Текстура почвы
Текстура почвы — это инструмент классификации, используемый как в полевых условиях, так и в лаборатории для определения классов почвы на основе их физической текстуры. Текстуру почвы можно определить с помощью качественных методов, таких как текстура на ощупь, и количественных методов, таких как метод ареометра, основанный на законе Стокса . Текстура почвы имеет сельскохозяйственное применение, например, для определения пригодности сельскохозяйственных культур и для прогнозирования реакции почвы на условия окружающей среды и управления, такие как засуха или требования к кальцию (извести). Текстура почвы состоит из частиц диаметром менее двух миллиметров, включая песок , ил и глину . Таксономия почв Министерства сельского хозяйства США и системы классификации почв WRB используют 12 текстурных классов, тогда как система UK-ADAS использует 11. [1] Эти классификации основаны на процентном содержании песка , ила и глины в почве.
История
[ редактировать ]Первая классификация, Международная система, была впервые предложена Альбертом Аттербергом в 1905 году и основана на его исследованиях на юге Швеции. Аттерберг выбрал 20 мкм в качестве верхнего предела фракции ила, поскольку частицы меньшего размера не были видны невооруженным глазом, суспензия могла коагулироваться солями, в этой фракции капиллярный подъем в течение 24 часов был наиболее быстрым, а поры между уплотненными частицы были настолько малы, что препятствовали проникновению корневых волосков. [2] Первая комиссия Международного общества почвоведения (ISSS) рекомендовала его использование на первом Международном конгрессе почвоведения в Вашингтоне в 1927 году. [3] Австралия приняла эту систему, и ее равные логарифмические интервалы являются привлекательной особенностью, которую стоит сохранить. [4] Министерство сельского хозяйства США (USDA) приняло свою собственную систему в 1938 году, а Продовольственная и сельскохозяйственная организация (ФАО) использовала систему USDA в почвенной карте мира ФАО- ЮНЕСКО и рекомендовала ее использование.
Классификация
[ редактировать ]
В Соединенных Штатах Министерством сельского хозяйства США определены двенадцать основных классификаций текстуры почвы. [1] Двенадцать классификаций: песок, суглинок, супесь, суглинок , пылеватый суглинок, ил, песчаный суглинок, глинистый суглинок, пылеватый суглинок, песчаная глина, пылеватая глина и глина . [5] Текстура почвы классифицируется по фракциям каждой отдельной почвы (песок, ил и глина), присутствующим в почве. Классификации обычно называются по размеру частиц основного компонента или по комбинации размеров наиболее распространенных частиц, например, «песчаная глина» или «пылистая глина». Четвертый термин, суглинок , используется для описания равных свойств песка, ила и глины в образце почвы и позволяет называть еще больше классификаций, например, «глинистый суглинок» или «пылеватый суглинок».
Определить текстуру почвы часто помогает использование треугольника текстуры почвы . [5] Пример почвенного треугольника находится в правой части страницы. Одна сторона треугольника представляет собой процент песка, вторая сторона — процент глины, а третья сторона — процент ила. Если процентное содержание песка, глины и ила в образце почвы известно, то треугольник можно использовать для определения классификации текстуры почвы. Например, если почва на 70 процентов состоит из песка и на 10 процентов из глины, то почва классифицируется как супесь. Тот же метод можно использовать, начиная с любой стороны почвенного треугольника. Если для определения типа почвы использовался метод «текстура на ощупь», треугольник также может дать приблизительную оценку процентного содержания песка, ила и глины в почве.
Химические и физические свойства почвы связаны с текстурой. Размер и распределение частиц влияют на способность почвы удерживать воду и питательные вещества. Почвы с мелкой текстурой обычно обладают более высокой способностью удерживать воду, тогда как песчаные почвы содержат большие поровые пространства, которые позволяют выщелачивать воду. [6]
Почва отделяется
[ редактировать ]
Отделители почвы представляют собой частицы определенного диапазона размеров. Самые мелкие частицы представляют собой частицы глины и классифицируются как имеющие диаметр менее 0,002 мм. Частицы глины имеют пластинчатую, а не сферическую форму, что позволяет увеличить удельную поверхность. [7] Следующими по размеру частицами являются частицы ила , их диаметр составляет от 0,002 до 0,05 мм (в таксономии почв Министерства сельского хозяйства США). Самые крупные частицы представляют собой частицы песка и имеют диаметр более 0,05 мм. Кроме того, крупные частицы песка можно охарактеризовать как крупные , средние — как средние , а более мелкие — как мелкие . В других странах существуют свои собственные классификации размеров частиц.
