Текстура почвы — это инструмент классификации, используемый как в полевых, так и в лабораторных условиях для определения классов почвы на основе ее 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, такое как определение пригодности сельскохозяйственных культур и прогнозирование реакции почвы на условия окружающей среды и управления, такие как засуха или потребность в кальции (извести). Текстура почвы фокусируется на частицах диаметром менее двух миллиметров, которые включают песок , ил и глину . Таксономия почв USDA 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.
Первая классификация, Международная система, была впервые предложена Альбертом Аттербергом в 1905 году и основывалась на его исследованиях на юге Швеции. Аттерберг выбрал 20 мкм для верхнего предела фракции ила, поскольку частицы меньше этого размера не были видны невооруженным глазом, суспензия могла коагулироваться солями, капиллярный подъем в течение 24 часов был наиболее быстрым в этой фракции, а поры между уплотненными частицами были настолько малы, что предотвращали проникновение корневых волосков. [2] Комиссия 1 Международного общества почвоведения (ISSS) рекомендовала ее 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 (FAO) использовала систему USDA на карте почв мира FAO- UNESCO и рекомендовала ее использование.
В Соединенных Штатах Министерство сельского хозяйства США определяет двенадцать основных классификаций текстуры почвы. [1] Двенадцать классификаций: песок, суглинок, супесь, суглинок, ил , песчаный суглинок, глинистый суглинок, ил, песчаный суглинок, глинистый суглинок, илистый суглинок, песчаная глина, илистая глина и глина . [5] Текстуры почвы классифицируются по фракциям каждой почвы в отдельности (песок, ил и глина), присутствующим в почве. Классификации обычно называются по размеру основных составляющих частиц или комбинации размеров наиболее распространенных частиц, например, «песчаная глина» или «илистая глина». Четвертый термин, суглинок , используется для описания равных свойств песка, ила и глины в образце почвы и позволяет называть еще больше классификаций, например, «суглинок» или «илистый суглинок».
Определение текстуры почвы часто облегчается с помощью графика треугольника текстуры почвы . [5] Пример треугольника почвы находится на правой стороне страницы. Одна сторона треугольника представляет процент песка, вторая сторона представляет процент глины, а третья сторона представляет процент ила. Если известны проценты песка, глины и ила в образце почвы, то треугольник можно использовать для определения классификации текстуры почвы. Например, если почва состоит на 70 процентов из песка и на 10 процентов из глины, то почва классифицируется как супесь. Тот же метод можно использовать, начиная с любой стороны треугольника почвы. Если для определения типа почвы использовался метод текстуры на ощупь, треугольник также может дать грубую оценку процентов песка, ила и глины в почве.
Химические и физические свойства почвы связаны с текстурой. Размер и распределение частиц повлияют на способность почвы удерживать воду и питательные вещества. Тонкоструктурные почвы обычно обладают более высокой способностью удерживать воду, тогда как песчаные почвы содержат большие поры, которые позволяют выщелачивать. [6]
Разделение почвы представляет собой определенные диапазоны размеров частиц. Самые маленькие частицы — это частицы глины , которые классифицируются как имеющие диаметр менее 0,002 мм. Частицы глины имеют пластинчатую, а не сферическую форму, что позволяет увеличить удельную площадь поверхности. [7] Следующие по размеру частицы — это частицы ила , которые имеют диаметр от 0,002 мм до 0,05 мм (в таксономии почв Министерства сельского хозяйства США). Самые большие частицы — это частицы песка , которые имеют диаметр более 0,05 мм. Кроме того, крупные частицы песка можно описать как крупные , промежуточные — как средние , а более мелкие — как мелкие . В других странах существуют свои собственные классификации размеров частиц.
