Математизация почвоведения
Необходимость математизации осознавалась уже при рождении почвоведения. В середине 80‐х годов позапрошлого века основатель почвоведения В.В. Докучаев, понимая всю сложность проблемы формализованного количественного описания почв, верил, что все трудности со временем будут преодолены и почвоведение станет «истинно строгой наукой». Об этом свидетельствует выдержка из его работы «Главные моменты в истории оценок земель Европейской России, с классификацией русских почв», опубликованной в 1886 году в «Материалах к оценке земель Нижегородской губернии».
Идеи В.В. Докучаева получили дальнейшее развитие в работах Ганса Йенни. В 1941 вышла его книга «Factors of Soil Formation. A System of Quantitative Pedology», которая получила мировую известность. В этой работе он писал: «Докучаев выразил пророческий взгляд на наиболее фундаментальные проблемы теоретического почвоведения, а именно на количественное решение уравнения почва – почвообразующие факторы». Йенни отмечал, что со времен В.В. Докучаева почвоведение накопило огромную информацию о почвах мира и сосредоточило основные усилия по агрегированию и представлению этой информации на разработке почвенных классификаций. Он указывал на то, что классификация не единственный путь систематизировать факты. Данные могут быть организованы в виде законов и теорий, и следует направить усилия в этом направлении обработки информации, успехи которого демонстрируют физика, химия и отдельные разделы биологии, где установлены законы и развита количественная теория.
В развитии любой научной дисциплины выделяют три этапа: описательный (инвентаризационный), концептуально‐теоретический (при котором происходит выдвижение всякого рода представлений о структуре и характере функционирования исследуемых систем) и этап математизации этих представлений (т.е. их формализация на наиболее точном и строгом языке математики) (Розенберг, 2013).
Один из возможных ответов на вопрос о том, что же даст математизация почвоведения, приводится в вышедшей в 2007 году книге А.И. Морозова «О почве и почвоведении (взгляд со стороны)», в которой обсуждается современное состояние и перспективы развития почвоведения. По мнению автора в результате формализации будет осуществлено всеобъемлющее интегрирование накопленного огромного экспериментального материала и сведение его в небольшое число систем уравнений. Формализация позволит дать не только качественную (как это делается в основном сейчас), но и количественную картину почвообразования. Благодаря этому удастся снять множество спорных вопросов о генезисе почв.
Эффективным средством изучения почв, а точнее, их моделей станут компьютеры. Основной целью исследования станет выявление базовых законов почвообразования. Все это создаст новую основу, в частности, для классификации почв и анализа смежных систем, подобно тому, как молекулярная биология создала новую базу для систематики организмов. Формализация будет способствовать взаимодействию почвоведения с такими фундаментальными науками как физика, химия, биология на универсальном языке математики. В результате формализации почвоведение станет строгой дисциплиной с надежной предсказательной способностью, способной отвечать на сложные вопросы сельского хозяйства и экологии XXI века. Понимание необходимости перехода почвоведения на этап математизации четко сформулировал В.А. Ковда: «Моделирование является методологией науки, достигшей определенной стадии зрелости, в этом смысле почвоведение не представляет собой исключения. Моделирование процессов, связанных с функционированием объекта этой науки – почвы, очевидно, не может быть самостоятельной отраслью почвоведения и не может существовать без опоры на конкретные полевые и лабораторные экспериментальные почвенные исследования. Вместе с тем, начиная с некоторого этапа, простой сбор экспериментального материала без надлежащего его планирования и обработки с помощью хотя бы концептуальной модели, а на более высоком уровне – математической модели, становится малоэффективным, если не сказать бессмысленным» (Моделирование почвенных процессов и автоматизация их исследований, 1976).
В современном почвоведении для решения, как теоретических, так и практических вопросов широко используется множество математических моделей, которые значительно различаются
по используемым подходам и степени сложности. Прежде чем переходить к их обсуждению, познакомимся с необходимыми в дальнейшем основными понятиями.
- Оглавление
- Элементарные почвенные процессы, в которых основную роль играет превращение минеральной части почвенной толщи
- Элементарные почвенные процессы, в которых ведущую роль играет превращение органической части почвенной массы
- Элементарные почвенные процессы, в которых ведущую роль играет превращение и передвижение минеральных и органических продуктов почвообразования
- Факторы почвообразования
- Черноземы при орошении: процессы и свойства.
- Специфика почвообразования в поймах и дельтах рек Северной Евразии.
- Господство аккумулятивных типов коры выветривания
- Осадконакопление в поймах и дельтах
- Дренирование поймами и дельтами окружающих равнин
- Гидроморфность почв пойм и дельт
- Окислительно-восстановительные процессы
- Биогенность поименно-дельтовых почв
- Особенности почвообразования и функционирования почв в условиях многолетней и длительной сезонной мерзлоты. Эволюция почв в условиях криогенеза. Криогенные процессы и явления в почвах.
