Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Анализ сопряженного отображения почв и рельефа в двуплановой контурности карт

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Анализ сопряженного отображения почв и рельефа в двуплановой контурности карт"

•ь .

На правах рукописи

ЛОШАКОВА Нина Александровна

АНАЛИЗ СОПРЯЖЕННОГО ОТОБРАЖЕНИЯ ПОЧВ И РЕЛЬЕФА В ДВУПЛАНОВОЙ КОНТУРНОСТИ КАРТ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Воронеж -1998

Работа выполнена в Институте фундаментальных проблем биологии Российской Академии наук

Научный консультант Заслуженный деятель науки РФ, профессор, доктор сельскохозяйственных наук И.Н.СТЕПАНОВ

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: Российский научно-исследовательский и проекгно-изыскательский институт земельных ресурсов Государственного земельного комитета РФ

Защита состоится 47" ноября 1998 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 063.48.09 при Воронежском Государственном Университете по адресу: 394693, г. Воронеж, Университетская площадь, д. 1, биолого-почвенный факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГУ Автореферат разослан "|5" октября 1998 г.

Ученый секретарь

доктор биологических наук Б.П.АХТЫРЦЕВ доктор географических наук А. А. ЛЮТЫЙ доктор географических наук А.В.ХАБАРОВ

диссертационного совета

Л.И.Брехова

ВЕДЕНИЕ

Актуальность. Повышение требований к наукам о Земле в связи с эко-огизацией общества и дальнейшим развитием научно-технической базы гео-нформатики обязывает ввести в процедуры почвенного картографирования олее строгие правила проведения границ контуров. Для создания новых, олее прогрессивных и формализованных технологий построения контуров еобходим анализ прежних достижений почвоведения. Именно с этих пози-ий рассматривается в диссертации контурность карт. Контурность взята наи за предмет исследования, потому что: 1) позволяет объективно и наглядно тображать на карте не получившие в науке и практике должного освещения вязи пространственной дифференциации почв, горных пород, растительности ландшафтов с рельефом местности; 2) проблема контурности в почвенной артографии практически не изучена. Недавняя смена социально-экономиче-чой и политической обстановки в России ориентировала запросы практики а кадастровую оценку земель мелких хозяйств. Наличие ГИС-технологий озволяет всю картографическую информацию о почвах хозяйств сосредоточь в компьютерной сети. Для этого нужны новые, более экономичные и ормализованные картосоставительские методы. И здесь на первый план вы-эдит проблема контурности. Поэтому в диссертации решается актуальная зама геоинформатики - теоретическое обоснование двуплановостн новых эчвенных карт, построенных на высокоинформативных изолиниях кривизны.

Цель работы обоснована актуальностью, вытекает из необходимости 1учшения качества картографирования и заключается в решении крупной на-шо-технической проблемы современности - создании высокоинформатив-з1х формализованных почвенных карт принципиально нового типа, отве-аоших требованиям компьютерных технологий. Разработка таких карт, на-анных потоковыми, активно ведется диссертантом в Лаборатории картогра-ии почв Института фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино). По-ому теоретическое обоснование и внедрение в практику двуплановой потовой контурности стало основной целью данной работы.

Использование метода вторых производных (пластики рельефа) для изо->ажения потоковых структур земной поверхности в виде двух планов: перед-то и заднего, выделения фигур (потоков) и искривленного фона отличает >вые карты от традиционных одноплановых плоских карт. Разделение рель-т и облекающего его почвенного покрова на фигуры и фон выполнено пум геометрического преобразования горизонталей топографических карт в олинии кривизны. Поэтому целью диссертации стало обоснование перехода

горизонталей топокарт, отображающих структуру дневной поверхности чвенного покрова, к морфоизогафам — линиям кривизны, создающим дву-

плановость. Это позволит по-иному, более объективно решать проблем структурирования почвенного покрова, начатую В.М.Фридландом.

Задачи исследований, исходя из целей, заключаются в следующем:

- обобщить результаты ретроспективного анализа контурности опубл* кованных и рукописных почвенных карт, выявить эволюцию научных иде! приводящих к повышению информативности почвенных карт за счет разли1 ных более эффективных способов сопряженного отображения почв и рельеф: особенно приводящих к объемной двуплановосш узоров карт;

- проанализировать различные картографические методы (одноплановы точечный, одноплановый катенный, объемный потоковый) отражения рельеф в контурности почвенных карт, а также связанные с ними проблем классификации почв, зональности почв, структуры почвенного пространства

- дать характеристику различных типов контурности почвенных карт г основе представлений о двуплановосга (расслоенности конутров), скелетиз; ции (схематической одномерности контуров), фракгальности, подобия почве! ных ареалов, их симметрии, инвариантности, системного подхода, оггпш структурного анализа и физико-геометрического моделирования;

- рассмотреть различные способы формализации почвенной контурности показать, что они с неодинаковой достоверностью и точностью отображай возможности картографического моделирования, ставшего в последние год необходимостью в сельском хозяйстве, землеустройстве, оценке земел охране водных и земельных ресурсов.

' Объектами исследований являются отображения реальных почв на карп разных лет, масштабов и авторов, а также фактический материал по разли ным почвам, полученный соискателем при составлении карт:

1.Крупномасштабных (съемки 1967-19б8гг., гипролесхоз): Брянская обл. серые лесные и дерново-подзолистые почвы; Алтай - черноземы.

2.Детальных и крупномасштабных Опытной полевой станции Институ фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино Московской обл.) окружающих территорий южного Подмосковья (съемки 1969-1983 гг.): свр1 лесные почвы, дерново-подзолистые почвы, черноземы. Соискателем сдела* химические и микробиологические анализы, определены водно-физическ свойства почв и проведены 11-летние режимные наблюдения за влажность температурой и газовым составом этих почв.

3. Среднемасштабных областных почвенных карт России, выполненных заказу Росземпроекта (1984-1991 гг.) путем генерализации материалов пси вого крупномасштабного обследования: все типы и подтипы почв России.

4.Карто-схем маршрутных исследований почв: черноземов Кубани (197 дерново-подзолистых Белоруссии (1977); черноземов ЦЧО: Воронеж

Каменная Степь - Полтава (1984г., под рук.В.А.Ковды); пустынных песчаных, серо-бурых, сероземных, такырных и засоленных почв Средней Азии (1989).

Методы исследований и материалы. Изучение свойств почв проводилось традиционными методами: закладка и полевые описания разрезов, отбор образцов, их анализы (гумус, водная вытяжка, валовой состав - по Е.В.Ари-нушкиной), водно-физические и воздушные свойства, температурный, водный (по З.А.Корчагиной) и газовый (по В.Б.Мацкевич) режимы, ферментативная активность (по Хазиеву). Основное внимание уделялось методам упорядоченного вычленения выпуклостей (фигур, потоков) и вогнутостей (фона, подложки, системы отсчета) рельефа по преобразованным горизонталям, а также способам описания характера распределения почв по этим элементам рельефа с позиций обоснования картографической двуплановости.

Изучение сопряженного картографического отображения почв и рельефа проведено по личным и другим изданным и рукописным картам, публикациям. Морфологические описания подкреплялись личными, а также выполненными на заказ традиционными физико-химическими анализами почв и вод.

Методом пластики рельефа автором отрисованы по топокартам и уточнены по аэрокосмоснимкам сотни потоковых карт всех масштабов (детальных, крупных, средних, мелких) на различные территории для целей почвенного, геологического, ландшафтного картографирования, мелиоративных проектно-изыскательских работ, экологической оценки территорий, землеустройства.

Методами визуальной идентификации и оптико-структурного анализа проводилось сравнение разных типов контурности карт (топографических, почвенных, ландшафтных и др.). Разработан метод масштабной генерализации по пластике рельефа, который был принят и широко использован инженерами гипроземов России при переносе содержания крупномасштабных полевых почвенных карт в контуры среднемаспггабных потоковых карт, составленных соискателем методой вторых производных.

Защищаемые положения концепции двуплановой картографии почв заключены в следующем:

-расположение почв в пространстве вместо прежних плоских выделов может быть наиболее объективно представлено на двуплановых картах, контуры которых отображают сопряжение искривленных пространств' почв и рельефа, полученное картографическим методом вторых производных;

-следует различать почвенные карты двух типов: 1 -эмпирические, контуры которых построены в поле с преобладанием чувственного восприятия обыденного опыта: 2-теоретические, геометрия внешнего облика которых основана на формализованных конструкциях горизонталей по результатам научного опыта, подтверждаемого эмпирическими полевыми наблюдениями;

-существует два типа почвенных карт, каждый со своим, соответствующим ему способом построения: 1-эмпирические карты строятся по принципу: "от содержания - к форме", когда сначала в поле выявляются свойства почв, а затем оконтуриваются на карте, ориентируясь на горизонтали топокарт; 2-теоретические карты строятся по иному принципу: "от формы - к содержанию", когда до выезда в поле по горизонталям топокарты создается морфотаографный каркас, в который затем "погружается" почвенное содержание, усгановливаемое при полевой съемке;

- порядок следования почв в двуплановой потоковой контурности подтверждает закон Докучаева о постоянстве соотношений между свойствами почв и формами рельефа и выявляет структуру гравитационной потоковой почвенной зональности, которая морфологически принципиально отличается от традиционной почвенно-биоклиматической поясности: к полосчатости добавляется древовидность. Признается существование двух типов зональности.

