Un test della tessitura del suolo o un'analisi della granulometria del suolo (chiamata anche analisi della tessitura del suolo o analisi della dimensione delle particelle) è ciò che i ricercatori usano per analizzare la frazione minerale di un suolo. La misurazione accurata della tessitura del suolo è fondamentale per comprendere la ritenzione idrica, la conducibilità idraulica, la lisciviazione dell'acqua nel suolo, il potenziale di erosione, l'immagazzinamento dei nutrienti nel suolo, la dinamica della materia organica, la capacità di sequestro del carbonio e altro ancora.
La tessitura del suolo o granulometria è una proprietà fisica fondamentale del suolo e la distribuzione granulometrica o particellare di un terreno può variare in termini di dimensioni da pietre e rocce fino ad argille di dimensioni inferiori al micron. In genere, quando si esaminano la granulometria e la tessitura del suolo, le particelle del terreno sono più piccole di 2000 micron. Le particelle del terreno vengono solitamente suddivise in tre classi: sabbia, limo e argilla. Un buon esempio di questa divisione è rappresentato dal triangolo della tessitura del suolo (Figura 2), riconoscibile da chi ha familiarità con il sistema di classificazione USDA. Questo triangolo prende le dimensioni delle particelle solide e le suddivide in diverse frazioni di sabbia, limo e argilla.
Quando si sceglie un metodo di analisi granulometrica per creare una curva di distribuzione granulometrica, è importante capire come gli scienziati hanno tradizionalmente eseguito queste analisi e come la misurazione si è evoluta nel tempo.
Per molti anni, i ricercatori e i coltivatori hanno testurizzato il terreno a mano, utilizzando nastri e controllando la grana con le mani. Sebbene questo metodo sia ancora utile quando si cerca di caratterizzare i terreni sul campo, è soggettivo e soggetto a errori. Funziona come strumento qualitativo per una rapida caratterizzazione, ma oggi disponiamo di metodi più accurati.
Un metodo per ottenere misurazioni granulometriche accurate è l'analisi al setaccio utilizzando setacci di dimensioni conformi agli standard ASTM (a volte vengono utilizzati altri sistemi di classificazione con standard diversi per le dimensioni dei setacci). In questo metodo, le dimensioni delle particelle del suolo vengono misurate mentre il terreno passa attraverso i setacci per catturare le diverse gamme di dimensioni. In genere, questo metodo è migliore per le frazioni più grossolane del suolo.
Quando si cerca di caratterizzare qualcosa al di sotto dei 2000 micron o due millimetri, i metodi di sedimentazione basati sulla legge di Stokes sono più efficaci(Gee et al, 2002). I più comuni sono i metodi dell'idrometro e della pipetta(Gee et al, 2002). I progressi tecnologici hanno introdotto anche nuovi metodi ottici, come l'attenuazione dei raggi X, la diffrazione laser e la spettroscopia VisNIR. Questo articolo e il video che segue si concentrano sul confronto dei fondamenti e della teoria scientifica alla base dei metodi più comunemente utilizzati: la sedimentazione e la diffrazione laser.
Come accennato, le particelle del suolo hanno un'ampia gamma di dimensioni variabili, da pietre e rocce (in genere di dimensioni superiori a 0,25 metri) fino alle argille di dimensioni micron (in genere inferiori a un micron), come mostrato nella Figura 5. In questa sede, ci concentriamo sulle misure delle particelle più piccole di due mm o 2000 um, ma tutti questi componenti (o frazioni dimensionali) fanno parte della loro classificazione e devono essere tenuti in considerazione. Pertanto, quando si cerca di caratterizzare i terreni, è necessario tenere conto di tutte le frazioni più grandi che possono essere presenti.
La Figura 5 illustra i vari sistemi di classificazione delle dimensioni e del suolo, come l'USDA e l'Unified Soil Classification System, entrambi tipicamente utilizzati negli Stati Uniti. Il sistema utilizzato può cambiare a seconda del caso d'uso e del luogo in cui ci si trova (ad esempio, esiste anche uno standard tedesco per la classificazione del suolo). Il sistema di classificazione USDA è utilizzato per scopi agricoli e ambientali, mentre il Sistema Unificato è utilizzato principalmente per l'ingegneria. È anche importante capire quale sia il sistema necessario per la comunicazione dei risultati. La scelta del sistema di classificazione dipende dal destinatario del rapporto e dall'uso che ne verrà fatto.