| Название почвы отдельное | Пределы диаметра (мм) ( Министерства сельского хозяйства США ) Классификация | Пределы диаметра (мм) ( классификация WRB ) |
|---|---|---|
| Глина | менее 0,002 | менее 0,002 |
| Ил | 0.002 – 0.05 | 0.002 – 0.063 |
| Очень мелкий песок | 0.05 – 0.10 | 0.063 – 0.125 |
| Мелкий песок | 0.10 – 0.25 | 0.125 – 0.20 |
| Средний песок | 0.25 – 0.50 | 0.20 – 0.63 |
| Крупный песок | 0.50 – 1.00 | 0.63 – 1.25 |
| Очень крупный песок | 1.00 – 2.00 | 1.25 – 2.00 |
Методология
[ редактировать ]Текстура на ощупь
[ редактировать ]
Ручной анализ — это простой и эффективный способ быстрой оценки и классификации физического состояния почвы. Правильно выполненная процедура позволяет быстро и часто оценивать характеристики почвы с минимальным использованием оборудования или без него. Таким образом, это полезный инструмент для выявления пространственных различий как внутри полей, так и между ними, а также для выявления прогрессивных изменений и границ между единицами почвенной карты (почвенными сериями). Текстура на ощупь — это качественный метод, поскольку он не дает точных значений содержания песка, ила и глины. Несмотря на качественное качество, блок-схема текстуры на ощупь может быть точным способом для ученого или заинтересованного человека проанализировать относительные пропорции песка, ила и глины. [8]
Метод текстуры на ощупь предполагает взятие небольшого образца почвы и изготовление ленты. Ленту можно сделать, взяв комок земли, просунув его между большим и указательным пальцами и сжав его вверх в ленту. Позвольте ленте выйти и натянуться на указательный палец, ломаясь под собственным весом. Измерение длины ленты может помочь определить количество глины в образце. После изготовления ленты сильно намочите небольшую щепотку почвы на ладони и потрите ее указательным пальцем, чтобы определить количество песка в образце. Почвы с высоким содержанием песка, такие как супесь или песчаная глина, имеют песчанистую текстуру. [1] Почвы с высоким содержанием ила, такие как пылеватый суглинок или илистая глина, кажутся гладкими. [1] Почвы с высоким содержанием глины, например суглинки, имеют липкий вид. Хотя метод определения текстуры на ощупь требует практики, это полезный способ определения текстуры почвы, особенно в полевых условиях.
Международная система классификации почв World Reference Base for Soil Resources (WRB) использует альтернативный метод определения текстуры на ощупь, предлагая другую блок-схему.
просеивание
[ редактировать ]Просеивание — давно зарекомендовавший себя, но до сих пор широко используемый метод анализа почвы. При просеивании известная масса материала пробы проходит через более мелкие сита. Количество, собранное на каждом сите, взвешивается для определения процентного веса фракции каждого размера.
Метод применяется для определения гранулометрического состава грунтов диаметром более 75 мкм, так как просеивание имеет сильный недостаток на нижней границе измерения. Фактически, в случае более мелкой фракции при высоком содержании глины и ила (ниже 60 мкм) диспергирование становится затруднительным из-за высокой связности частиц, прилипания порошка к ситу и электростатических зарядов. Кроме того, при просеивании частицы проходят через отверстие сетки наименьшей стороной, а это означает, что пластинчатые частицы глины и ила также могут быть просеяны. Все это в целом приводит к массовому занижению мелкой фракции. [9]
Для измерения ила и глины (с размером частиц менее 60 мкм) используют второй, независимый метод определения размера (чаще всего ареометрический или пипеточный метод) по пробе, взятой из нижнего сита. Распределение частиц по размерам, полученное в результате ситового анализа, следует объединить с данными седиментационного анализа для установления полного распределения частиц по размерам в образце.