Научная новизна:

-анализ старых и новых почвенных карт выявил, что последовательная смена геометрии контурности обусловлена запросами науки и практики выражать свойства и законы распределения почв на более точном языке физики и геометрии; соискатель продолжает тенденцию геометризации почвоведения;

-установлено, что требованиям точных наук больше соответствуют двупла-новые почвенные карты, чем одноплановые, так как контуры одноплановых карт характеризуют размеры, а даушшювых - соразмерность. Переход от фиксации размеров контуров к фиксации их соразмерности, возможно, знаменует новый этап в геоинформатике, который открывается картами пластики рельефа и создает условия для применения теории симметрии в картографии;

-разработаны количественные и качественные методы формализации контурности почвенных карт путем введения в картографию принципа дву-плановости, который согласуется с принципом нормальных почв Докучаева;

-показано, насколько формализованные карты (катенные, потоковые) в отличие от неформализованных более мощны как средства познания; они графически отражают реальные свойства почв, рельефа, ландшафтов и более кратко, геометрическим описанием, выражают авторские концепции, идеи;

-установлено, что формализованная контурность карт позволяет однозначно осмысливать научные теории, избегать субъективных ошибок на картах, представлять почвенные тела в логически воспроизводимых точных образах;

-выявлено, что формализация карт ведет к новому стилю мышления - переходу от общего абстрагирования свойств почв к конкретным, более приближенным к реальности абстракциям, например, от катенных карт к пото-

ковым. Прежняя морфологическая картография заменяется физико-геометрической, позволяющей признавать почвенные образы физическими телами.

Практическая значимость проведенного исследования: -сделан вывод о необходимости освоения новой картографической методологии, представляющей почвы в двух срезах действительности: по выпуклостям и вогнутостям с отображением переднего и заднего планов, или соответственно - фигуры (потока) и фона (подложки), что позволяет более реально отобразить почвенный покров на производственных картах;

-внедрена в производство (гипроземы, гипроводхозы, геолого-разведочные предприятия) технология составления двуплановых карт, которая вводит новые почвенные понятия, имеющие системные корни с точными науками; это делает производственные картографические работы научно обоснованными, более объективными и доступными общему пониманию в науках о Земле;

-с помощью понятия "литодинамический поток" введено представление о движении почвенных тел под влиянием гравитации с указанием мест их формирования на командных высотах (репеллерах- Я), траекторий транзита и мест конечного назначения пути (аттракторов- А), что необходимо учитывать при бассейновом проектировании водохозяйственных объектов;

-предложены конкретные шаги по унификации контурности почвенных, геологических, ландшафтных карт, что в производстве способствует более эффективному системному обобщению фактов и целостному пониманию природы почв с единых общенаучных и философско-методологических позиций;

-разработаны пути совершенствования почвенного картосоставления с ориентацией на компьютерные технологии, которые интенсивно внедряются в производство, а потому требуют научно обоснованных абстракций;

-показано путем составления крупно- и среднемасштабных почвенных карт России, что формализованная контурность может объединить разрозненные факты о едином почвенно-геологическом теле - литодинамическом потоке, дать экономию времени и средств при полевом картографировании, повысить качество, точность, достоверность и информативность карт.

Личный вклад автора. Диссертация подводит итог тридцатилетнему груду автора по изучению почв центра России. Она является результатом анализа большого количества изданного и рукописного материала с целью выявления природы картографической контурности. Это привело к потребнос-ги теоретического обобщения концепции двуплановости карт и внедрения ее в производство, как более точно и полно отражающей реальную природу почв.

Научное обоснование нового метода картографирования проводилось твтором в течение 15 лет в пшроземах и пптроводхозах при крупномасштабной полевой съемке, при составлении методом пластики рельефа 30 сред-

немасштабных почвенных карт России (Московской, Тульской, Рязанской, Ивановской, Тверской, Смоленской, Свердловской, Курганской, Калужской, Ярославской, Псковской, Ленинградской, Новосибирской, Омской и других областей, а также республик: Коми, Башкирии, Удмуртии и др.); при крупномасштабном картографировании Чернобыльского очага загрязнения. Разработаны методические указания, наглядные пособия для обучения инженеров гипроземов и гипроводхозов, с которыми проводились в течение нескольких лет курсы в Пущине и с выездом на места (Алма-Ата, Пермь, Свердловск, Тула и др.). Проводятся занятия со студентами, магистрантами, аспирантами.

До составления двуплановых карт диссертант посвятил много лет крупномасштабным и детальным почвенным съемкам традиционным способом. Поэтому переход на принципиально новый путь картографирования: от формы - к содержанию с применением метода пластики рельефа происходил с оценкой нового через призму традиционного.

Новая методика двупланового картографирования почв потребовала освоения совершенно иных, ранее не применяемых в традиционной почвенной картографии, способов описания. Так, впервые совместно с Институтом кристаллографии РАН был применен оптико-структурный анализ (Фурье-преобразования) для изучения карт. Для этого автору диссертации потребовалось разработать трудоемкую методику подготовки картографических образцов, овладеть технологией анализа и расшифровки дифракционных картин.

Полученные результаты использованы при составлении методик, руководств, пояснительных записок к картам, научных программ, связанных с мелиорацией, сельским хозяйством, экологией, природопользованием.

Апробация работы. Материалы диссертации экспонировались на ВДНХ СССР и удостоены медалей (1974,1986). Основные положения широко опубликованы, доложены и обсуждались на Всесоюзных и Всероссийских конференциях: "Продуктивность почв лесостепной зоны" (Пущино,1972), "Основные проблемы охраны почв" (Москва, 1975), "Плодородие почв Нечерноземной полосы и приемы его регулирования" (Пущино,1975), "Научные основы рационального использования и~ повышения плодородия почв" (Ростов/Дон,1978), "Системно-экологический подход к современным проблемам сельского хозяйства и науки" (Горький,1980), "Почвенно-экологические и мелиоративные проблемы... (прогнозы и рекомендации)" (Пущино,1983), "Применение математических методов и ЭВМ в почвоведении" (1983), "История развития почв СССР в голоцене" (Пущино,1986), "Картография в эпоху НТР: теория, методы, практика" (Москва,1987), "География и картография почв" (Москва, 1991), "Кольцевые структуры и морфоструктуры (теоретические и прикладные аспекты)" (Владивосток, 1991), "Картография на рубеже

тысячелетий" (Москва, 1997), "Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения" (Москва, 1998), на школах "Экология и почвы" (Пущино,1995-1998), на Y Всесоюзном съезде почвоведов (Минск,1977), на YHI Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск,1989), на II Всероссийском съезде почвоведов (С.-Петербург, 1996), на Международных конференциях: "Symmetry of Structure" (Венгрия, Будапешт, 1989), "Пространственные группы симметрии и их современное развитие" (Ленинград,1991), "Принципы и методы экологического картографирования" (Пущино,1991), "Структура почвенного покрова" (Москва, 1993), 15-й Международный Конгресс почвоведов (1994, Мексика, Акапулько), "Paleoenvironmental Records of Desert Margins and Paleomonsoon Variation during the last 20ka" (Китай,1994), "Quatenary Deserts and Climatic Change" (ОАЭ, Абу-Даби,1995), "Asian ecosystems and theis protection" (Монголия, Уланбатор,1995), "Классификация геосистем" (Иркутск,1997), "Nonlinear Phenomena in Biology" (Пущино, 1998), 16-й Международный Конгресс почвоведов (Франция, Монпелье,1998).

Результаты исследований нашли применение и реализованы при составлении в 1980-1992 гг. областных почвенных карт, из которых 18 многокрасочных карт изданы ГУГК СМ СССР, в т.ч. положенные в основу работы: "Создание новой технологии составления серии почвенных карт центра России и освоение в практике рационального использования природных ресурсов", выполненной Государственным земельным Комитетом РФ при непосредственном участии автора диссертации.

Публикации автора общим числом 82 все соответствуют теме диссертации, включают 18 карт и три пояснительные записки к почвенным картам Московской, Владимирской, Ярославской областей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и трех частей, разбитых на главы, выводов. Работа изложена на 223 страницах машинописного текста, включает 51 рисунок, список литературы из 273 названий, включая иностранную литературу.

