Eine Bodenbeschaffenheitsprüfung oder eine Bodenkorngrößenanalyse (auch Bodenbeschaffenheitsanalyse oder Partikelgrößenanalyse genannt) wird von Forschern verwendet, um die mineralische Fraktion eines Bodens zu analysieren. Die genaue Messung der Bodentextur ist entscheidend für das Verständnis der Wasserrückhaltung im Boden, der hydraulischen Leitfähigkeit, der Wasserauswaschung im Boden, des Erosionspotenzials, der Nährstoffspeicherung im Boden, der Dynamik der organischen Substanz, der Fähigkeit zur Kohlenstoffspeicherung und mehr.
Die Korngrößenverteilung eines Bodens kann in der Partikelgröße von Steinen und Felsen bis hin zu Tonen im Submikronbereich reichen. Wenn Sie die Korngröße und die Bodentextur betrachten, sind die Bodenpartikel in der Regel kleiner als 2000 Mikrometer. Diese Bodenpartikel werden normalerweise in drei Klassen eingeteilt: Sand, Schluff und Ton. Ein gutes Beispiel für diese Einteilung ist das Dreieck der Bodentextur (Abbildung 2), das denjenigen bekannt ist, die mit dem USDA-Klassifizierungssystem vertraut sind. In diesem Dreieck werden die festen Partikelgrößen in verschiedene Fraktionen von Sand, Schluff und Ton unterteilt.
Bei der Wahl einer Korngrößenanalysemethode zur Erstellung einer Korngrößenverteilungskurve ist es wichtig zu verstehen, wie Wissenschaftler diese Analysen traditionell durchgeführt haben und wie sich die Messung im Laufe der Zeit entwickelt hat.
Viele Jahre lang haben Forscher und Landwirte den Boden von Hand texturiert, indem sie Bänder verwendeten und die Grobheit mit den Händen prüften. Diese Methode ist zwar immer noch nützlich, wenn es darum geht, Böden auf dem Feld zu charakterisieren, aber sie ist subjektiv und fehleranfällig. Sie eignet sich als qualitatives Werkzeug für eine schnelle Charakterisierung, aber heute haben wir genauere Methoden.
Eine Methode zur genauen Messung der Korngröße ist die Siebanalyse mit Sieben nach ASTM-Standard (manchmal werden auch andere Klassifizierungssysteme mit anderen Standards für Siebgrößen verwendet). Bei dieser Methode wird die Größe der Bodenpartikel gemessen, während der Boden durch Siebe läuft, um die verschiedenen Größenbereiche zu erfassen. Diese Methode eignet sich in der Regel am besten für gröbere Fraktionen des Bodens.
Wenn Sie versuchen, alles unterhalb von 2000 Mikrometern oder zwei Millimetern zu charakterisieren, sind Sedimentationsmethoden, die auf dem Stokes-Gesetz basieren, effektiver(Gee et al, 2002). Die gebräuchlichsten dieser Methoden sind das Aräometer und die Pipettenmethode(Gee et al, 2002). Durch den technologischen Fortschritt wurden auch neue optische Methoden eingeführt, wie z.B. die Röntgenschwächung, die Laserbeugung und die VisNIR-Spektroskopie. Dieser Artikel und das Video unten konzentrieren sich auf den Vergleich der Grundlagen und der wissenschaftlichen Theorie hinter den am häufigsten verwendeten Methoden: Sedimentation und Laserbeugung.
Wie bereits erwähnt, weisen Bodenpartikel eine große Bandbreite unterschiedlicher Größen auf, von Steinen und Felsen (typischerweise über 0,25 Meter groß) bis hin zu mikroskopisch kleinen Tonen (typischerweise weniger als ein Mikrometer), wie in Abbildung 5 dargestellt. Wir konzentrieren uns hier auf Partikelmessungen, die kleiner als zwei mm oder 2000 um sind, aber alle diese Komponenten (oder Größenfraktionen) sind Teil ihrer Klassifizierung und müssen berücksichtigt werden. Wenn Sie also versuchen, Böden zu charakterisieren, müssen Sie auch alle größeren Fraktionen berücksichtigen, die möglicherweise vorhanden sind.