Метод ареометра
[ редактировать ]Седиментационный анализ (например, метод пипетки, ареометр) обычно используется в почвенной промышленности или в геологии для классификации отложений. Метод ареометра был разработан в 1927 году. [10] и до сих пор широко используется.
Гидрометрический метод определения текстуры почвы представляет собой количественное измерение, позволяющее оценить процентное содержание песка, глины и ила в почве на основе закона Стокса , который выражает взаимосвязь между скоростью осаждения и размером частиц. [11]
Согласно этому закону частицы оседают под действием веса и силы тяжести. Однако существуют две дополнительные силы, действующие в противоположном направлении движения частиц, которые определяют состояние равновесия, при котором частица падает с постоянной скоростью, называемой конечной скоростью .
Метод ареометра требует использования гексаметафосфата натрия , который действует как диспергирующий агент для разделения почвенных агрегатов. Почву смешивают с раствором гексаметафосфата натрия на орбитальном шейкере в течение ночи. Раствор переливают в мерные цилиндры емкостью один литр и заливают водой. Почвенный раствор перемешивается металлическим плунжером для рассеивания частиц почвы. [11] Частицы почвы разделяются по размеру и опускаются на дно. Частицы песка сначала оседают на дно цилиндра. Частицы ила оседают на дно цилиндра вслед за песком. Частицы глины отделяются над слоем ила.
Замеры производятся с помощью почвенного ареометра. Почвенный ареометр измеряет относительную плотность жидкостей (плотность жидкости по сравнению с плотностью воды). Ареометр опускают в цилиндр, содержащий почвенную смесь, в разное время: на сорок пять секунд для измерения содержания песка, на полтора часа для измерения содержания ила и от шести до двадцати четырех часов (в зависимости от используемого протокола) для измерения. глина. Регистрируют число на ареометре, которое видно (над почвенным раствором). [11] Для калибровки ареометра используется бланк (содержащий только воду и диспергирующий агент). Значения, записанные по показаниям, используются для расчета процентного содержания глины, ила и песка. Пробел вычитается из каждого из трех показаний. Расчеты следующие: [11]
Процент ила = (сухая масса почвы – показания ареометра песка – пустые показания) / (сухая масса почвы) * 100
Процент глины = (показания ареометра глины – холостые показания) / (сухая масса почвы) *100
Процент песка = 100 – (процент глины + процент ила)
Диаметр Стокса, определенный методом седиментации, представляет собой диаметр сферы, имеющей ту же скорость осаждения и ту же плотность, что и частица. [12] По этой причине седиментационный анализ хорошо применим, если предположить, что частицы имеют сферическую форму, имеют одинаковую плотность, незначительно взаимодействуют и достаточно малы, чтобы гарантировать, что поток жидкости остается ламинарным. [13] Отклонений от уравнения Стокса следует ожидать в случае частиц неправильной формы, таких как частицы глины, которые в основном имеют пластинчатую или трубчатую форму. Устойчивым положением при осаждении частиц такой формы является положение максимальной площади поперечного сечения, перпендикулярное направлению движения. [13] По этой причине сопротивление частиц увеличивается, а скорость осаждения снижается. Диаметр частиц прямо пропорционален скорости осаждения. Следовательно, с уменьшением скорости расчетный диаметр также уменьшается, что приводит к завышению оценки мелкой фракции. [13]
Седиментационный анализ в любом случае показывает пределы для частиц размером менее 0,2 микрона, поскольку такие мелкие частицы подвергаются броуновскому движению в суспензии и больше не оседают в соответствии с законом Стокса. [14] Седиментационный анализ может проводиться непрерывно с высокой степенью точности и повторяемости. Гранулометрический состав почвы, содержащей значительное количество более мелких частиц (ил и глина), не может быть выполнен только ситовым анализом, поэтому для определения нижнего диапазона гранулометрического состава применяют седиментационный анализ.