Anche il modo in cui verranno presentati i dati è un aspetto importante da considerare. Esistono molti modi per presentare i dati dell'analisi granulometrica. Uno dei più comuni è la curva di distribuzione granulometrica cumulativa (o curva di distribuzione granulometrica). Una curva di distribuzione granulometrica, come quella della Figura 6, mostra le diverse tessiture del suolo e l'aspetto delle loro distribuzioni cumulative in base al diametro delle particelle.
I dati dell'analisi granulometrica possono essere riportati anche come percentuale in massa delle diverse classi granulometriche. In altre parole, è possibile riportare le classi granulometriche come percentuale di argilla, percentuale di sabbia e percentuale di limo. Un modo ancora più semplice per classificare un terreno è quello di riportarlo come tessitura del terreno.
La scelta del metodo di reporting dipende dal livello di dettaglio necessario. Una curva di distribuzione granulometrica cumulativa (Figura 6) fornisce le informazioni più dettagliate, ma i dati della curva di distribuzione non sono sempre facili da interpretare. Pertanto, a seconda del caso d'uso, si può decidere di utilizzare un metodo più semplice.
Il modo in cui il terreno viene trattato nel suo pretrattamento è un processo importante perché può influire sull'accuratezza dei dati. Molti ricercatori fanno riferimento al libro, Metodi di analisi del suolo, Parte 4: Metodi fisici per un metodo affidabile di preparazione dei campioni. Tuttavia, sono disponibili altri metodi di pretrattamento, tra cui il metodo ASTM e diversi metodi previsti dagli standard internazionali.
Per tutti i metodi di misurazione, il terreno viene sottoposto a una preparazione iniziale identica. Le particelle di sabbia, limo e argilla vengono separate per l'analisi individuale. Anche la materia organica, l'ossido di ferro e il carbonio organico possono essere rimossi (se presenti in quantità significative) perché possono interferire con la misurazione.
Alcuni dei metodi più utilizzati si basano sulla sedimentazione e sulla legge di Stokes. L'analisi della sedimentazione si basa sulla relazione esistente tra la velocità di sedimentazione e il diametro delle particelle. Le particelle vengono messe in sospensione in una soluzione acquosa e, nel tempo, cadono, o si depositano, a varie velocità a seconda delle loro dimensioni (Figura 7).
Questa relazione fu definita per la prima volta nel 1851 da George Gabriel Stokes, un fisico irlandese-inglese dell'Università di Cambridge che sviluppò quella che oggi è nota come legge di Stokes.
La legge di Stokes e i metodi basati sulla sedimentazione si basano su alcuni presupposti fondamentali. Questi presupposti sono:
Queste ipotesi non sono perfette, ma anche con i potenziali problemi derivanti da queste ipotesi, i metodi di sedimentazione sono ben consolidati e sono stati ampiamente testati con risultati accurati. La comprensione di questo aspetto è utile per decidere tra i diversi metodi di misurazione.
I due metodi più comunemente utilizzati per la misurazione della sedimentazione sono l'idrometro e il metodo della pipetta. Un terzo metodo, la pressione di sospensione integrale, è un progresso dei metodi di sedimentazione, basato su ciò che abbiamo imparato nel corso del tempo.Ci sono alcune differenze evidenti tra i metodi, poiché ognuno misura una zona specifica all'interno del cilindro. Queste differenze sono discusse di seguito, mentre esploriamo ciascun metodo, la sua accuratezza e ciò che ci si aspetta da tale misurazione.
Il metodo dell'idrometro dipende dai fondamenti della legge di Stokes. Una soluzione acquosa di terreno viene messa in sospensione, messa da parte e lasciata sedimentare per un determinato periodo di tempo. In genere, la misurazione richiede 24 ore se si cerca di quantificare le dimensioni dell'argilla di due micron. Durante questo periodo, l'idrometro (Figura 9) viene utilizzato per misurare la variazione di densità della soluzione man mano che le particelle iniziano a depositarsi. Esiste una relazione tra questa variazione di densità (o la profondità di sedimentazione dell'idrometro) e le varie dimensioni delle particelle ancora in sospensione.
Per effettuare una misurazione accurata, è necessario separare e quantificare preventivamente la frazione sabbiosa mediante analisi al setaccio. Questa fase è fondamentale per ottenere una stima accurata della frazione argillosa con il metodo dell'idrometro. Le particelle di sabbia sono così grandi che si depositano troppo velocemente, rendendo difficile ottenere una misurazione accurata. Questo è un problema comune a quasi tutti i metodi basati sulla sedimentazione. Infine, questo metodo richiede un cilindro di controllo "bianco". In quasi tutti i test, l'esametafosfato di sodio (un disperdente chimico) viene aggiunto al cilindro di sedimentazione e modifica la densità dell'acqua. Il cilindro del bianco agisce come un controllo, correggendo gli effetti della temperatura e della dispersione dovuti all'esametafosfato di sodio.