1. АНАЛИЗ КОНТУРНОСТИ ПОЧВЕННЫХ КАРТ 1.1. История отражения почвенного покрова на картах рельефа.

В этой главе рассмотрены возможности отображения структуры рельефа на почвенных картах. Исходным пунктом для сопряжешгого анализа рельефа и почв служит признание почвы естественно-историческим телом природы, отделенным гранями от окружающей среды. Одна из граней, выходящая на дневную поверхность, является общей с рельефом. Поэтому внешние естественные формы почвенных тел заключены на картах рельефа: перспективных, гашюрных, изогипсовых и морфоизографных. Эти карты имеют различное

математическое обеспечение, что отразилось на качестве почвенных карт в различные годы. Поэтому мы провели сравнение, позволившее выявить, как были использованы карты рельефа при картографировании почв.

Контурность карт подтверждает извечное стремление исследователей познавать природу через геометрию, отражающую ее физическое состояние. Предшественники (Н.Кузанский, Г.Галилей, К.Ритгер и др.) считали, что наука записана в книге-Вселенной на языке математики, а ее буквами являются треугольники, окружности и другие геометрические фигуры.

Позже люди поняли, что объективное познание земной поверхности возможно при отражении ее геометрии на картах. Если контуры карт довести до правильных геометрических фигур, то можно сравнивать их между собой, устанавливать специфику и меру отклонения от идеала, а также искать путь перехода к высшей степени формализации - числу. Геометрия контура, выраженная числом, дает картографический образ пространства (А.М.Берлянт) со своим языком (А.А.Лютый) и способами исследования (К.А.Салищев), особенно математическими (Дж.К.Максвелл, П.К.Соболевский, С.А.Зимов, А.К.Суворов, М.Р.Короткнна, В.А.Червяков, И.Г.Черванев, A.B. Поздняков).

Первые карты рельефа названы перспективными по стилю отображения, близкому к рисунку в живописи. Они являют собой пример введения в картографию проективной геометрии, повлиявшей на внешний облик почвенно-земельных карт. Высокая степень наглядности обусловила применение их до начала XIX в., а также в некоторых странах обеспечила возврат к ним в настоящее время на обновленной с помощью компьютерных технологий основе. Такие карты с научной точки зрения все же остаются малоинформативными од-ноплановыми; там каждый выдел плотно, без зазоров, примыкает к соседним.

Гашюрные карты рельефа знаменуют собой опыт сочетания дифференциальной геометрии с физическими величинами: направление стока, протяженность склона, степень крутизны скатов (отражаются толщиной штрихов). Га-шюры есть скалярная форма векторов, они дискретны и одномерны, связаны со скелетными картами - орографическими и гидрографическими, получившими признание в геологии с середины XX в. благодаря работам В.П.Фи-лософова (1975). Первые почвенные карты составлены на основе штриховых карт, позволяющих значительно повысить качество контурности тематических карт. И действительно, выделы этих почвенные карт хотя и одноплановые, но несут тенденцию разделения почв повышений и понижений. По штриховым картам работал В.В.Докучаев, что наложило отпечаток на его понимание природы почвенной зональности.

Вершиной формализованного изображения рельефа с самым высоким на данное время уровнем математической обеспеченности стали топографы-

ческие карты с горизонталями. Они обусловили расцвет почвенной картографии, внесли мировоззрение гипсометрических уровней, отразившееся на упорядоченности контуров в виде почвенных полос: "верх-низ" на картах В.В.Докучаева. Его карты, хотя и являются одноплановыми, четко обозначили проблему необходимости разделения почв по двум срезам: нормальных почв по повышениям, а анормальных - по понижениям. Такое распределение почв по двум планам названо принципом нормальности.

Марфоизографные карты, полученные преобразованием горизонталей то-покарт (Временная методика...,1984), использованы в качестве базового системно-структурного каркаса для составления карт природы. Морфоизогра-фы являются изолиниями кривизны и описывают формы почвенных тел. Они, как и горизонтали топокарт, отображают проекции почвенно-геологических тел, поскольку дневная поверхность у геологического рельефа и рельефа почв общая. Горизонтали представляют эти тела линиями равных высот, а морфо-изографы - линиями равной плановой и профильной кривизны, или формы.

Исходными основами для отображения форм земной поверхности, почвенного покрова, геологических тел, ландшафтов и других объектов природы в настоящее время являются: 1)топографические карты, которые, будучи наибо-пее формализованными, служат в нашей стране обязательным плановым документом при любых изысканиях, проектировании и строительстве; горизонтали гопокарт и их прообразы являются основным объектом изучения диссертации; 1) аэрофотокосмоснимки, которые для их формализации дополняются гори-юнталями топокарт; они в диссертации рассматриваются как вспомогатель-ше и служат для проверки полученных по топокартам узоров. Космоснимки или толчок к изучению динамики природы (В.И.Орлов, Н.В.Соколова, В.Б. Зиноградов, И.ПГерасимов, Т.В.Афанасьева и др.).

Информацию о формах земной поверхности с горизонталей снимают полному, выделяя элементы: природные рубежи (Долгова,1980); структрные очки, линии, плоскости (Ефремов, 1949; Васмут,1983; Спиридонов,!970; 1асточкин,1986, 1991; Червяков,1978; Черванев,1979; Сорокина, 1980; и др.); золинии кривизны (Волобуев,1949; Степанов, 1978; Хакимов,1995; Фридладд, '.альван,1980; Ильина, Брынских, Деева ,1989; Сабитова,1987; Шарый, 1991; Говегухина, Пейдо,1987; Лошакова.1988; Флоринский,1991; Ковалева, 1991; и р.). Существенный вклад вносят в почвенную картографию аэрокосмические етоды, обеспеченные трудами Л.И.Прасолова, Ю.А.Ливеровского, В.Л.Анд-зникова, М.С.Симаковой, Ю.С.Толчелышкова, В.А.Калниной, Г.В.Добро-эльского, Л.Л.Шишова, С.В.Зоина, Ф.И.Козловского, Ю.Ф.Книжникова, Т.В. оролюк, Л.Н.Кулешова и других. Однако аэрокосмические снимки не изме-яли традиционную форму контуров на почвенных картах.

1.2. Анализ контурности почвенных карт.

В данной главе проведен анализ контуров почвенных карт различных авторов, лет и масштабов. Но во главу исследований положены мелкомасштабные карты в связи с тем, что: а) с мелкого масштаба берет начало русская картографическая почвенная школа; это обусловлено необъятными просторами России, сжатыми сроками выполнения работ по оценке земель. Изучение почв в других странах начиналось с крупных и средних масштабов, поэтому понимание связи почв с природой контуров иначе отразилось на мировоззрении зарубежных почвоведов; б) мелкомасштабные и обзорные карты выражают наиболее значимые концепции лидеров науки; в) мелкомасштабные карты в отличие от других карт издаются огромными тиражами, тем самым обусловливая большую их открытость, сохранность и известность более широкому кругу почвоведов. В силу названных причин геометрия контуров мелкомасштабных карт становится эталоном для многих поколений специалистов; этот эталон используется при создании почвенных карт всех масштабов. Поэтому в автореферате, в отличие от диссертации, карты средних и крупных масштабов рассмотрены менее подробно, чем мелкомасштабные.

Мелкомасштабные почвенные карты. Первой научной почвенной картой считается изданная на территорию Европейской России мелкомасштабная карта В.В.Докучаева (рие.1Б). Предыдущая карта В.И.Чаславского (А) завершила этап эмпитческой картографии школы акад. К.С.Веселовского.

Рис.1. Три типа контурности на фрагментах почвенных карт Европейской России одной и той же территории. Обозначения почв. А: 2 - глина; 3 - суглинок; 4 - супесок; Б,В - класс нормальных почв: 16 - дерновые и подзолистые суглинки и суглино-супеси на валунных и иных песчаных глинах; 17 - дерновые и подзолистые супеси и глинистые пески; 26 - песчаные почвы; класс анормальных почв: 27 - аллювиальные почвы.

Эта школа работала опросно-статистическим методом, который оставлял открытой проблему границ. Далее периодически, через каждые 20-30 лет, лидерами почвоведения: К.Д.Глинкой, Л.И.Прасоловым, И.П.Герасимовым,

В.А.Ковдой, В.М.Фридландом, М.А.Глазовской накопленный материал теоретически обобщался в виде сводных карт того же или близкого масштаба.

Каждая карта отражает ту или иную идеологию науки своего времени. Поэтому контурность этих карт при одном и том же масштабе не совпадает. Обнаружение разночтения в границах почв стало причиной того, что в диссертации гносеологическому анализу контурности карт уделено особое внимание.