Лазерная дифракция
[ редактировать ]Лазерная дифракция — это метод измерения для определения распределения частиц по размерам в образцах, диспергированных в жидкости или в виде сухого порошка. Этот метод основан на том, что световые волны изгибаются при встрече с частицами в образце. [15] Измеренный эквивалентный сферический диаметр представляет собой диаметр сферы, имеющей на площади поперечного сечения ту же дифракционную картину, что и исследуемая частица. [16]
Угол дифракции зависит от размера частиц, следовательно, картина дифракции зависит от относительного количества частиц разных размеров, присутствующих в этом образце. Эту дифракционную картину затем обнаруживают и анализируют с помощью дифракционных моделей Ми и Фраунгофера . Результатом измерения является распределение частиц по размерам (PSD). [15]
С помощью лазерной дифракции можно определить не только распределение частиц по размерам и соответствующие объемно-взвешенные значения D, но также процентное содержание частиц в основных классах размеров, используемых для классификации почвы.
По сравнению с другими методами лазерная дифракция является быстрым и экономичным методом измерения размера частиц и быстрого анализа образцов почвы. Большим преимуществом является встроенный блок дисперсии (например, дисперсии давлением воздуха или ультразвуковой дисперсии) приборов лазерной дифракции. Таким образом, сухие образцы можно измерять без дополнительных этапов подготовки проб, которые необходимы для просеивания и седиментационного анализа. Более того, поскольку образец можно диспергировать должным образом, нет необходимости комбинировать два разных метода измерения для получения полного диапазона распределения частиц по размерам, включая содержание ила и глины.
Теории лазерной дифракции Фраунгофера и Ми предполагают, что частицы имеют сферическую форму. Это приводит к небольшой ошибке измерения, поскольку мелкие частицы в образцах почвы, в частности, глины и ила, вытянуты и анизотропны. [17] Диаметр частиц в методе лазерной дифракции определяют относительно их потенциального объема, который рассчитывают на основе оптического дифракционного изображения на краях поперечного сечения частицы. Объем глинистых частиц — это диаметр поперечного сечения пластины, который в расчетах принимается за диаметр сферы. Поэтому их размеры обычно завышены по сравнению с размерами, измеренными с помощью седиментационного анализа. [17]
Ошибка, связанная с предположением о сферичности частиц, зависит, кроме того, от степени анизотропии . Оптические свойства анизотропных частиц, такие как показатель преломления и индекс поглощения, изменяются в зависимости от их ориентации относительно лазерного луча, которая также является переменной. Следовательно, при разных ориентациях частиц будут измеряться разные сечения и получаться разные дифракционные картины.
Для глин с размерами, близкими к длине волны лазерного луча, теория Ми была бы желательна. Это требует точного знания комплексного показателя преломления материала частиц, включая их коэффициент поглощения. [18] Поскольку эти параметры часто трудно получить, особенно коэффициенты светопоглощения для различных частиц и зерен почвы, для естественных почв часто рекомендуется теория Фраунгофера , которая учитывает только явления дифракции света на краях частиц. [17]
Дополнительные методы
[ редактировать ]Существует несколько дополнительных количественных методов определения текстуры почвы. Некоторыми примерами этих методов являются метод пипетки, рентгеновское осаждение, метод твердых частиц (ПОМ), быстрый метод. [19]
Рентгеновская седиментация
[ редактировать ]Метод рентгеновской седиментации представляет собой гибридный метод, сочетающий в себе седиментацию и поглощение рентгеновских лучей. Размер частиц рассчитывается на основе конечных скоростей осаждения частиц с применением закона Стокса . Адсорбция рентгеновского излучения используется для определения относительной массовой концентрации для каждого класса размеров путем применения закона Бера-Ламберта-Бугера .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Сотрудники отдела почвоведения. 2017. Почвенный песок. К. Дитцлер, К. Шефф и Х. К. Монгер (ред.). Справочник Министерства сельского хозяйства США № 18. Государственная типография, Вашингтон, округ Колумбия.
- ^ Аттерберг А (1905) Рациональная классификация песков и гравия. Chemiker Zeitung 29, 195–198.
- ^ Дэвис РОЕ, Беннетт Х.Х. (1927) «Группировка почв на основе механического анализа». Ведомственное обращение Министерства сельского хозяйства США № 419.
- ^ Маршалл Т.Дж. (1947) «Механический состав почвы по отношению к полевым описаниям текстуры». Совет по научным и промышленным исследованиям, Бюллетень № 224, Мельбурн.
- ^ Jump up to: а б Сотрудники отдела почвоведения (1993). Руководство по обследованию почвы . Министерство сельского хозяйства США. стр. 63–65. Архивировано из оригинала 19 января 2022 года . Проверено 30 августа 2014 г.