Infine, questo metodo richiede un cilindro di controllo "in bianco". In quasi tutti i test, l'esametafosfato di sodio (un disperdente chimico) viene aggiunto al cilindro di sedimentazione e modifica la densità dell'acqua. Il cilindro del bianco agisce come un controllo, correggendo gli effetti della temperatura e della dispersione dovuti all'esametafosfato di sodio.
Pro del metodo dell'idrometro: Nonostante le sfide, il metodo dell'idrometro è poco costoso e la sua precisione si aggira intorno al +/- 3%.
Contro del metodo dell'idrometro: Come la maggior parte dei metodi di sedimentazione, anche l'idrometro presenta delle difficoltà. L'approccio dell'idrometro richiede molto tempo e un'attenzione costante a intervalli di tempo prestabiliti, a volte non nel momento migliore della giornata o nel cuore della notte. Inoltre, il tutto viene eseguito manualmente, il che può portare ad errori.
Sfida 1: Il metodo dell'idrometro è una misurazione manuale. Le misurazioni manuali sono sempre soggette a errori perché dipendono dall'accuratezza della lettura dell'idrometro e dalla capacità di tenere d'occhio le bombole per lunghi periodi.
Sfida 2: il disturbo del processo di sedimentazione causato dall'inserimento dell'idrometro nei cilindri può essere fonte di errore. Molte cose possono andare storte con questo approccio, soprattutto perché questo metodo richiede tempi di misurazione fissi. Per utilizzare correttamente questa procedura, le misurazioni devono essere effettuate a intervalli specifici a seconda dei punti della curva di distribuzione granulometrica, che si tratti di 30 secondi, un minuto, quattro minuti o 12 ore.
Sfida 3: la temuta lettura delle 24 ore. Spesso si inizia una misurazione il venerdì e si deve tornare il sabato per la misurazione delle 24 ore.
In generale, quando si parla di metodi di sedimentazione per l'analisi granulometrica o della tessitura del suolo, il metodo della pipetta è il gold standard. Consente una misurazione più accurata e, a seconda dell'approccio, può tenere conto delle argille più fini meglio del metodo dell'idrometro.
Analogamente al metodo dell'idrometro, la frazione di sabbia deve ancora essere separata e quantificata separatamente con l'analisi al setaccio. Tuttavia, a differenza dell'idrometro, la pipetta preleva campioni diretti da una zona di campionamento più piccola. Dopo che i campioni sono stati messi in sospensione utilizzando la legge di Stokes, vengono prelevati piccoli sottocampioni a intervalli prestabiliti e fatti essiccare in un forno. I campioni essiccati vengono poi pesati. Ogni peso rappresenta le diverse dimensioni delle particelle presenti nella zona del campione in quel momento. Ad esempio, una misurazione potrebbe essere nell'intervallo di dimensioni di due micron, un'altra nell'intervallo di dimensioni di cinque micron e un'altra ancora nell'intervallo di dimensioni di 20 micron.
I vantaggi dell'utilizzo del metodo della pipetta sono:
Le sfide o gli svantaggi del metodo della pipetta sono simili a quelli del metodo dell'idrometro:
Infine, nonostante la maggiore precisione della curva di distribuzione granulometrica, la sua accuratezza rimane pari a + 3%.
Il metodo della pressione di sospensione integrale o ISP segue gli stessi principi degli altri metodi di sedimentazione basati sulla legge di Stokes. A differenza dei metodi tradizionali, il metodo ISP utilizza un trasduttore di pressione ad alta precisione per misurare la variazione di densità nella soluzione durante la sedimentazione delle particelle (Figura 12).
I metodi di sospensione integrale (il metodo ISP e il metodo ISP+) producono automaticamente una curva di distribuzione granulometrica completa. La Figura 15 mostra un esempio di come potrebbe apparire tale curva.
La Figura 13 mostra l'aspetto della misurazione effettiva della pressione. La scala di questo grafico è misurata in Pascal di pressione, una scala molto piccola (o misura di bassa pressione). Per ottenere questo risultato è necessario un trasduttore di pressione preciso e accurato.
La Figura 14 mostra come questa misurazione genera una curva di distribuzione granulometrica cumulativa. Questo processo completo è descritto in un articolo, sottoposto a revisione paritaria, sul metodo della pressione di sospensione integrale (ISP+) del Dr. Wolfgang Durner (Durner et. al, 2017).
Contro: Se da un lato vi sono chiari vantaggi nell'approccio ISP (automatizzato, dettagliato e con una curva di distribuzione granulometrica completa), dall'altro vi sono anche sfide significative.