В.В.Докучаев поставил задачу отображать на почвенных картах все почво-образователи и в первую очередь рельеф. Контурность на карте В.В.Докучаева (рис.1 Б) имеет вид катены: полоса почв водораздела (N16) ниже по склону сменяется полосой, занимающей середину склона (N17), а затем полосой нижней части склона (N26); все почвы нормального класса полос (N16, 17, 26) соотнесены с классом анормальных почв-наносов поймы (N27). Такой порядок следования почв, растительности и других элементов природы от водораздела к тальвегу впоследствии был предложен за рубежом и получил мировое признание как катена (Милн,1935). Но на карте Докучаева (рис. 1Б) видим не просто катенный порядок следования почв, а нечто более глубокое. Такое соотнесение класса нормальных почв к классу анормальных почв отражает соразмерность, которая привела В.В.Докучаева к законам о постоянстве отношений между развитыми почвами и развивающимися наносными почвами, между почвами и рельефом и др. К сожалению, в начале-середине XX в. на почвенных картах не находим ни соразмерной упорядоченности почв, ни просто катенного, или любого другого порядка. На почвенных картах стали доминировать выделы. геометрия которых не обозначена, она прочно закрепилась и получила статус традиционной картографии, отраженной еще на карте В.И.Чаславского 1879 г. (рис.1 А).

Контурность рис.1А привела В.В.Докучаева к высказыванию, что карта "поражает... беспорядочной пестротой. Никакой причинности..., никакой генетической связи..., никакой правильности, никакой законности в распределении почв мы не видим на карте..., с которой не может, конечно, примириться ни один ум, привыкший видеть в природе закон, и никогда - беззаконие, случайность. При взгляде на карту 1879 г. мне всегда представлялась следующая дилемма: или карта не соответствует природе или же почвы не суть естественные тела, география которых не подчиняется никаким законам. Так как последнее немыслимо, то оставалось по необходимости принять первое". Последователи В.В.Докучаева (Н.А.Димо, С.А.Захаров, М.М.Филатов, В.Р.Волобуев, Ф.Н.Мильков и др.) контурностыо своих карт отстаивали принцип нормальности, выделяя почвы относительных повышений и относительных понижений, стремясь тем самым придать картам двуплановость: верхнее по отношению к нижнему. Однако большинство карт XX в. были одноплано-

выми; они не выявляли последовательную смену почв по способу их залегания на склонах. В работе дан анализ контурности почвенных карт разных лет для выяснения причин перехода от наметившейся позитивной двуплановости карт В.В.Докучаева к менее информативным одноплановым картам.

Визуальная идентификация контурности почвенных карт рис.1 А,Б,В с горизонталями топокарты позволила обнаружить, что выделы одноплановой карты (А) не связаны между собой и неупорядочены; полосы карты Докучаева (Б) тоже одноплановые, но они в стремлении к двуплановости приобрели ка-тенную последовательность, стали более формализованными, так как их границы следуют строгому правилу: они проведены параллельно горизонталям.

Почвенный покров карты рис.1В описан методом пластики рельефа, создающим особый двуплановый тип контурности, названный нами потоковым. На таких картах почвы выпуклостей показаны как передний план, соответствующий нормальным почвам Докучаева, а почвы вогнутостей - как задний план — анормальным почвам. При необходимости на потоках можно показать катены и выделы, которые на карте (В) получают пространственную определенность, продиктованную формой каркаса потоковой структуры.

Метод вторых производных, морфоизографы которого отражают на карте рис.1В ориентацию гравитационных процессов, реализуют идею В.В.Докучаева о сопряженном картографировании рельефа и почв. Образуемые при этом на карте (В) потоки могут стать теми картографическими и классификационными единицами, поиск которых многие годы ведется в почвенной науке (Я.Н.Афанасьев, Ф.Н.Мильков, Б.П.Ахтырцев, Е.А.Дмитриев, И.А.Соколов). Потоковые системы являются картографическими проекциями естественных почвенно-геолопгческих тел-выпуклостей, для которых вогнутости выполняют функцию системы отсчета (Степанов, Лошакова.1997). Вогнутости, таким образом, приобретают в картографии особую физическую роль репера, относительно которого определяются прошлые скорости движений потоков.

Среднемасштабное картографирование подробно проанализировано в диссертации; установлено, что оно зародилось в России как полевой метод изучения почв. Геометрия контуров на таких картах отражает предыдущий, подобный карте рис.1 А, опыт и способ выражения личных идей. В конце XIX в. наметился раскол в русской почвенно-картографической школе. До-кучаевцы, называвшие себя "объективными почвоведами", внедряли формализованную полосчатую контурность: почвы верха-середины-низа склона (как на рис.1Б), пытаясь этим противостоять активно распространяющейся на почвенных картах Р.В.Ризположенского и его последователей методологии изображения условно однородного содержания о почвах в границах выделов произвольной формы и больших размеров (как на рис.1А). На картах Чаславско-

го-Ризположенского отражены не элементарные почвенные ареалы, а их недифференцированные совокупности в виде целых "условно однородных по содержанию районов" (Виленский, 1945). Такое картографирование (рис.1А), ставшее традиционным, значительно проще, не требует специальной подготовки, им легко овладевают многие. Поэтому так широко и надолго оно вошло не только в почвоведение, но и в другие области знания науки о Земле.

Крупномасштабные съемки внимательно рассмотрены в диссертации в рамках ретроспективного анализа. Они ведутся в России с конца XIX в. сначала для отдельных имений, после 1917 г.- для полей колхозов, совхозов, а сейчас - и фермерских хозяйств. Крупный масштаб позволяет непосредственно соприкасаться со строением почвенного покрова через те его срезы, которые названы почвенными профилями, и по ним обнаруживать тесную связь почв с элементами рельефа. Именно здесь начинает формироваться понятие "почвы" как объемного природного тела, поиск естественной формы которого и ее показ на карте - основная задача почвенной картографии.

Традиционная контурность, исходно базирующаяся в России на методологии создания мелкомасштабных карт, прочно вошла в почвенную картографию среднего, крупного и детального масштабов. Попытки совершенствовать ее привлечением аэрокосмоснимков и учения о структуре почвенного покрова, не меняют принципиально облика карт. Для становления нового необходим метод пластики рельефа, образующий почвенную двуплановость.

2.0ТРАЖЕНИЕ В КОНТУРНОСТИ КАРТ ПРОБЛЕМ ПОЧВОВЕДЕНИЯ 2.1 Проблема границ в географии и почвоведении.

Границам в диссертации уделено большое внимание, а изучение их природы в данной главе связано с пониманием дискретности и континуальности почвенного пространства. В отличие от почвоведения границы активно обсуждаются в географии: А.Ф.Асланикашвили, В.С.Преображенский, .А.Д.Арманд, Л.Н.Беручашвили, Б.В.Виноградов, А.Ю.Ретеюм, В.Н.Солнцев, Б.Б.Родоман, В.Л.Каганский, Ю.Г.Пузаченко, В.А.Боков, Д.А.Тимофеев, В.Б.Сочава, Ф.Н. Мильков, В.А.Снытко, С.А.Александров, Э.Г.Коломыц и др. Многие из них видят ландшафты и почвы в форме непрерывной поверхности - континуума. Пространственный континуум можно делить по-разному: 1 -эмпирически, исходя из полевых наблюдений; 2-искусственно, как при построении полипедонов; 3 -геометрически, путем преобразования горизонталей в изолинии кривизны; последние выделяют из континуума горизонталей дискретные формы почвенного пространства, названные потоками. В традиционной картографии истинными признаны границы, установленные

непосредственно в поле (Красюк,1932; Садовников,1952; Цыганенко,1967; Евдокимова,1987 и др.) по шурфам с учетом факторов почвообразования (рельеф, породы, растительность и др.). Согласно классификации почвы разделяют по содержанию, обозначая его внутри контура индексами и знаками, смысл которых раскрыт в легенде. Е.А.Дмитриев (1993) перечислил все возможные почвенные границы. Эти границы при ближайшем рассмотрении оказываются изолиниями плановой и профильной кривизны, выделяемыми методом пластики рельефа. Данный факт свидетельствует о том, что проблема границ нуждается в научном обосновании, которое может быть получено из теории кривизны К.Гаусса. Эта проблема является центральной в диссертации и решается с позиций почвоведа, а не математика.

Границы выполняют две противоположные функции: разделительную и объединительную. Традиционная картография работает в разделительной парадигме с признанием, что "почвенные границы являются... искусственными" (Прасолов, Избр.соч.,1978). Поэтому выделы на таких картах не отражают слияния формы с содержанием. Основное внимание традиция уделяет содержанию, которое раскрывается в тексте легенды. При этом легенда так разбухает, что подавляет собой контурность самой карты.

Границы контуров (выдел, полоса, поток) несут разный смысл: 1-раз-деление по содержанию у выделов на картах типа Чаславского (рис.1 А); 2-ото-ждествление в катенном конструкте Докучаева, где каждая полоса отождествляет почвы со своим местоположением: верхом, серединой или низом склона (рисЛБ); 3-соотнесение на потоковых картах, морфоизографы которых свойства почв повышений соотносят со свойствами почв понижений (рис.1 В).