Abbildung 5 veranschaulicht die verschiedenen Systeme zur Größenklassifizierung und Bodenklassifizierung, wie das USDA und das Unified Soil Classification System, die beide typischerweise in den USA verwendet werden. Welches System Sie verwenden, hängt von Ihrem Anwendungsfall und Ihrem Standort ab (so gibt es beispielsweise auch einen deutschen Standard für die Bodenklassifizierung). Das USDA-Klassifizierungssystem wird für landwirtschaftliche und ökologische Zwecke verwendet, während das Unified System hauptsächlich für technische Zwecke genutzt wird. Es ist auch wichtig zu verstehen, welches System für die Berichterstattung über Ihre Ergebnisse benötigt wird. Für wen Sie Bericht erstatten und wie die Ergebnisse verwendet werden, hängt davon ab, welche Art von Klassifizierungssystem Sie wählen.
Auch die Art und Weise, wie die Daten präsentiert werden, ist ein wichtiger Punkt. Es gibt viele Möglichkeiten, die Daten der Korngrößenanalyse zu präsentieren. Eine der gängigsten ist die kumulative Partikelgrößenverteilungskurve (oder Korngrößenverteilungskurve). Eine Korngrößenverteilungskurve, wie die in Abbildung 6, zeigt verschiedene Bodentexturen und wie ihre kumulativen Verteilungen auf der Grundlage des Partikeldurchmessers aussehen.
Die Daten der Korngrößenanalyse können auch als massebasierter Prozentsatz der verschiedenen Größenklassen angegeben werden. Mit anderen Worten: Sie können die Größenklassen als Prozent Ton, Prozent Sand und Prozent Schluff angeben. Eine noch einfachere Möglichkeit, einen Boden zu klassifizieren, besteht darin, ihn als Bodentextur anzugeben.
Die von Ihnen gewählte Berichterstattungsmethode hängt von der Detailtiefe ab, die Sie benötigen. Eine kumulative Partikelgrößenverteilungskurve (Abbildung 6) liefert die detailliertesten Informationen, aber Verteilungskurvendaten sind nicht immer einfach zu interpretieren. Je nach Ihrem Anwendungsfall können Sie sich daher für eine einfachere Methode entscheiden.
Der Umgang mit dem Boden bei der Vorbehandlung ist ein wichtiger Prozess, da er die Genauigkeit Ihrer Daten beeinflussen kann. Viele Forscher beziehen sich auf das Buch, Methoden der Bodenanalyse, Teil 4: Physikalische Methoden für eine zuverlässige Methode zur Probenvorbereitung. Es gibt jedoch auch andere Methoden zur Vorbehandlung, darunter die ASTM-Methode und verschiedene Methoden in internationalen Standards.
Für alle Messmethoden wird der Boden zunächst identisch aufbereitet. Sand-, Schluff- und Tonpartikel werden für die individuelle Analyse getrennt. Organisches Material, Eisenoxid und organischer Kohlenstoff können ebenfalls entfernt werden (wenn sie in nennenswerten Mengen vorhanden sind), da sie die Messung stören können.
Einige der am häufigsten verwendeten Methoden basieren auf der Sedimentation und dem Stokes-Gesetz. Die Sedimentationsanalyse beruht auf der Beziehung zwischen der Absetzgeschwindigkeit und dem Partikeldurchmesser. Die Partikel werden in einer wässrigen Lösung in Schwebe gebracht. Mit der Zeit fallen diese Partikel je nach ihrer Partikelgröße mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ab (Abbildung 7).
