощения солнечной радиации, электропроводность почв, поглощение почвой кислорода. Шюблер показал, что все разнообразные физические свойства связаны между собой; однако в большинстве случаев установленные им связи были формальными. Одно из важнейших упущений Шюблера состояло в том, что он не связывал изучаемые им физические свойства почв с гранулометрическим составом и рассматривал эти свойства как характеризующие почву в целом, без какого-либо указания на роль тех или иных ее частей (Воронин А. Д, 1986 г., с.6).

В 1864 г. вышло специальное сочинение о физических свойствах почвы немецкого ученого В. Шумахера, в котором он утверждал о большем их значении для растений, чем химических свойств.

физика почва свойство почвоведение Изучению физики почв были посвящены работы другого немецкого ученого — М. Вольни (1848 — 1901). Он основал первый специальный агрофизический журнал, выходивший ежегодно с 1878 по 1898 год. В нем публиковались статьи по физическим свойствам почвы и растений, по микрометеорологии. Журнал сыграл заметную роль в пропаганде влияния физических свойств на повышение урожая сельскохозяйственных культур. Помимо этого, Вольни произвел систематическое лабораторное изучение физических свойств составных частей почвы — перегноя, глины, песка и извести и их различных смесей.

Немаловажный вклад в гидрогеологию и физику почв внес Анри Дарси (1803 — 1858) как автор основного закона движения влаги в насыщенной почве. В 1833 г. муниципалитет г. Дижон обратился к нему с предложением создать проект очистки городских вод.А. Дарси проводил лабораторные фильтрационные эксперименты с различными песчано-почвенными смесями. В 1853 г. Дарси опубликовал свои научные результаты по фильтрации различных природных сред, используемых для очистки природных вод (Шеин Е.В., 2005 г., с.177).

Швед А. Аттерберг (1846 — 1916) установил для почв ряд «констант» («границы» текучести, липкости и др.) их увлажнения, при которых выявляются физико-механические характеристики почв. Он также занимался изучением гранулометрического состава почв, и предложил деление почвы на фракции. Эти фракции составляют основу большинству современных зарубежных классификаций.

В начале XX века американский физик Бакингем развил концептуальную основу для современных исследований о физике поведения воды в ненасыщенных влагой почвах. Бакингем первым провел измерение потенциала почвенной влаги и установил зависимость потенциала от содержания воды в почве. Он первым приводит понятие «проводимости» почвы и устанавливает ее зависимость от влажности. Однако эти основополагающие идеи в то время не были приняты и получили развитие лишь через 25−30 лет в работах Ричардса, Скофильда, Чайлдса и др (Воронин А.Д., 1986 г., с.9).

В эти же годы американский исследователь Паттен закладывает теоретические основы процессов переноса тепла в почвах и теплофизических свойств почв. В 1930 г. крупный английский ученый выпускает монографию, в которой удачно обобщает все имеющиеся к этому времени теоретические подходы к описанию физических явлений и процессов в почвах. Заметный вклад в развитие физики почв внесли работы и обобщения Бэйвера.

В России пропагандистом физических знаний в сельском хозяйстве в начале XIX века был профессор Московского университета М. Г. Павлов. Первый том из своего курса сельского хозяйства он озаглавил «Физические основания земледелия», в котором призывал к физическому обоснованию агротехнических приёмов.

Над физическими свойствами почв трудился профессор сельского хозяйства Н. И. Железнов. В его работе «Испытание вязкости почв динамометрическим ломом» (1853) впервые был предложен прибор для определения сопротивления почв сдавливанию и расклиниванию (Воронин А.Д., 1986 г., с.6). «Лом» Железнова впоследствии был применен в работах по механике почв.

В России интерес к важнейшему разделу физики почв — почвенной гидрогеологии — был вызван засухой и жестоким голодом в 1891 году.А. А. Измаильский проводит изучение влажности почв и системы агротехнических мероприятий, позволяющих сохранять влагу для успешного выращивания сельскохозяйственных культур. Г. Н. Высоцкий изучает водный режим черноземов на одном из опытных участков, организованных В. В. Докучаевым. Полученные данные позволили ему связать водный режим почв с почвообразованием; итогом его работы явилось учение о типах водного режима почв.

Участие В. В. Докучаева и его учеников в выяснении причин засухи и разработке мероприятий по борьбе с ней определило естественно исторический подход и генетическую направленность в дальнейших исследованиях по физике почв в нашей стране (Воронин А.Д., 1986 г., с.7)

Большое влияние на развитие физики почв оказали работы П. А. Костычева в области структуры и сохранения в почве благоприятных физических свойств. Он впервые строго обосновал роль органического вещества и катиона кальция в формировании агрегатов и выделил наиболее агрономически ценной комковато-зернистую структуру.

Н.М. Сибирцевым предложена классификация почв по гранулометрическому составу, основанная на соотношении «физической» глины и «физического песка» .

