Роль почв в природе

Большую роль в разрыхлении почвы, механическом перемещении органического и минерального вещества играют подвижные почвенные животные (дождевые черви, грызуны и др.). В круговороте веществ в почве растения синтезируют органическое вещество.

Животные производят механическое и биохимическое разрушение его и тем самым подготавливают его для гумусообразования. Микроорганизмы синтезируют почвенный гумус и затем разлагают его.

Влажность и аэрация

Как нами было отмечено при изучении наземно-воздушной среды жизни, по физическому состоянию, подвижности, доступности и значению для растений почвенная вода подразделяется на гравитационную, гигроскопическую и капиллярную (рисунок 2).

Рисунок 2 - Три типа почвенной воды

Гравитационная вода — подвижная вода, является основной разновидностью свободной воды, которая заполняет широкие промежутки между частицами почвы и просачивается вниз сквозь почву под действием силы тяжести, Рис. 5.40.Три типа почвенной воды пока не достигнет грунтовых вод. Растения легко усваивают гравитационную воду, когда она находится в зоне корневой системы. С этой точки зрения для растений весьма важен полив почвы, смачивание ее водой.

Вода в почве удерживается также вокруг отдельных коллоидных частиц в виде тонкой прочной связанной пленки. Такую воду называют гигроскопической. Она адсорбируется за счет водородных связей на поверхности глины и кварца или на катионах, связанных с глинистыми минералами и гумусом. Гигроскопическая вода высвобождается только при температуре 105—110°С и физиологически практически недоступна растениям. Количество гигроскопической воды зависит от содержания в почве коллоидных частиц. В глинистых почвах ее содержится около 15%, в песчаных около 5% массы почвы. Она образует так называемый мертвый запас воды в почве.

По мере того как накапливаются слои воды вокруг почвенных частиц, она начинает заполнять сначала узкие поры между этими частицами, а затем распространяется во все более широкие поры. Гигроскопическая вода постепенно переходит в капиллярную, удерживающуюся вокруг почвенных частиц силами поверхностного натяжения. Капиллярная вода может подниматься по узким порам и канальцам от уровня грунтовых вод благодаря высокому поверхностному натяжению воды. Растения легко поглощают капиллярную воду, играющую наибольшую роль в регулярном снабжении их водой. Капиллярная вода в отличие от гигроскопической легко испаряется. Тонкоструктурные почвы, например глины, удерживают больше капиллярной воды, чем грубоструктурные, такие, как пески.

Помимо перечисленных форм воды в почве содержится парообразная влага, занимающая все свободные от воды поры.

Хорошо увлажненная почва легко прогревается и медленно остывает. На поверхности ее происходят более резкие колебания температур, чем в глубине. При этом суточные колебания ее затрагивают слои до глубины 1 м. Если учесть, что зимой температура почвы с глубиной повышается, а летом, наоборот, падает, то легко представить сезонные вертикальные миграции почвенных обитателей, которые вызываются изменением условий среды. Естественно, зимой почвенные животные находятся глубже, чем летом.

Большую роль в формировании почвы играет рельеф. На одинаковых и одновозрастных формах рельефа образуются близкие и однотипные почвы. На местности с расчлененным рельефом, неодинаковым уровнем грунтовых вод наблюдаются различия в климате, режиме тепла, скорости испарения поверхностной влаги и в распределении атмосферных осадков. Все это существенно влияет на физические и химические свойства почв, а также и на характер растительного покрова и животного мира.