Diese Beziehung wurde erstmals 1851 von George Gabriel Stokes definiert, einem irisch-englischen Physiker von der Universität Cambridge, der das entwickelte, was heute als Stokes-Gesetz bekannt ist.
Dem Stokes'schen Gesetz und den sedimentationsbasierten Methoden liegen einige grundlegende Annahmen zugrunde. Diese Annahmen sind:
Diese Annahmen sind nicht perfekt, aber selbst wenn diese Annahmen potenzielle Probleme mit sich bringen, sind Sedimentationsmethoden gut etabliert und wurden ausgiebig mit genauen Ergebnissen getestet. Dies zu verstehen hilft bei der Entscheidung zwischen verschiedenen Messmethoden.
Die beiden am häufigsten verwendeten Methoden für Sedimentationsmessungen sind das Aräometer und die Pipettenmethode. Eine dritte Methode, der integrale Suspensionsdruck, ist eine Weiterentwicklung der Sedimentationsmethoden, die auf dem basiert, was wir im Laufe der Zeit gelernt haben.Es gibt einige bemerkenswerte Unterschiede zwischen den Methoden, da jede einen bestimmten Bereich innerhalb des Zylinders misst. Diese Unterschiede werden im Folgenden erörtert, während wir die einzelnen Methoden, ihre Genauigkeit und die Erwartungen an die Messung untersuchen.
Die Aräometer-Methode beruht auf den Grundlagen des Stokes'schen Gesetzes. Eine wässrige Bodenlösung wird in Suspension gebracht, beiseite gestellt und darf sich über einen bestimmten Zeitraum absetzen. In der Regel dauert die Messung 24 Stunden, wenn Sie versuchen, die Tongröße von zwei Mikron zu quantifizieren. Während dieser Zeit wird mit dem Aräometer (Abbildung 9) die Änderung der Dichte der Lösung gemessen, wenn sich die Partikel abzusetzen beginnen. Es gibt eine Beziehung zwischen dieser Dichteänderung (oder der Ablagerungstiefe des Aräometers) und den verschiedenen Partikelgrößen, die sich noch in der Suspension befinden.
Um eine genaue Messung durchzuführen, muss die Sandfraktion zuvor durch eine Siebanalyse getrennt und quantifiziert werden. Dieser Schritt ist entscheidend, um eine genaue Schätzung des Tonanteils mit der Aräometer-Methode zu erhalten. Sandpartikel sind so groß, dass sie sich zu schnell absetzen, was eine genaue Messung erschwert. Dies ist ein häufiges Problem bei fast allen auf Sedimentation basierenden Methoden, und schließlich erfordert diese Methode einen Kontrollzylinder. Bei fast allen Tests wird Natriumhexametaphosphat (ein chemisches Dispersionsmittel) in den Sedimentationszylinder gegeben und verändert die Dichte des Wassers. Der Blindzylinder wirkt wie eine Kontrolle und korrigiert die Auswirkungen von Temperatur und Dispersion, die durch das Natriumhexametaphosphat verursacht werden.
Schließlich ist für diese Methode ein Kontrollzylinder erforderlich. Bei fast allen Tests wird Natriumhexametaphosphat (ein chemisches Dispersionsmittel) in den Sedimentationszylinder gegeben und verändert die Dichte des Wassers. Der Blindzylinder wirkt wie eine Kontrolle und korrigiert die Auswirkungen von Temperatur und Dispersion, die durch das Natriumhexametaphosphat verursacht werden.
Vorteile der Aräometer-Methode: Trotz der Herausforderungen ist die Aräometer-Methode kostengünstig, und die Genauigkeit dieser Methode liegt bei etwa +/- 3%.
Nachteile der Aräometer-Methode: Wie die meisten Sedimentationsmethoden hat auch die Aräometer-Methode ihre Tücken. Die Aräometer-Methode ist ein zeitaufwändiges Unterfangen und erfordert konsequente Aufmerksamkeit in festen Zeitabständen, manchmal nicht zur besten Tageszeit oder mitten in der Nacht. Außerdem wird alles manuell durchgeführt, was zu Fehlern führen kann.