В XX веке физике почв уделялось большое внимание: В. Р. Вильямс изучал свойства фракций гранулометрических элементов, П. С. Коссович — водно-физические свойства почв, А. Ф. Лебедев — почвенную гидрологию.

После Октябрьской революции интерес к изучению физических свойств и режимов почв значительно возрос. В Тимирязевской сельскохозяйственной академии А. Г. Дояренко и его ученики проводили исследования по динамике основных физических свойств и режимов почв (водного, воздушного, теплового и др.). Для изучения этих свойств была предложена серия оригинальных приборов.

На Московской областной сельскохозяйственной опытной станции Н. А. Качинский проводит работы по изучению физических свойств почв в их естественном залегании и при различных способах обработки на строгой генетической основе. Он объединяет в единую систему ранее разрозненные методы по определению физических свойств почв. Качинский также внес огромный вклад в создание отечественной классификации почв по гранулометрическому составу и в методику гранулометрического анализа, которая остается актуальной и по сей день.

В Почвенном институте имени В. В. Докучаева был создан отдел физики и механики почв, который возглавил А. Ф. Лебедев. Его работы о формах и передвижении влаги в почве и грунтах внесли большой вклад в почвенную гидрологию. Им была выполнена большая экспериментальная работа, на основании которой предложена классификация форм воды в почве, установлены понятия о пленочной влаге и максимальной молекулярной влагоемкости почв, разработаны методы определения максимальной молекулярной влагоемкости, в том числе с помощью сверхскоростной центрифуги, развивающей 50 тыс. оборотов в минуту, и дана новая теория образования грунтовых вод, путем перегонки воды в виде пара из одних слоев земной коры в другие с последующей конденсацией и фильтрации жидкой воды (Виленский Д.Г., 1958 г., с. 194).

Работы по изучению подвижности почвенной влаги и ее доступности для растений были проведены С. И. Долговым.

Крупнейшие обобщения в гидрологии почв принадлежат А. А. Роде (1896 — 1979). В монографии «Основы учения о почвенной влаге» этот выдающийся исследователь предложил современную концепцию форм и категорий почвенной влаги, типов водного режима, строения гидрологического профиля разных почв, условий накопления и экономного расходования влаги в земледелии (Крупенников И.А., 1981 г., с.285).

Особенно заметный вклад советские ученые внесли в развитие физико-химических основ физики почв.К. К. Гедройц провел исследования по влиянию обменных катионов на дисперсность и структуру почв, на их основные физические свойства.

Широкую известность, теоретическую и практическую значимость получили исследования в области структуры почв А. Ф. Тюлина, С. А. Захарова, Н. И. Саввинова, П. В. Вершинина, И. Б. Ревута.

Значительны заслуги выдающегося физика почв, заведующего кафедрой физики и мелиорации почв в Московском государственном университете профессора А. Д. Воронина (1929 — 1998). Он один из первых обратил внимание на связь структуры почв и многочисленных функций, осуществляемых почвой. А. Д. Воронин впервые доказал, что почву следует рассматривать как единую систему «твердая фаза — поровый раствор — почвенный воздух», изменения во взаимоотношении и расположении частей которой приведут к изменению почвенных функций: снабжению растений водой, выделению почвенных газов, уплотняемости, липкости, пластичности почв. Этот структурно-функциональный подход, наряду с рядом практических приложений в виде «секущих» основной гидрофизической характеристики (ОГХ) по Воронину, которые ныне известны всем почвоведам-физикам, позволили говорить о физике почв, как о самостоятельной естественнонаучной дисциплине со своими методами, теориями, практическими приложениями (Шеин Е.В., 2005 г., с.85).

Заключение

Изучение физических свойств почв происходит с древнейших времен и до настоящего времени. Тесная связь физики почв с земледелием предполагает и дальнейшее освоение физических свойств почв и совершенствование методологического аппарата. Современные возможности позволяют производить определение физических свойств почв в кратчайшие сроки. Развитие компьютерных технологий помогает упростить процесс изучения свойств почв как в научных, так и в прикладных целях.

1. Виленский Д. Г. История почвоведения в России. — М.: 1958. — 239 с.

2. Воронин А. Д. Основы физики почв: Учеб. пособие. — М.: Изд-во Моск. ун-та 1986 — с. 244, ил.

3. Добровольский Г. В. Лекции по истории и методологии почвоведения: Учебник. — М.: Издательство Московского университета, 2010. — 232 с.

4. Качинский Н. А. Физика почвы. Часть I. — М.: 1965. — 324 с.

5. Крупеников И. А. История почвоведения. — М.: Наука, 1981. — 328 с.

6. Роде А. А. Толковый словарь по почвоведению. Физика почв. — М.: Наука, 1972. — 63 с.

7. Шеин Е. В. Курс физики почв.: Учебник. — М.: Изд-во МГУ, 2005. — 432 с.