Роль эдафических факторов в распределении растений и животных

Специфические растительные ассоциации, как уже отмечалось, формируются в связи с разнообразием условий мест обитании, включая и почвенные, а также и в связи с избирательностью по отношению к ним растений в определенной ланд-шафтно-географической зоне. Следует учитывать, что даже в одной зоне в зависимости от ее рельефа, уровня грунтовых вод, экспозиции склона и ряда других факторов создаются неодинаковые почвенные условия, которые отражаются на типе растительности. Так, в ковыльно-типчаковой степи всегда можно обнаружить участки, где доминирует ковыль или типчак. Отсюда вывод: типы почв являются мощным фактором распределения растений. На наземных животных эдафические факторы оказывают меньшее влияние. Вместе с тем животные тесно связаны с растительностью, и она играет решающую роль в их распределении. Однако и среди крупных позвоночных легко обнаружить формы, которые приспособлены к конкретным почвам. Это особенно характерно для фауны глинистых почв с твердой поверхностью, сыпучих песков, заболоченных почв и торфяников. В тесной связи с почвенными условиями находятся роющие формы животных. Одни из них приспособлены к более плотным почвам, другие могут разрывать только легкие песчаные почвы. Типичные почвенные животные также приспособлены к различным видам почв. Например, в средней Европе отмечают до 20 родов жуков, которые распространены только на солончаковатых или солонцовых почвах. И в то же время нередко почвенные животные имеют очень широкие ареалы и встречаются в разных почвах. Дождевой червь (Eisenia nordenskioldi) достигает высокой численности в тундровых и таежных почвах, в почвах смешанных лесов и лугов и даже в горах. Это связано с тем, что в распространении почвенных обитателей кроме свойств почвы большое значение имеют их эволюционный уровень, размеры их тела. Тенденция к космополитизму отчетливо выражена у мелких форм. Это бактерии, грибы, простейшие, микроартроподы (клещи, коллемболы), почвенные нематоды.

В целом же по ряду экологических особенностей почва является средой промежуточной между наземной и водной. С воздушной средой почву сближает наличие почвенного воздуха, угроза иссушения в верхних горизонтах, относительно резкие изменения температурного режима поверхностных слоев. С водной средой почву сближают ее температурный режим, пониженное содержание кислорода в почвенном воздухе, насыщенность его водяными парами и наличие воды в других формах, присутствие в почвенных растворах солей и органических веществ, возможность двигаться в трех измерениях. Как и в воде, в почве сильно развиты химические взаимозависимости и взаимовлияние организмов.

Промежуточные экологические свойства почвы как среды обитания животных дают возможность сделать заключение, что почва играла особую роль в эволюции животного мира. К примеру, многие группы членистоногих в процессе исторического развития прошли сложный путь от типично водных организмов через почвенных обитателей до типично наземных форм.

Классификации грунтов, физические свойства

Показатели состава и инженерно-геологических свойств пород. Классификационные, косвенные и прямые характеристики.

Изучение свойств грунтов необходимо для решения многих производственных и научно-исследовательских задач на всех этапах хозяйственной деятельности. Любой грунт обладает бесчисленным множеством свойств и качеств. Свойства грунтов характеризуются показателями – физическими величинами, общими в качественном отношении для многих грунтов, но в количественном отношении – индивидуальными для каждого из них.

Свойства, характеризующие воздействие на грунты различных физических полей – гравитационного, магнитного, электрического и др. принято называть физическими. Физико-химическими называются свойства, отражающие особенности внутренних химических процессов в грунтах и поверхностных физико-химических явлений и процессов. Эти свойства определяются составом, строением грунтов, структурными связями, его состоянием и являются в значительной мере имманентными, т.е. отражающими внутреннюю сущность грунтов. Третья группа – свойства физико-механические – включает качества, отражающие реакцию грунта на внешние механические воздействия: сжатие, изгиб, разрыв и др. В зависимости от характера внешнего воздействия один и тот же грунт может проявлять упругие и пластичные свойства, быть твердым или текучим и т.д.

Выбор комплекса свойств необходимых для решения конкретной задачи определяется инженерно-геологическими условиями, в том числе составом, структурными особенностями, состоянием исследуемых грунтов, изменчивостью их в пространстве и времени, типом и ответственностью сооружения, стадией изысканий.

При решении практически всех задач определяются классификационные  показатели  свойств грунтов:

- для скальных и полускальных  – наименование по минеральному  составу, предел прочности на  одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии;

- для крупнообломочных  – гранулометрический состав  и степень окатанности частиц, классификационные показатели и содержание заполнителя, степень однородности;

- для песчаных – гранулометрический  состав и степень однородности;

- для глинистых – число  пластичности и гранулометрический  состав.

Как правило, используя показатели физических и физико-химических, структурных свойств, характеризующих соотношение в грунте масс и объемов основных фаз и компонентов, а также оценивающих состояние грунта. Такими показателями являются: характеристики влажности, плотности грунта, пористости, степень водонасыщения пор водой, льдистость, показатель текучести и др.

Значения показателей свойств грунтов определяют в лабораторных и полевых условиях, вычисляют аналитически. В лабораторных условиях изучают образцы исследуемых грунтов с нарушенной и ненарушенной структурой (монолиты). Перед испытанием производят описание грунта. Лабораторные определения показателей выполняют в соответствии с указаниями государственных стандартов (ГОСТов), по общепринятым методикам, оригинальными методами.