Herausforderung 1: Die Aräometer-Methode ist eine manuelle Messung. Manuelle Messungen sind immer fehleranfällig, weil sie davon abhängen, dass Sie das Aräometer genau ablesen und dabei die Flaschen lange im Auge behalten.
Herausforderung 2: Die Störung des Sedimentationsprozesses, die beim Einführen des Aräometers in die Zylinder entsteht, kann eine Fehlerquelle darstellen. Bei diesem Ansatz kann eine Menge schief gehen, zumal diese Methode feste Messzeiten erfordert. Um dieses Verfahren korrekt anzuwenden, müssen die Messungen in bestimmten Intervallen durchgeführt werden, die von den Punkten Ihrer Partikelgrößenverteilungskurve abhängen, sei es in 30 Sekunden, einer Minute, vier Minuten oder in 12-Stunden-Intervallen.
Herausforderung 3: Die gefürchtete 24-Stunden-Messung. Oft beginnen Sie eine Messung am Freitag und müssen am Samstag für die 24-Stunden-Messung wiederkommen.
Wenn es um Sedimentationsmethoden für die Analyse der Korngröße oder der Bodentextur geht, ist die Pipettenmethode im Allgemeinen der Goldstandard. Sie ermöglicht eine genauere Messung und kann, je nach Ansatz, die feineren Tone besser berücksichtigen als die Aräometer-Methode.
Ähnlich wie bei der Aräometer-Methode muss die Sandfraktion immer noch vorher abgetrennt und separat mit einer Siebanalyse quantifiziert werden. Anders als beim Aräometer werden mit der Pipette jedoch direkte Proben aus einer kleineren Probenzone entnommen. Nachdem die Proben mit Hilfe des Stokes'schen Gesetzes in Suspension gebracht wurden, werden in bestimmten Abständen kleine Teilproben entnommen und in einem Ofen getrocknet. Die getrockneten Proben werden dann gewogen. Jedes Gewicht repräsentiert die verschiedenen Partikelgrößen in der Probenzone während dieses Zeitraums. Zum Beispiel könnte eine Messung im Bereich von zwei Mikrometern liegen, eine andere im Bereich von fünf Mikrometern und eine weitere im Bereich von 20 Mikrometern.
Die Vorteile der Pipettenmethode sind:
Die Herausforderungen oder Nachteile der Pipettenmethode sind ähnlich wie bei der Aräometer-Methode:
Und schließlich bleibt die Genauigkeit der Partikelgrößenverteilungskurve trotz der höheren Genauigkeit bei +\- 3%.
Die ISP-Methode (Integraler Suspensionsdruck) folgt den gleichen Prinzipien wie die anderen Sedimentationsmethoden, die auf dem Stokes-Gesetz basieren. Im Gegensatz zu den traditionellen Methoden wird bei der ISP-Methode ein hochpräziser Druckaufnehmer verwendet, um die Dichteänderung in der Lösung beim Absetzen der Partikel zu messen (Abbildung 12).
Die integralen Suspensionsmethoden (die ISP-Methode und die ISP+-Methode) erzeugen automatisch eine vollständige Korngrößenverteilungskurve. Abbildung 15 zeigt ein Beispiel dafür, wie diese Kurve aussehen könnte.
Abbildung 13 zeigt, wie die tatsächliche Druckmessung aussieht. Die Skala dieses Diagramms wird in Pascal Druck gemessen, einer sehr kleinen Skala (oder Niederdruckmessung). Um dies zu erreichen, ist ein präziser und genauer Druckmessumformer erforderlich.