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 небольшим количеством оборудования или без него. Таким образом, это полезный инструмент для определения пространственных изменений как внутри полей, так и между ними, а также для определения прогрессивных изменений и границ между единицами почвенной карты (сериями почв). Текстура на ощупь — это качественный метод, поскольку он не дает точных значений песка, ила и глины. Несмотря на качественный характер, блок-схема текстуры на ощупь может быть точным способом для ученого или заинтересованного лица проанализировать относительные пропорции песка, ила и глины. [8]
Метод определения текстуры на ощупь включает взятие небольшого образца почвы и изготовление ленты. Ленту можно сделать, взяв комок почвы и зажав его между большим и указательным пальцами, и сжав его вверх в ленту. Дайте ленте выступить и растянуться над указательным пальцем, разрываясь под собственным весом. Измерение длины ленты может помочь определить количество глины в образце. После изготовления ленты обильно намочите небольшую щепотку почвы в ладони и потрите указательным пальцем, чтобы определить количество песка в образце. Почвы с высоким содержанием песка, такие как супесь или песчаная глина, имеют зернистую текстуру. [1] Почвы с высоким содержанием ила, такие как пылеватый суглинок или пылеватая глина, кажутся гладкими. [1] Почвы с высоким содержанием глины, такие как суглинок, кажутся липкими. 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 схему.
Просеивание — давно существующий, но все еще широко используемый метод анализа почвы. При просеивании известный вес материала образца проходит через более мелкие сита. Количество, собранное на каждом сите, взвешивается для определения процентного веса в каждой фракции размера.
Метод используется для определения гранулометрического состава почв диаметром более 75 мкм, поскольку просеивание имеет сильный недостаток в нижней границе измерения. Фактически, в случае более мелкой фракции при высоком содержании глины и ила (менее 60 мкм) дисперсия становится сложной из-за высокой связности частиц, липкости порошка к ситу и электростатических зарядов. Более того, при просеивании частицы проходят наименьшей стороной через отверстие сетки, что означает, что пластинчатые частицы глины и ила также могут быть просеяны. Все это, как правило, приводит к значительной недооценке мелкой фракции. [9]
Для измерения ила и глины (с размером частиц менее 60 мкм) используется второй, независимый метод определения размера (чаще всего ареометр или пипеточный метод) на образце, взятом из нижнего сита. Распределение размеров частиц, полученное в результате ситового анализа, следует объединить с данными седиментационного анализа, чтобы установить полное распределение размеров частиц в образце.
Анализ седиментации (например, метод пипетки, ареометр) обычно используется в почвенной промышленности или в геологии для классификации осадков. Метод ареометрии был разработан в 1927 году [10] и широко используется до сих пор.
Метод определения текстуры почвы с помощью ареометра представляет собой количественное измерение, позволяющее оценить процентное содержание песка, глины и ила в почве на основе закона Стокса , который выражает связь 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, что определяет условие равновесия, при котором частица падает с постоянной скоростью, называемой конечной скоростью .
Метод ареометра требует использования гексаметафосфата натрия , который действует как диспергирующий агент для разделения агрегатов почвы. Почва смешивается с раствором гексаметафосфата натрия на орбитальном шейкере в течение ночи. Раствор переносится в литровые градуированные цилиндры и заполняется водой. Почвенный раствор перемешивается металлическим плунжером для диспергирования частиц почвы. [11] Частицы почвы разделяются в зависимости от размера и опускаются на дно. Частицы песка опускаются на дно цилиндра первыми. Частицы ила опускаются на дно цилиндра после песка. Частицы глины отделяются над слоем ила.