Объективность и точность установленных в поле границ не выдерживает проверки: они проводятся на картах без строгих математических правил, поэтому не воспроизводятся однозначно. Пример В.В.Докучаева по формализации почвенных границ путем привязки полосчатой контурности к горизонталям топокарт (рисЛБ) получает математическое обоснование (Степанов, 1982; Крыщенко,1987). Полосы Докучаева (рисЛБ) заложили в теорию картографии идею о том, что вначале на карте нужно создать по правилам конструкт (каркас), а затем вкладывать в него почвенное содержание (тоже по правилам). Такое представление соответствует общепринятому в науке пути исследования: от формы - к содержанию, т.е. к первичности морфологического анализа, который математически наиболее обеспечен. В науках о Земле этот путь связывают с поиском элементов рельефа (Ю.К.Ефремов, А.И.Спиридонов, Н.А.Гвоздецкий, С.С.Соболев, В.А.Черванев, В.А.Червяков, А.Н.Ласточ-кин, Ю.Г.Симонов, Е.Е.Ширяев и др.). Метод пластики позволяет такие поиски воплотить на карте в виде структур, созданных изолиниями кривизны.

В диссертации делается заключение, что для успешного решения проблемы границ необходимо принципиально изменить технологию составления карт. Из двух возможных путей: 1- от содержания - к форме. 2- от формы - к содержанию до сих пор традиционная почвенная картография шла только по первому из них, признавая, что "в принципе возможны оба случая, однако... распространение имеет лишь первый" (Дмитриев, 1991).

Метод пластики рельефа позволяет перейти к формализованным абстрактным естественным телам-выпуклостям на фоне вогнутостей, почвенные разности на которых можно показать уже всем известными катенами и выделами с иерархией их границ соответственно принятой классификации. Утолщенные линии морфоизограф выделят из окружающего фона собственно почвенные тела-выпуклости, сочетание которых есть базовый структурный каркас, отражающий геометрию почвенного покрова, обусловленную гравитационным движением литодинамических масс с их малыми скоростями. Условной тенью можно подчеркнуть вертикальную кривизну почвенного тела по отношению к фону - почвенным образованиям и наносам относительных понижений. Почвенное тело-поток при смене свойств по склону в зависимости от высоты можно делить далее другими, например, пунктирными линиями на полосы по Докучаеву. Но смысл полученной таким образом полосчатости несколько иной: понятие нормальных почв теперь относится к катенам почв выпуклостей, а почвы катен вогнутостей будут в разряде анормальных для данного уровня организации почвенного покрова. Разнообразием линий границ почв, можно ранжировать потоки на картах любого масштаба до требуемого классификацией уровня. При переходе от масштаба к масштабу сохраняется естественная самоподобная, обусловленная фракталъностью, структура потоков. Форма потоков отличается друг от друга лишь абсолютными размерами, изменяясь соответственно уровню иерархии (масштабу) от метров до сотен километров.

2.2. Классификация почв с позиции их картографирования.

В диссертации проблема классификации почв обсуждается с точки зрения отображения классифицируемых почв на картах. В науках о Земле ей посвящено много статей, в которых рассматривается вопрос создания неформальных и формальных, искусственных и естественных, частных и базовых, а также других классификаций (Воронин, 1982; Забродин, 1981; Розова,1985; Кожа-ра,1984). В почвоведении подобные проблемы изучают Г.В.Добровольский, Е.Н.Иванова, Е.В.Лобова, М.И.Герасимова, В.О.Таргульян, Л.Л.Шишов, И.А. Соколов, И.М.Гаджиев, В.М.Корсунов, И.Н.Степанов, Б.П.Ахтырцев, В.А. эожков, С.В.Зонн, О.В.Макеев, В.В.Снакин, А.Н.Тюрюканов,М.Н.Строгонова.

Отображение структуры содержательных классификаций почв возможно на двуплановых картах. Последние несут качественную информацию, способную к преобразованию в количество. Такие карты идут от В.В.Докучаева. В его системе почвы расположены по склону: верх занимают нормальные почвы, а низ - анормальные; между ними в середине расположены переходные почвы. Этим реализована мысль Ф.И.Рупрехта (1868) о наличии порядка в мире почв. Кроме того, внутри каждого класса (нормальных, переходных и анормальных) почвы разделены Докучаевым по градиентам ведущих генетических свойств. Для этого потребовалось представить почву однородной средой в виде "гумусового профиля". Различия в количестве гумуса дают основание отличать почвы по этому признаку, отражая градиенты на картах изогу-мусовыми полосами (Нефедов,1909; Набоких,1922). Легенда к Докучаевской почвенной карте (рис.1Б) является одновременно и классификацией для этого мелкомасштабного уровня рассмотрения почвенного покрова.

Анализ почвенных карт привел к выводу, что сравнителыю-географи-ческий метод Докучаева открыл большие возможности обнаружения и накопления знаний о свойствах почв, синтезирующихся в генетической классификации. На постоянное пополнение генетического знания направлена вся почвенная наука и практика. Переиздание почвенных карт связано с этапами накопления и обобщения классификаций. Поэтому при оценке почвенных карт (Танфшгьев, Фсрхмяи,] 900; Соболев,1945; Садовников, 1954; Виленский,1958; Крупенников, 1981 и др.) в первую очередь отмечается увеличение числа наименований почв на карте: у Чаславского (рис.1 А) их было 8, а у Докучаева (рис.1Б) - 32. На карте В.М.Фридланда (1988) обнаруживается уже несколько сотен почвенных разностей, из которых Г.В.Добровольский (1993) отметил "120 типов и особых видов лесных почв".

Легенда Докучаева структурирована обозначением классов почв (нормальных, анормальных, переходных), выдерживая присущую ему склонность к триаде (в разрезе - горизонты А,В,С; по склону - почвы верха, середины, низа). Этой схемы придерживались его ученики и последователи (Димо,1903; Филатов,1923 и др.). Но уже Л.И.Прасолов (1930) в своей легенде дает просто перечень почв, без группировки их на классы: А-нормальных, В-переходных и С-анормальных почв, как это делал В.В.Докучаев. В.М.Фридланд (1988) дополнил легенду карты Л.И.Прасолова сочетаниями и комплексами как отражением структуры почвенного покрова. При этом В.М.Фридланд сохраняет одно-плановость и лоскутность почвенных карт, а структуру почвенного покрова показывает символами, но не формой контурносги карты.

Многие почвоведы: Г.В.Добровольский, Л.Л.Шишов, И.А.Соколов, В.О. Таргульян, И.М.Гаджиев, В.М.Курачев, М.И.Дергачева, Б.П.Градусов, Н.П.

Чижикова, А.В.Хабаров, Б.Н.Золотарева, О.И.Худяков, Е.И.Панкова, Г.А.Ларионов, Н.Г.Минашина, Э.А.Корнблюм, Е.М.Наумов, Е.Д.Никитин, Н.Ф.Гла-зовский, Б.П.Ахтырцев, А.Ф.Апарин, В.М.Алифанов, А.С.Владыченский, А.Г.Назаров, В.Д.Тонконотов, П.Н.Балабко и другие стремятся обобщать факты картографически. Ценность карт повышается слиянием формы и содержания в единое системное целое, которое стремятся вложить в классификацию. Системное отображение почв можно найти на геохимических и ландшафтных картах Б.Б.Полынова, А.И.Перельмана, М.А.Глазовской, В.А.Ковды, В.В.Добровольского, С.В.Зонна, И.Н.Степанова Ф.И.Хакимова, контурность которых сопряжена с рельефом. Фактически пластикой рельефа обоснована у Ф.Н. Милькова 1961) Ландшафтно-типологическая карта ЦЧО; его традиции продолжает Б.П.Ахтырцев (1968, 1974 и др.).

2.3. Отображение почвенной зональности на картах.

В диссертации почвенная зональность занимает важное место, так как зоны и пояса отграничены друг от друга линиями, требующими формализации. Зональность в диссертации обсуждается с позиций двуплановых карт. Судя по публикациям (Н.М.Сибирцев, Я.Н.Афанасьев, В.Г.Зольников, А.Ф. Цыганенке, И.Ф.Садовников и др.), концепция почвенной зональности получит определенное решение тогда, когда ее основные понятия будут формализованы, а значит, и адекватно картографически воплощены. Формализация позволяет трактовать зональность как порядок следования свойств почвенных ареалов. Порядок следования может быть выражен через термины математики. Но понятие порядок не поддерживается из-за укоренившегося представления об уникальности природы почвенной зональности (Фридланд, 1972).