Abbildung 14 zeigt, wie diese Messung eine kumulative Partikelgrößenverteilungskurve erzeugt. Dieser vollständige Prozess wird in einem von Experten begutachteten Artikel über die Integrale Suspensionsdruckmethode (ISP+) von Dr. Wolfgang Durner beschrieben (Durner et. al, 2017).
Nachteile: Der ISP-Ansatz hat zwar klare Vorteile (automatisiert, detailliert und eine vollständige Partikelgrößenverteilungskurve), aber es gibt auch erhebliche Herausforderungen.
Das Wissen um diese Probleme motivierte dazu, nach einer Verbesserung der ISP-Methode zu suchen, die bequem ist und die Praktikabilität der Messung insgesamt nicht beeinträchtigt. Dies führte zur Entwicklung der ISP+ Methode, einer Erweiterung eines experimentellen ISP-Protokolls.
Bei der ISP+ Methode wird nach einer bestimmten Zeit ein Teil der Suspension aus dem Sedimentationszylinder durch einen Auslass an der Seite in einer bestimmten Tiefe abgelassen. Diese Suspension wird in einem Becherglas aufgefangen und anschließend im Ofen getrocknet (siehe Abbildung 16). Die abgetropfte Lösung besteht aus allen feineren Partikeln, die in der Suspension verblieben sind. Wo die Teilprobe abgelassen wird und zu welchem Zeitpunkt die Lösung abgelassen wird, kann beeinflussen, welche Partikel noch in der Suspension sind. In Verbindung mit den Messungen des Drucksensors führt dies zu dem plötzlichen Abfall, der in der Grafik in Abbildung 13 zu sehen ist.
Ein Beispiel hierfür wäre eine Messung nach zwei Stunden und das Ablassen der Lösung aus einem Auslass in sechs Zentimetern Tiefe. Die maximale Partikelgröße in dieser Tiefe wird 2,8 Mikrometer betragen. Damit können wir die in der verbleibenden Lösung verbliebenen Partikel quantifizieren und das Fenster für die Analyse verkleinern. Das Ergebnis ist, dass die ISP+ Methode von zwei Seiten eingeschränkt wird. Der Sandbereich wird durch die externen Siebdaten eingeschränkt und der Tonbereich wird durch die Drainage eingegrenzt. Dadurch wird die Berechnung des Tonanteils gestrafft, was die ISP+ Methode zu einer robusteren, genaueren und zuverlässigeren Methode macht.
Ein weiterer entscheidender Vorteil der ISP+ Methode ist die Verringerung der Messzeit von 8 bis 12 Stunden auf nur noch 2,5 Stunden. Und ISP+ bietet nicht nur eine erhebliche Verbesserung der Messzeit (aufgrund der Automatisierung), sondern auch eine große Verbesserung der Gesamtgenauigkeit der Messung. Die Genauigkeit steigt von +\- 3 % (ISP, Pipetten- und Aräometer-Methode) auf eine Genauigkeit von +\- 0,5 %.
Das PARIO (Abbildung 18) von METER ist ein Beispiel für ein Gerät zur Korngrößenanalyse, das die ISP+ Methode zur Bestimmung der Bodentextur automatisiert.
Die heute am häufigsten verwendeten optischen Methoden sind die Röntgenschwächung, die Laserlichtstreuung durch Beugungsmessung und die VisNIR-Infrarotspektroskopie. Die VisNIR-Spektroskopie ist eine vielversprechende Methode, mit der die Größe von Bodenpartikeln genau quantifiziert werden kann, insbesondere wenn es um Dinge wie den Tonanteil geht. Wir werden uns jedoch in erster Linie auf die Laserlichtstreuung konzentrieren, da dies die am häufigsten verwendete Methode ist.
Die Laserbeugungsmethode basiert auf dem Prinzip, dass Partikel einer bestimmten Größe das Licht in einem bestimmten Winkel beugen. Mit abnehmender Partikelgröße vergrößert sich der Winkel der Lichtbeugung. Das bedeutet, dass kleinere Partikel wie Ton das Licht in einem größeren Winkel beugen als größere Partikel wie Sande oder Schlämme.