- Условия и факторы формирования городских почв
- Систематика и диагностика городских почв
- Социально-экономические функции
- Санитарные функции почв
- Плодородие как интегральная агроэкосистемная функция почв. Принципы рационального использования и охраны почв на основе учёта их экосистемных и биосферных функций.
- Первый период русской истории
- Государственное управление в системе земельных ресурсов и охраны окружающей среды.
- Муниципальное управление в экологической сфере, в области землепользования и охраны почв.
- Почвозащитные системы земледелия
- Целевые конструкции, имеющие определенное предназначение, например, газоны, парковые зоны, «зеленые крыши», рекультивационные зоны, геохимические барьеры и пр.
- Теоретические расчеты слоистых почвенных конструкций целевого назначения: изучение текстуры материалов, их гидрофизических и физико-химический свойств.
- Препроцессоры расчетных моделей.
- Использование физически обоснованных имитационных моделей для прогнозирования и расчета почвенных конструкций.
- Математическое моделирование в почвоведении Математизация науки
- Математизация почвоведения
- Математическое моделирование, основные понятия.
- Возможные цели моделирования
- Анатомия математических моделей (переменные состояния, внешние переменные, контролирующие переменные, математические уравнения, параметры, универсальные константы)
- Вычислительный эксперимент и его достоинства.
- 1. Биогеохимические и биоэнергитические динамические модели
- 2. Статические биогеохимические и биоэнергетические модели
- 3. Модели динамики популяций
- 4. Структурно‐динамические модели
- 5. Fuzzy модели (модели, основанные на нечеткой логике)
- 6. Искусственные нейронные сети
- 7. Индивидуально‐ориентированные модели
- История развития биогеохимических моделей
- Виды биогеохимических моделей (организм-ориентированные и процесс-ориентированные).
- Уравнение неразрывности, уравнение переноса (уравнения Дарси, Фурье, Ричардса).
- Условия на границах.
- Экспериментальное обеспечение моделей влаго-, соле- и теплопереноса. Основные функции.
- Аппроксимация экспериментальных данных.
- Педотрансферные функции.
- Ионные равновесия с твердой фазой. Конвективно-диффузионное уравнение.
- Кинетики разных порядков.
- Понятие о риске, расчеты рисков
- Информационные технологии в почвоведении Процесс проведения научного исследования с использованием эвм
- Активные и пассивные эксперименты
- Способы обеспечения репрезентативности выборки
- Проблемы обеспечения непротиворечивости и целостности данных
- Виды «коробочек с усиками»
- Нормальная вероятностная бумага
- Квантильное представление распределения как свертка информации
- Критерии проверки выборки на нормальность: хи-квадрат и КолмагороваСмирнова
- Критерии сравнение средних 2 независимых выборок (t-критерий и критерий Манна-Уитни)
- Ограничения критерия Манна-Уитни
- Модель двухфакторного дисперсионного анализа без взаимодействия.
- Множественная регрессия
- Инновационный менеджмент Национальные инновационные системы, мировой и отечественный опыт.
- 1.2.3. Развитие инноватики в Российской Федерации
- 1.2.4. Законодательная и нормативно-методическая база инноватики в Российской Федерации
- Виды результатов интеллектуальной деятельности (рид) и способы их охраны.
- Авторское и патентное право (объекты прав и способы оформления).
- Оформление авторских прав в рф осуществляется:
- Охрана секретов производства в режиме коммерческой тайны.
- Понятие трансфера (коммерческий и некоммерческий) и коммерциализации технологий.
- Внебюджетное финансирование (личные сбережения, банковские программы, призовые фонды конкурсов инновационных проектов, «бизнес-ангелы», венчурные фонды).
- Палеопочвы
- Виды палеопочв:
- Палеопочва как стратиграфическая единица.
- Геосоль.
- Теоретическая и практическая значимость изучения палеопочв.
- Ландшафтная интерпретация палеопочв.
- Коэволюция жизни и почв как новая парадигма естествознания.
- Основные этапы эволюции педосферы.
- Археологическое почвоведение - реконструкция природной среды и развития общества на основе палеопочвенных данных. Эволюция природной среды в плейстоцене и голоцене на основе изучения палеопочв.
- Ландшафт Научные основы почвенно-ландшафтного проектирования для оптимизации факторов жизни растений.
- Агротехнические мероприятия для оптимизации свойств почв.
- Принципы проектирования.
- Этапы проектирования.
- Почвенно-ландшафтное зонирование территории.
- Выбор ключевых точек, обоснование физических, химических, биологических анализов почв и вод, отбор почвенных проб и проб воды. Оптимизация необходимых работ.
- Организационные работы в почвенно-ландшафтном проектировании: последовательность и документация.
- Организация рельефа.
- Геопластика.
- Агротехнические работы.
- Учет факторов среды и физиологии растений при проведении посадочных работ.
- Фитоценотическое представление о газоне, виды газонов, газонных трав, оценка качества газонов.
- Создание благоприятных условий для роста и развития травяно-дернового покрова.
- Причины деградации газонов.
- Почвенно-ландшафтное проектирование в условиях города.
- История садово-паркового искусства, регулярный и пейзажный стили.