- ^ Линдбо; Хейс; Адевунми (2012). Знай почву, знай жизнь: физические свойства почвы и почвообразование . Общество почвоведения Америки. п. 17. ISBN 9780891189541 .
- ^ Фот, Генри Д. (1990). Основы почвоведения. 8-е издание . Канада: Джон Уайли и сыновья. п. 23 . ISBN 0-471-52279-1 .
- ^ Тьен, Стивен. «Определение текстуры почвы методом нащупывания» ( PDF) . NDHealth.gov .
- ^ «Стандартный метод определения размера частиц почв» . www.astm.org . Проверено 20 июля 2022 г.
- ^ Буюкос Г. 1951. Повторная калибровка метода ареометра для механического анализа почв. Американское общество агрономии.
- ^ Jump up to: а б с д Буюкос, Джордж. 1936. Указания по проведению механического анализа почв ареометрическим методом. Почвоведение. Том 42, выпуск 3: стр. 225–230.
- ^ Хенк Г. Меркус; Габриэль М.Х. Мистерс (2014). Твердые продукты: адаптация свойств для оптимальной производительности . Чам: Спрингер. ISBN 978-3-319-00714-4 . OCLC 864591828 .
- ^ Jump up to: а б с Ферро, Вито; Мирабиле, Стефано (30 июня 2009 г.). «Сравнение анализа распределения частиц по размерам методами седиментации и лазерной дифракции» . Журнал сельскохозяйственной инженерии . 40 (2): 35. дои : 10.4081/jae.2009.2.35 . hdl : 10447/40752 . ISSN 2239-6268 . S2CID 67844152 .
- ^ Ранджан, Гопал (2007). Основная и прикладная механика грунтов . [Место издания не указано]: [издатель не указан]. ISBN 978-81-224-1223-9 . OCLC 171112208 .
- ^ Jump up to: а б «Лазерная дифракция для определения размера частиц :: Anton Paar Wiki» . Антон Паар . Проверено 20 июля 2022 г.
- ^ «Методы анализа размера частиц: динамическое рассеяние света и лазерная дифракция :: Anton Paar Wiki» . Антон Паар (на немецком языке) . Проверено 20 июля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с Горончко, Александра; Тополиньский, Шимон (31 января 2020 г.). «Распределение частиц по размерам в природных глинистых почвах: обсуждение использования лазерного дифракционного анализа (LDA)» . Геонауки . 10 (2): 55. Бибкод : 2020Geosc..10...55G . doi : 10.3390/geosciences10020055 . ISSN 2076-3263 .
- ^ Рыжак, Магдалена; Бегановский, Анджей (август 2011 г.). «Методические аспекты определения гранулометрического состава почвы методом лазерной дифракции» . Журнал питания растений и почвоведения . 174 (4): 624–633. Бибкод : 2011JPNSS.174..624R . дои : 10.1002/jpln.201000255 . ISSN 1436-8730 .
- ^ Кеттлер Т., Доран Дж., Гилберт Т., 2001. Упрощенный метод определения размера частиц почвы для сопровождения анализа качества почвы. Почвоведение. Соц. Являюсь. Дж. 65: 849–853.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Служба охраны природных ресурсов. (без даты). Получено 29 ноября 2017 г. с https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detail/soils/edu/?cid=nrcs142p2_054311.
- Прескотт Дж.А., Тейлор Дж.К., Маршалл Т.Дж. (1934) «Взаимосвязь между механическим составом почвы и оценкой текстуры в поле». Труды Первой комиссии Международного общества почвоведения 1, 143–153.
- Роуэлл Д. (1994) Почвоведение; Методы и применение , Longman Scientific & Technical (1994), 350 страниц [1]
- Текстура почвы, Р.Б. Браун, Университет Флориды, Институт пищевых и сельскохозяйственных наук.
- Тугуд Дж. А. (1958) «Упрощенная диаграмма классификации текстур». Канадский журнал почвоведения 38, 54–55.
- Уитни М. (1911) «Использование почв к востоку от региона Великих равнин». Бюллетень № 78 Бюро почв Министерства сельского хозяйства США.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