Грунты представлены совокупностью свойств или качеств отличающих их от других материальных тел. Имеются свойства, присущие всем грунтам,- плотность, влажность, содержание и состав минералов, размер слагающих частиц и др., а также свойства присущие отдельным грунтам, - просадочность, ползучесть, пластичность и др.

В инженерной геологии принято различать свойства или качества, характеризующие состав, строение, состояние грунтов, и зависимые от них физические, физико-химические и другие имманентные или внутренне присущие грунтам свойства. Отдельно рассматривается группа эмерджентных – физико-механических свойств, отражающих реакции грунтов на различные механические воздействия.

Свойства грунтов характеризуются показателями, параметрами, физическими величинами – свойствами грунтов, в качественном отношении общими для многих грунтов, но в количественном отношении индивидуальными для каждого из них.

Значения показателей состава, структуры, состояния и свойств грунтов могут быть получены органолептическими методами, путем обозначения, ранжирования, сопоставления (цвет, звук, выпуклость и др.) и путем измерения (сцеплении, плотность и др.). Одни показатели используются для характеристики грунтов любого вида, например, показатели соотношения в грунте трех основных компонентов: весовая влажность, пористость, другие – для характеристики особенностей отдельных видов грунтов: число пластичности, временное сопротивление сжатию и т.д.

Классификации грунтов и их назначение. Общие, частные, региональные и отраслевые классификации грунтов.

Классификация грунтов – система деления совокупности (объем которой составляют все грунты) соподчиненных единиц (классов, видов, разновидностей и др.) объекта (понятия) «грунт», используемая для установления между ними связей, взаимоотношений, необходимых для достижения поставленной цели. В инженерной геологии используются классификации, отличающиеся по своему назначению, степени обобщения, региональной или локальной принадлежности. Выделяют частные, региональные, локальные, отраслевые и общие классификации.

Частные классификации позволяют в соответствии с конкретными задачами расчленять множество «грунт» на таксоны по одному - двум признакам. В ГОСТ 25100-95 используются 32 частные классификации, разделяющие все множество грунтов, а также грунты одного класса или вида на более мелкие подмножества. К ним относятся классификация дисперсных, связных, глинистых грунтов по числу пластичности, показателю текучести и др., класса мерзлых грунтов по льдистости и др.

Региональные классификации охватывают множество грунтов крупных регионов: Русской платформы, Крымского полуострова и т. п.

Локальные классификации удобны и составляются при инженерно-геологических исследованиях совокупности грунтов, распространенных в пределах небольших территорий, например, Серпуховского ускорительно-накопительного комплекса, Курской магнитной аномалии, г. Москвы. Они удобны и используются работающими в переделах этих территорий инженерно- геологическими партиями, экспедициями.

Отраслевые классификации ориентированы на выделение грунтов, оценку их свойств, структуры и так далее и получения показателей, требуемых для решения конкретных производственных задач: строительства дорог, гидроэлектростанций и т.п. Например, классификация грунтов по гранулометрическому составу для дорожного строительства Охотина, классификация грунтов по водопорочности и т.п.

Общая классификация грунтов должна охватывать полное множество частных представителей (моделей, предметов). Качество имеющихся в инженерной геологии общих и частных классификаций объекта отражает ее уровень развития как научного направления. Необходимый и достаточный для достижения цели и решения теоретических и практических задач уровень качества классификации обеспечивается оптимальным количеством и составом единиц классифицируемого множества и признаков-оснований, соблюдением при классифицировании правил таксономического анализа. Каждая токсономическая единица анализируемого множества представляется необходимым и достаточным количеством частных элементов. Для классифицирования указываются четкие таксономические правила, требования формальной логики разделения множества на таксоны и значения параметров, по которым будет устанавливаться принадлежность частного представителя, например образца грунта к определенным классу, типу, виду и другим таксономическим ячейкам грунтов. Выбор структуры классификации, того, что считать объектом и предметом, классом, диапазоны возможных изменений показателей разных качеств в пределах классов множества остается за инженер-геологом, опиравшимся на правила формальной логики. Он же руководствуется имеющимися представлениями об объекте и задачами, вытекающими из поставленной цели.