Das Schema in Abbildung 20 zeigt einen Entwurf für einen Laser-Partikelgrößenanalysator. Das Gerät sendet einen parallelen Strahl monochromatischen Lichts aus, der eine ähnliche Probensuspension wie bei allen anderen Methoden durchläuft. Das gebeugte Licht wird dann auf einen lichtempfindlichen Ringdetektor fokussiert. Die am Detektor gemessene Intensität ist eine Funktion des Winkels, der zur Schätzung der Partikelgrößenverteilung verwendet wird. Dies basiert auf der so genannten MIE-Theorie(Gee et al. 2002).
Der Messbereich für Laserbeugungsmethoden liegt zwischen 0,04 und 2000 Mikrometern. Er hängt vom Gerät und dem begrenzten Messvolumen ab, da der Laserstrahl nur eine Breite von 10 bis 25 Millimetern hat.
Nachteile: Wie bei anderen Methoden gibt es auch bei der Laserbeugung Probleme.
Vorteile: Ein Vorteil des Laserdiffraktometers bzw. der Laserbeugungsmethode ist, dass Sie mehr Proben in einer bestimmten Zeit durchführen können und die Messungen schneller durchgeführt werden können. Außerdem dauert es nicht Stunden, bis die Messungen abgeschlossen sind. Wenn Sie also einen hohen Durchsatz für Ihre Messungen benötigen, könnte dieser Ansatz eine gute Methode sein, je nachdem, welche relative Genauigkeit Sie benötigen.
Es kommt darauf an. Sie müssen Ihre Forschungsziele prüfen, festlegen, wofür die Messung verwendet werden soll, und dann die Vor- und Nachteile der oben genannten Methoden abwägen. Denken Sie daran, dass die Genauigkeit der Bodentexturanalyse und der Korngrößenverteilungskurve von den Methoden und Werkzeugen abhängt, die Sie verwenden.
Ein Beispiel: Die PARIO (ISP+ Methode) ist eine gute Methode für Personen, die den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Durchführung einer Partikelgrößenanalyse minimieren möchten, da sie den Arbeitsaufwand reduziert und gleichzeitig die Genauigkeit gegenüber anderen sedimentationsbasierten Methoden verbessert.
Es ist wichtig zu verstehen, dass Sie, egal welche Methode Sie wählen, die Proben vorbehandeln und die Sandfraktion sieben müssen. Kurz gesagt, wenn Sie die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden kennen und das gewünschte Ergebnis definieren, können Sie entscheiden, welche Methode am effektivsten ist.
Dane, Jacob H., und Clarke G. Topp, Hrsg.. Methoden der Bodenanalyse, Teil 4: Physikalische Methoden. Bd. 20. John Wiley & Sons, 2020. Artikel-Link.
Durner, Wolfgang, Sascha C. Iden, und Georg von Unold. "Die integrale Suspensionsdruckmethode (ISP) zur präzisen Partikelgrößenanalyse durch Gravitationssedimentation." Water Resources Research 53, no. 1 (2017): 33-48. Artikel-Link.
Gee, G.W. und Or, D. (2002). 2.4 Analyse der Partikelgröße. In Methods of Soil Analysis (Hrsg. J.H. Dane und G. Clarke Topp). Artikel-Link.
McKeague, J. A., und Peter C. Stobbe. "Geschichte der Bodenuntersuchung in Kanada 1914-1975". (1978). Artikel-Link.
Syvitski, James PM, ed. Prinzipien, Methoden und Anwendung der Partikelgrößenanalyse. Vol. 388. Cambridge: Cambridge University Press, 1991. Link zum Buch.
Yong, Raymond Nen, und Benno P. Warkentin. Einführung in das Bodenverhalten. Nr. 451 Seiten. 1966. Artikel-Link.
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