Многие считают, что понятие "структура" применимо лишь на уровне детального и крупного масштабов, где возможно отображение периодической повторяемости ареалов; это понятие они не приемлют на картах среднего и мелкого масштабов из-за якобы структурной неповторимости почвенных ме-зо- и макроформ. В действительности же для проявления структуры, по нашему мнению, нет ограничений. Поэтому можно представить почвенную зональность как структурный порядк следования почвенных свойств и форм на любом масштабном уровне организации. Сказанное подтверждается сравнением прежних и современных почвенных карт. Так, на докучаевской карте рис.1Б катенная последовательность почв отражена на мезосклонах; на обзорных картах К.Д.Глинки (1908,1915) этот же принцип трактуется более широко - как смена почвенных поясов на поверхности Земли. Л.И.Прасолов(1922) уточнил почвенную зональность полос фациальным делением, и дал её в виде схемы. Совмещение этой схемы с картой пластики рельефа позволило нам разъяснить его идею об учете разнообразия внутренней ориентации склонов и

их деления по уровням в пределах почвенных зон. Видимо, можно согласиться с тем, что в катенной последовательности почв есть некая универсальность, аналогичная оптическому спектру, возникающему при разложении света. Почвенный катенный ряд подобно световому спектру можно как сжимать до микроразмеров, так и без ограничения увеличивать.

2.4. Системно-структурный подход в картографии почв.

В диссертации уделено большое внимание той системообразующей роли, которую выполняет новая картографическая линия - морфоизографа. Она создает двуплановость почвенного пространства, представленного системой (передний план) и подсистемой (задний план). Поэтому нам было важно проследить идею становления системного подхода в почвенной картографии.

Системный подход задолго до своего создания как учения получил отражение на карте у Докучаева в виде порядка следования почвенных полос по склону согласно общепринятой ныне схеме: верх-середина-низ и сформулированного им закона о постоянстве соотношений между формами земной поверхности и характером местных почв. Отметим, что активно ведущиеся в других отраслях знания на высоком философско-методологическом уровне системно-структурные разработки для объектов природы (Э.М.Сороко, С.В.Мейена, Ю.А. Шрейдера, Ю.А.Урманцева, Р.Г.Ба-ранцева, С.И.Сухоноса, В.Д.Цветкова, О.М. Калинина и др.) получают отклик в почвоведении (Степанов,1986; Корсунов, Красеха,1990; Минъковский,1995; Гильманов,1977; Керженцев,1995 и др.). Интуитивный структурный подход в почвоведении берет начало с работ В.В.Докучаева (рисЛБ). Н.М.Сибирцев (Избр.соч., 1951) показал повторяющиеся "типы пашен" (1,2,3...) на склонах восточной и западной экспозиций в виде чередования полос катен (рис.2А). Гак он воплотил на карте свое

Рис.2. Катенная структура почвенного покрова (А) на карте Хреновского участка Каменной степи (Воронежская обл.) Н.М.Сибирцева(Избр. с-оч.,1951)в М1:42000 (фрагмент) представлена через симметрию автором диссертации (В). Обозначения черноземов с содержанием перегноя: 1-свыше 9% (до 11%); 2 -от 7,5% до 9%; 3- от 6% до 7,5%; 4 -ниже 6% с примесью песку, или несколько перемытый на склонах; 5 -неразвитые почвы на более крутых склонах

Р'

представление о том, что почвенный покров имеет "свои постоянные правильные черты, свою гармонию и свою симметрию" относительно проходящей по пойме реки плоскости зеркального отражения (рис.2Б). Строение низин в плане Я.Н.Афанасьев (1922) выразил в виде концентров и их сочетаний, для которых легко находим симметрию. Опыт М.А.Глазовской (1964) по выявлению структуры по типу "узлов" и "цепей" нашел в дальнейшем отклик у географов и геологов (Солнцев, 1981; Соловьев, 1981; Федоров, 1991; Кузнецов,Муравьев,1991), а И.Н.Степанов (1986) выразил его через симметрию кристаллографической решетки, заменившую таким образом качественные определения. Многое сделал для внедрения в почвоведение системно-структурных представлений В.М.Фридланд (1965-1984).

В понимании природы почвенных систем наметились два подхода: 1-возможность представления традиционного выдела одноплановой карты как системы, осуществляемая М.С.Симаковой, Н.П.Сорокиной, Ф.И. Козловским, И.А.Соколовым, Э.А.Корнблюмом, В.Д.Василевской, Л.О.Карпачевским и др.; 2-выход за пределы традиционного выдела одноплановой карты и изображение почвенного покрова изолиниями кривизны через двуплановость позволяет представить почвенные системы в виде упорядоченных потоковых структур переднего плана с нормальными почвами, на фоне подложки, создающей задний план (подсистему) с наносными анормальными почвами. Почвенные потоковые структуры в интерпретации "фигуры - фон" обладают всеми свойствами систем, симметрию которых можно определять не только визуально, но и физическими методами (Степанов, Лошакова,1987).

3. ДВУПЛАНОВАЯ ПОТОКОВАЯ КОНТУРНОСТЬ КАК ОСНОВА ПОЧВЕННЫХ КАРТ 3.1. Характеристика трех типов контуров почвенных карт.

В диссертации с позиций геометрической размерности и термодинамики проведен анализ трех типов контурности: выделов, катен и потоков. Показано, что с точки зрения размерности выделы (рисЛА) нульмерны. Содержание в них тех или иных веществ (гумуса, карбонатов, солей...) является условно однородным в пределах всей отграниченной площади и сведено к одному числу, определяющему, например, процент гумуса, карбонатов, солей... В каждой точке такого выдела значения свойств считаются одинаковыми: в центре количество гумуса (влаги, карбонатов и др.) подразумевается такое же, как и на периферии. Пространство выдела изотропно, ибо в нем нельзя выделить никакой направленности изменения ни содержания, ни формы. По свойствам выдел обладает полной симметрией, присущей точке, до которой его можно

свести. С термодинамических позиций выдел представляет собой замкнутую систему, не связанную обменом с окружающей средой.

Полоса катены В.В.Докучаева (рис.1Б) одномерна, ее можно выразить векторной линией, перпендикулярной к горизонталям топокарты. Границы полосы привязаны к горизонталям топокарты, они параллельны между собой. Вектор, отражающий гравитацию, связывает каждую точку полос с другими, соседними. Поэтому в полосе можно достоверно констатировать взаимодействие в процессах только между связанными вектором точками; так в полосе отражена анизотропия. Полоса в свою очередь получает смысл только в катене. Она выступает как термодинамически закрытая система: обмен энергией и веществом идет в одном направлении от Солнце к почве. Это объясняет почему мелкомасштабные карты описывюет широтный катенный порядок почв на земной поверхности как проективное отражение потока солнечных лучей.

Потоковая почвенная контурность отражает двуплановую двумерность (рис.1В). На рис.3 показана технология построения потоковых структур: на горизонталях топокарты (А) находят точки нулевой плановой кривизны (Б) и соединяют их линией, получая контур в форме потока (В). Закрасив одну из сущностей (выпуклость или вогнутость), получаем подобие инь-ян (рис.ЗГ).

01 02 ШЭз Е34 {Шд Щб И? 08

Рис.3. Технология преобразования изогипс топокарт в морфоизографы нулевой плановой кривизны: А - изогипсы (горизонтали) топокарты; Б - карга пластики рельефа; В потоковая структура карты Б; Г - инь-ян как образное смысловое выражение потоковых структур. Обозначения: 1 - изогипсы; 2 -морфоизографы; 3 - точки нулевой плановой кривизны (места пересечения изогипс и морфоизограф); 4 - относительные выпуклости (+) - потоки и вогнутости (-) - фон; 5 - почвенное тело-поток; 6 - репеллеры и аттракторы; 7 - плоскость симметрии потоковой структуры; 8 - направление движения потока (вектор гравитационного движения почвенно-геологической массы).

Форма контура обусловлена сочетанием градиента высоты с кривизной поверхности. В потоке есть исходная точка II (репеллер) с наибольшей высотой, максимальным запасом потенциальной энергии, начальной скоростью движения. Это вершина зоны дивергенции или точка, в которой формируется вынос вещества и энергии (II). Из точки Я расходятся векторы гравитации согласно искривлению поверхности потока. Вектор максимального положительного значения кривизны известен в географии как водораздельная или гребневая линия, совпадающая с линией и плоскостью симметрии потока, а отрицательного - как тальвеговая или килевая, аттракторная линия с максимальной кинетической энергией. Векторы отражают процессы, обусловленные переходом под действием гравитации потенциальной энергии в кинетическую, вводя расстояние, время и скорость. Изучение морфометрии векторов потоковых карт на основе компьютерных технологий объединит исследователей при изучении процессов (почвообразования, эрозии и др.), связанных с гравитацией. Потоки отражают природные системы как термодинамически открытые, с постоянным обменом вещества и энергии по траекториям, неустойчивость которых проявляется в наличии точек бифуркаций. Карты потоковых структур (пластики рельефа) своим узором отражают дифференциацию земной поверхности, обусловленную эндо- и экзогенезом.