Измерения проводятся с помощью почвенного ареометра. Почвенный ареометр измеряет относительную плотность жидкостей (плотность жидкости по сравнению с плотностью воды). Ареометр опускается в цилиндр, содержащий почвенную смесь, в разное время: на сорок пять секунд для измерения содержания песка, на полтора часа для измерения содержания ила и на шесть-двадцать четыре часа (в зависимости от используемого протокола) для измерения глины. Записывается число на ареометре, которое видно (над почвенным раствором). [11] Для калибровки ареометра используется пустая проба (содержащая только воду и диспергирующий агент). Значения, записанные из показаний, используются для расчета процента глины, ила и песка. Пустая проба вычитается из каждого из трех показаний. Расчеты следующие: [11]
Процент ила = (сухая масса почвы – показания ареометра для песка – пустое показание) / (сухая масса почвы) *100
Процент глины = (показание ареометра глины – пустое показание) / (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] Вот почему анализ седиментации хорошо применим, если предположить, что частицы являются сферическими, имеют одинаковую плотность, имеют пренебрежимо малые взаимодействия и достаточно малы, чтобы гарантировать, что поток жидкости остается ламинарным. [13] Отклонения от уравнения Стокса следует ожидать в случае частиц неправильной формы, таких как частицы глины, которые в основном пластинчатые или трубчатые. Устойчивое положение во время осаждения частиц с такой формой - это положение, когда максимальная площадь поперечного сечения перпендикулярна направлению движения. [13] По этой причине сопротивление движению частиц увеличивается, а скорость осаждения уменьшается. Диаметр частицы прямо пропорционален скорости осаждения. Поэтому при более низкой скорости расчетный диаметр также уменьшается, что определяет завышенную оценку мелкой фракции. [13]
Анализ седиментации 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 согласно закону Стокса. [14] Анализ седиментации может проводиться непрерывно с высокой степенью точности и повторяемости. Распределение размера частиц почвы, содержащей значительное количество более мелких частиц (ил и глина), не может быть выполнено только ситовым анализом, поэтому анализ седиментации используется для определения нижнего диапазона распределения размера частиц.
Лазерная дифракция — это метод измерения для определения распределения размеров частиц образцов, диспергированных в жидкости или в виде сухого порошка. Метод основан на изгибе световых волн при столкновении с частицами в образце. [15] Измеренный эквивалентный сферический диаметр — это 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. Эта картина дифракции затем обнаруживается и анализируется с помощью моделей дифракции Ми и Фраунгофера . Результатом измерения является распределение размеров частиц (PSD). [15]
С помощью лазерной дифракции можно определить не только распределение размеров частиц и соответствующие объемно-взвешенные D-значения, но и процентное содержание частиц в основных классах размеров, используемых для классификации почв.
По сравнению с другими методами лазерная дифракция является быстрым и экономически эффективным методом измерения размера частиц и быстрого анализа образцов почвы. Большим преимуществом является встроенный блок дисперсии (например, дисперсия давлением воздуха или ультразвуковая дисперсия) лазерных дифракционных приборов. Таким образом, сухие образцы могут быть измерены без внешних этапов подготовки образцов, которые требуются для просеивания и седиментационного анализа. Более того, поскольку образец может быть диспергирован должным образом, нет необходимости комбинировать два различных метода измерения для получения полного диапазона распределения размеров частиц, 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, таких как глина и ил, в частности, вытянуты и анизотропны. [17] Диаметр частиц в методе лазерной дифракции определяется по отношению к их потенциальному объему, который рассчитывается на основе оптического дифракционного изображения на краях поперечного сечения частицы. Объем частиц глины представляет собой диаметр поперечного сечения пластины, который в расчетах рассматривается как диаметр сферы. Поэтому их размеры обычно завышены по сравнению с измеренными с помощью седиментационного анализа. [17]
Ошибка, связанная с предположением о сферичности частиц, зависит также от степени анизотропии . Оптические свойства анизотропных частиц, такие как показатель преломления и показатель поглощения, изменяются в зависимости от их ориентации относительно лазерного луча, который также является переменным. Поэтому при различных ориентациях частиц будут измеряться различные поперечные сечения и создаваться различные дифракционные картины.
Для глин с размерами, близкими к длине волны лазерного луча, теория Ми была бы желательной. Это требует точного знания комплексного показателя преломления материала частиц, включая их коэффициент поглощения. [18] Поскольку эти параметры часто трудно восстановить, особенно коэффициенты поглощения света для различных частиц и зерен почвы, теория Фраунгофера , которая учитывает только явления дифракции света на краю частиц, часто рекомендуется для естественных почв. [17]
Существует несколько дополнительных количественных методов определения текстуры почвы. Некоторые примеры этих методов: метод пипетки, рентгеновское осаждение, метод частиц органического вещества (POM), быстрый метод. [19]
Метод рентгеновской седиментации представляет собой гибридную технологию, которая сочетает седиментацию и поглощение рентгеновского излучения. Размер частиц рассчитывается из конечных скоростей осаждения частиц с применением закона Стокса . Адсорбция рентгеновского излучения используется для определения относительной массовой концентрации для каждого класса размеров с применением закона Бугера-Ламберта-Бера .