В диссертации отведено много места анализу педона - почвенного индивида и его сопоставлению с "потоком". В отличие от статистического педона поток отражает динамику почвенного пространства, его внутреннюю топологическую неоднородость. Каждая точка в потоке плотно примыкает к соседней точке, но качество ее другое по отношению к предыдущей точке, оно меняется в соответствии со сдвигом в пространстве вдоль вектора потока, притягиваемого аттрактором, которым служит понижение в конце бассейна стока.

Педон не удовлетворяет почвоведов (Розанов, 1983 и др.). Поэтому ведется поиск других элементарных почвенных единиц (Дмитриев,1993) или классификационно-диагностических индивидуумов (Соколов, 1997). На эту роль претендует "поток" по причине его высокой информативности, естественной обособленности от окружающей среды поверхностями кривизны. Поток име-гт три пространственных (ширина, длина, высота) и одно временное измере-шя, а педон трехмерен. Педон - геометрический, а поток - физико-геометри-теский конструкт, а потому он более приближен к реальной природе почв.

3.3. Потоковые карты в науке и практике природопользования.

В этой главе рассматривается роль картографических потоковых структур ) науке и практике. Это связано с тем, что в настоящее время широко внедряйся в почвенную картографию метод пластики рельефа. Он впервые позволя-!Т в исследования земной поверхности и почвенного покрова ввести подходы

и методы точных наук, строить математически обоснованные научные теории. Его применяют практики (инженеры гипроземов и гипроводхозов), ведущие отечественные (И.М.Гаджиев, В.М.Корсунов, В.М.Курачев, Ю.М.Семенов, ЛВ.Данько, А.И.Саталкин, Л.Н.Гавриленко, В.С.Крыщенко, А.Н.Ласточкин, Г.В.Воропаев, С.В.Викторов, В.С.Залетаев и др) и зарубежные ученые (А.Г.Бабаев, В.Буйвидайте, Д.Пиворюнас, Н.И.Сабитова, Н.Ф.Кабдушева, Г.Ш.Мамедов, Г.М.Гаджиев, И.Г.Федичкина, Э.А.Агбальянц и др.). Потоковые карты на каждом срезе масштабной организации выявляют свои специфические, присущие только данному уровню иерархии структуры почвенного пространства. Эти уровни показаны элементами (точками, линиями, плоскостями) и выражены на языке геометрии. Геометрия картографических узоров настолько упорядочена, что далее ведет к более высокому уровню абстрагирования - формулам симметрии. Низкая упорядоченность узоров карт пластики рельефа отличает экотоновые области, активно исследуемые географами (В.С.Залетаев, Э.Г.Коломыц, А.Д.Арманд и др.). Потоки, кроме того, отражают представление о структуре почвенной зональности как о симметрии концентрической смены поясов, как о проявлении почвенного полиморфизма. Такой порядок смены почв подобен катенному способу их расположения на склонах (рисЛБ).

Методом вторых производных создается системно-структурный морфологический каркас земной поверхности любой территории, имеющий большое как теоретическое, так и прикладное значение. По картографическому узору потоков можно выделить области формирования, транзита и аккумуляции вещества и их конкретную векторную направленность, указывающую местоположение репеллеров и аттракторов. Вслед за О.К.Леонтьевым, Д.А.Тимофеевым, А.Н.Флоренсовым, В.И.Поповым, Н.П.Костенко земная поверхность рассматривается соискателем как совокупность потоков, связанных между собой силой тяготения, что позволяет применять методы физики и математики для расчетов моделей природопользования.

Потоковые карты дают новое, более информативное, видение природы, которое обогащает практику землепользования, мелиорации, сельского хозяйства, проектирования и строительства хозяйственных объектов, мониторинговых наблюдений, экологии и охраны природных ресурсов.

Потоковый каркас служит объективному переводу контурности карт крупного масштаба в контуры карт среднего масштаба. В основу такой своеобразной генерализации положена самотождественность форм потоков карт разных масштабов одной и той же территории. Одинаковость форм почвенных тел сохраняется на картах до определенного предела, а потом вступают в силу законы физического подобия, нарушающие масштабную инвариантность.

При проектировании мелиоративных систем их можно встроить в структурный каркас потоковых почвенно-геологических тел. Такие системы служат дольше и эффективнее, что подтверждено нашим опытом строительства рисовников в Дагестане в совхозе "Ялтинский" (Шкилева1991).

Потоковые карты (рис.4) позволяют выявлять в пределах больших и малых бассейнов стока области неустойчивости, которые могут прогнозироваться как наиболее опасные в экологическом отношении. Поэтому потоковые карты часто используются как прогнозные, опирающиеся на почвенные, гидрологические, геохимические процессы.

Рис.4.Применение потоковых карт в природопользовании.

Например, на рис.4 (слева) здание а (черный прямоугольник,) и участки в 'отмечены насечками) дороги (или водо-,газо-,нефте- и любых трасс), находящиеся на путях активного движения (в белых незашгрихованых вогнутостях) ;ыпучих и жидких веществ под действием силы тяжести - это места прогноза катастроф, образующиеся за счет затора масс, поступающих с потоков-выпук-юстей (отмечены крапом).

При мониторинговых наблюдениях отбор проб на лабораторные анализы > заранее намеченных створовых точках 1,2,3,4 (рис.4, слева) позволяет более ффективно и точно отслеживать изменения природной среды. Указанные очки (1,2,3,4) взаимосвязаны, поскольку каждая контролирует свой подбас-ейн (отмечены крапом разной интенсивности), входящий в общий бассейн, 'азличия в содержании анализов между точками 4 и 3, 3 и 2 и т.д. указывают ¡уть к источнику загрязнения, зоне рассеяния вещества, что особенно важно ри изучении загрязненных территорий или арбитражных спорах.

Землепользование нужно вести с учетом расположения полей 1,11,III (рис.4, равый) по склону. Так, находящийся в наиболее благоприятном из них месте часток I, тем не менее, испытывает максимальное антропогенное влияние вы-

шележащего населенного пункта по сравнению с нижележащими сельскохозяйственными полями II и III. Участок I поставляет вниз по понижению вещества, которые, транзитом передвигаясь вниз по площади II, пополняются, а в совокупности аккумулируются потом на поле III. Исходя из вышеизложенного механизма перераспределения, удобрения надо вносить дифференцировано: на поле I несколько больше, чем на П. Дозы удобрений на поле II следует корректировать с учетом их притока-оттока. Поле III, с учетом аккумуляции всего привносимого сверху и во избежание губительного для растений избытка, в свою очередь следует удобрять меньше, чем среднее поле (П), а всю разницу (с II и П1) передать на верхнее поле I. Использование таких построений вносит большой вклад в концепцию биогеохимических потоков (В.В.Добровольский, М.А.Глазовская, А.И.Перельман, В.П.Учватов, В.Н.Баохкин), а также биоэнергетического адаптивного ландшафтного земледелия (В.И.Кирюшин, А.А.Жученко, А.П.Щербаков, В.И.Савич, И.И. Свентицкий, В.Н.Кудеяров, В.И.Никитишен, И.С.Кауричев, В.Н.Наумкин, Н.А.Лопачев, Г.А.Булаткин, В.В.Галицкий, Л.В.Помазкина, А.В.Симонов). Можно предполагать, что карты пластики рельефа найдут достойное в науке и практике применение при решении важнейших задач по освоению и сохранению природных ресурсов России.

ВЫВОДЫ

1 .В разные времена теория почвенной картографии опиралась на отображение реального рельефа на картах местности: перспективных и точечных в XVI1 ] в., гашюрных в XIX в. и изогипсовых картах в XX в. Конец XX в. знаменуется появлением морфоизографных карт, которые, видимо, в XXI в. будут доминировать как основы для тематических карт. Морфоизографные карты - это те же изогипсовые карты, но дополненные изолиниями нулевой плановой кривизны. Они входят в научный обиход во всем мире.

2 Сравнение показало, что исследователи применяют три способа структурного изображения почвенного покрова: мозаичный, катенный, потоковый с присущими каждому из этих способов соответственного элементарного почвенного ареала: выдела (арены, педона, лоскута), полосы склона в катене (паттерна) и потока в виде древовидной структуры, образованной выпуклостями. Оценить новый картографический метод можно только сравнением его с другими аналогичными методами.

3. Каждый из трех почвенных ареалов: выдел, полоса в катене и поток по воле исследователя выполняют свои задачи. Выдел собирает фактический материал; катена эмпирически обобщает и систематизирует этот материал; поток

выявляет те силы природы, которые оказывают наиболее существенное влияние на приобретение почвой и рельефом динамических свойств. Выдел, катена и поток - результат индивидуального понимания природы контурности.

4.Выделы, катены и потоки по-разному отображают свойства почв. Выде-лы и катены характеризуют почвы в одной плоскости, поэтому образуемые ими узоры одноплановые. а потоки - в двух плоскостях: передней — выпуклости и задней вогнутости, поэтому образуемые ими узоры двуплановые. Такое понимание природы согласуется с принципом нормальных почв Докучаева.

5. Каждому ареалу соответствуют свои процессные характеристики. Выдел отражает устойчивость процессов в рамках закрытой системы; все показатели почв на площади контура изотропны, т.е. лишены какой-либо ориентации, и однородны. Полоса в катене выявляет свойства симметрии трансляции, т.е. способность образовывать порядок следования: верх-середина-низ. Поток отображается как фигура-выпуклость на пространственно-временном континууме вогнутостей. Он представляет собой фрактальный след прошлого движения почвенно-геологического вещества в поле гравитации от верхнй точки - репеллера-выпуклости к нижнй точке - аттрактору-вогнутости.

6. Потоки образуют на картах почвенные системы; морфоизографа, отделяющая выпуклости от вогнутостей, является системообпазуюшей линией. Эти понятия (морфоизографа, поток) вводят формализованный системный подход в науку о почвах. Почвенная система выступает в качестве искривленной поверхности, в отличие от плоской поверхности выдела и катены. Передний план создается системой древовидных потоков-выпуклостей, а задний -подсистемой вогнутостей.

7.Качество оценки почвенных ресурсов России во многом будет зависеть от того, какими способами специалисты станут описывать свойства и структуру почвенного покрова. Метод пластики рельефа вбирает в себя все предшествующие способы описания почв (мозаичный, катенный) и позволяет с позиций системного подхода, представлять почвы на картах в двух планах, что определяет принципиальную мировую новизну метода. Отсюда следуют и новые методы картографирования почв, технологии проектирования мелиоративных и других систем, их строительства, эксплуатации и охраны.

список

основных работ, опубликованных по теме диссертации.

1. ПОЧВЕННЫЕ КАРТЫ

среднего масштаба областей, краев, республик РФ (в авторстве): 1.Почвенная карта Башкирской ЛССР. М 1:600000. М.:ГУГК,1990.

2.Почвенная карта Брянской области. М 1:200000. М.:ГУГК,1988.

3.Почвенная карта Владимирской области.М 1:200000. М.:ГУГК,1987.

4.Почвенная карта Ивановской области. М 1:200000. М.:ГУГК,1989.

5.Почвенная карта Калужской области. М 1:200000. М.:ГУГК,1989.

6.Почвенная карта Костромской области. М 1:300000. М.:ГУГК,1990.

7.Почвенная карта Курганской области. М 1:300000. М.:ГУГК,1989.

8.Почвенная карта Московской области. М 1:300000. М. :ГУГК, 1989.

9.Почвенная карта Новосибирской области. М1:400000. М.:ГУГК,1990

10.Почвенная карта Омской области. М 1:600000.М.:ГУГК,1989.

11.Почвенная карта Рязанской области, м 1:200000.М.:ГУГК,1989.

12.Почвенная карта Свердловской области. М 1:500000.М.:ГУГК,1990.

13.Почвенная карта Смоленской области. М 1:200000.М.:ГУГК,1989.

14.Почвенная карта Тверской области. М 1:400000.М.:ГУГК,1990.

15.Почвенная карта Тульской области. М 1:200000.М.:ГУГК,1987.

16.Почвенная карта Челябинской области. М 1:300000.М.:ГУГК,1990.

17.Почвенная карта Ярославской области. М 1:300000.М.:ГУГК,1991.

18.Московская область:Пластика рельефа. Почвы. М 1:З50000//Карто-графическое приложение к ж."Лик". Вып.1. 1993.

2. Информационные материалы. 19*.Почвенный покров Владимирской области (пояснительная запискг к почвенной карте масштаба 1:200000). Путцино:ПНЦ РАН,1992.35 с.

20*.Почвенный покров Ярославской области (пояснительная записк; к почвенной карте масштаба 1:300000). Пущино:ПНЦ РАН,1992.32 с.

21* .Почвенный покров Московской области (пояснительная записка t почвенной карте масштаба 1:300000). Пущино:ПНЦ РАН,1993,52 с.

3. Научные статьи. 22*.Особенности агрофизических и гидрологических свойств серьи лесных почв Приокской полосы//Продуктивность почв лесостепное зоны. Тез.докл. регион, совещ. (Моск., Калуж., Тульск.обл.) Пущино:ОНТИ НЦБИ АН СССР,1972.С.117-118.

23*.Опыт детального картирования эродированных почв Нечерноземной зоны РСФСР//Проспект ВДНХ СССР.М.:Наука,1975.4 с.

24*.Особенности строения почвенного покрова правобережья широтного отрезка р.0ки//Тез.докл.III совещ. по структуре почвенноп покрова.М.,1976.С.86-87.

25*.Ферментативная активность серых лесных почв//Почвоведение 1976.N11.С.127-132. 26*.Водный режим серых лесных почв//Почвоведение.1981.N4. С.58-70

27*.Структурные уровни организации почв и горных пород//Доклад ВАСХНИЛ.1984.N9.С.25-27.

28*.О картографическом отображении связи почв с рельефом//Мето пластики рельефа в тематическом картографировании. Пущино:ОНТ НЦБИ АН СССР,1987.С.77-89.

29*.Составление почвенных карт с использованием системног картографического метода - пластики рельефа//Там же.С.7-22.

30*.Опыт изучения форм земной коры и почвенного покрова помощью оптико-структурного анализа//Там же.С.111-116.

31*.Оптико-структурный анализ форм земной коры по топографиче ским картам//Доклады АН СССР.1988.Т.2 99.N4.С.847-851.

32.Применение оптико-структурного анализа для прогнозного ка£ тографирования//Проблемы прогнозного почвенно-мелиоративного Kaj тографирования и топографо-геодез.изыск, в водохоз.строит-ве. М. Союзводпроект, 1989.С.7 2-76.

33.Отображение структуры почвенного пространства на областных почвенных картах//Пространственно-временная организация и функционирование почв. Пущино:ОНТИ НЦБИ АН СССР,1990.С.100-110.

34.Теория симметрии в почвенной картографии // Пространств, группы симметрии и их современное развитие(к 100-летию вывода Федоровских групп). Тез.докл.Межд.конф.,М.-Л.,1991.С.170.

35.Среднемасштабное экологическое картографирование//Принципы и методы экологического картографирования. Тез. докл. Межд. совещ. Пущино, 1991.С.59.

36*.Ячеистость - основа структурной дифференциации почвенного покрова//Структура почвенного покрова. Тез.докл.Межд.симп.М.,1993

37*.О бассейновых границах дельт дна Каспийского моря//Доклады РАН.1994.Т.337.N5.С.672-674.

38*.Новая карта рельефа дна Черного моря II Доклады РАН. 1995. Т.340.N5.С.688-690.

39.0 картографическом отображении симметрии структур почвенного пространства//Симметрия почвенно-геологического пространства. Пущино:ПНЦ РАН,1996.С.136-152.

40.Основы генерализации почвенных карт - потоковые образы//Тез. докл.II съезда об-ва почвов. Кн.2. СПб,1996.С.81-82.

41*.Геометрические способы описания земной поверхности // Доклады РАН.1997.Г.354.N4.С.549-553.

42.Проблема границ в географии и почвоведении//Картография на рубеже тысячелетий. Доклады I Всерос. науч. конф. по картографии. М.-.ИГ РАН.1997 .С.111-115.

43*.Анализ изменения контурности на почвенных картах//Геодезия и картография.1997.N10.С.31-37.

44*. 0 трех типах контурности на почвенных картах//Почвоведе-ние.1998.N3.С.359-369.

45*. Symmetry of the Earth Surface and Soil Space Structures // Symmttry of Surfaselnterdisciplinary Symmetry Symposia 1. Abstracts. Budapest. 1989.

46.Origin and development of Soil Classification Ideas // Transactions. 15-th .World Congress of Soil -Science. Acapulco, Mexico. 1994 .Vol. 9 .

47 .Deserts Mapping by the Relief Plastics Method// Abstracts. International Symposium and Workshop on Paleoenvironmtntal Records of Desert Margins and Paleomonsoon Variation during the last 20ka. Xi"an,China, 1994.

48.New Geomorphological map of Desert Sahara // International Conference on "Quaternary Deserts and Climatic Change". Abstracts. A1 Ain. United Arab Emirates.1995.

49.The flow structures is base for ecosystem cartographying // International Conference "Asian ecosystems and their protection" Abstracts. Ulanbaator, Mongolia.1995.

50*.On Three Types of Soil Delineations on the Soil Maps // Eurasian Soil Science. Vol.31. No3.1998.328-337.

*Рабсты выполнены в соавторстве.