La conoscenza di questi problemi ha motivato la ricerca di un miglioramento della metodologia ISP che fosse conveniente e non influisse sulla praticità complessiva della misurazione. Ciò ha portato allo sviluppo del metodo ISP+, un'estensione di un protocollo ISP sperimentale.
Nel metodo ISP+, dopo un certo periodo di tempo, parte della sospensione viene drenata dal cilindro di sedimentazione attraverso un'uscita sul lato posizionato a una profondità specifica. Questa sospensione viene raccolta in un becher e poi essiccata in forno (vedi Figura 16). La soluzione drenata è composta da tutte le particelle più fini rimaste in sospensione. Il punto in cui il sottocampione viene drenato e il momento in cui viene drenato possono cambiare le particelle ancora in sospensione. Questo, unito alle misurazioni del sensore di pressione, determina l'improvviso calo mostrato nel grafico della Figura 13.
Ad esempio, si potrebbe effettuare una misurazione dopo due ore e poi drenare la soluzione da un'uscita situata a sei centimetri. Le dimensioni massime delle particelle a quella profondità saranno di 2,8 micron. Possiamo quindi utilizzare questo dato per quantificare ciò che rimane nella soluzione rimanente e restringere la nostra finestra di analisi. Il risultato è che il metodo ISP+ è vincolato da due lati. L'intervallo di sabbia è vincolato dai dati del setaccio esterno e l'intervallo di argilla è vincolato dal drenaggio. Il calcolo della frazione argillosa è più rigoroso e rende il metodo ISP+ un metodo più robusto, accurato e affidabile.
Un altro vantaggio fondamentale del metodo ISP+ è la riduzione del tempo di misura da 8-12 ore a sole 2,5 ore. Inoltre, ISP+ non solo offre un significativo miglioramento dei tempi di misurazione (grazie all'automazione), ma anche un notevole miglioramento dell'accuratezza complessiva della misurazione. L'accuratezza passa da un +\- 3% (metodo ISP, pipetta e idrometro) a un'accuratezza di +\- 0,5%.
Il PARIO (Figura 18), prodotto da METER, è un esempio di strumento di analisi granulometrica che automatizza il metodo ISP+ per determinare la tessitura del suolo.
I metodi ottici più comuni utilizzati oggi sono l'attenuazione dei raggi X, la diffusione della luce laser dalla misura di diffrazione e la spettroscopia infrarossa VisNIR. La spettroscopia VisNIR è un metodo promettente, in grado di quantificare con precisione le dimensioni delle particelle del suolo, soprattutto per quanto riguarda la frazione di argilla. Tuttavia, ci concentreremo principalmente sulla diffusione della luce laser in quanto è il metodo più comunemente utilizzato.
Il metodo di diffrazione laser si basa sul principio che le particelle di una determinata dimensione diffrangono la luce con un certo angolo. Al diminuire delle dimensioni delle particelle, l'angolo di diffrazione della luce aumenta. Ciò significa che le particelle più piccole, come l'argilla, diffrangeranno la luce con un angolo maggiore rispetto alle particelle più grandi, come le sabbie o i limi.
Lo schema della Figura 20 illustra il progetto di un analizzatore laser delle dimensioni delle particelle. Il dispositivo emette un fascio parallelo di luce monocromatica che attraversa una sospensione di campione simile a quella degli altri metodi. La luce diffratta viene quindi focalizzata su un rivelatore ad anello fotosensibile. L'intensità misurata sul rilevatore è una funzione dell'angolo utilizzato per stimare la distribuzione delle dimensioni delle particelle. Questo metodo si basa sulla cosiddetta teoria MIE (Gee et al 2002).
L'intervallo di misurazione dei metodi di diffrazione laser va da 0,04 a 2000 micron. Dipende dal dispositivo e dal volume di misura limitato, poiché il raggio laser ha una larghezza di soli 10-25 millimetri.
Contro: come per altri metodi, la diffrazione laser presenta delle difficoltà.
Pro: Il diffrattometro laser, o metodo di diffrazione laser, presenta un vantaggio: è possibile eseguire più campioni in un determinato momento e ottenere misure più rapidamente. Inoltre, le misure non richiedono ore per essere completate. Quindi, se avete bisogno di un'elevata produttività per le vostre misure, questo approccio potrebbe essere un buon metodo da utilizzare, a seconda della precisione relativa richiesta.
Dipende. Dovrete esaminare i vostri obiettivi di ricerca, definire a cosa servirà la misurazione e quindi soppesare i vantaggi e gli svantaggi dei metodi sopra descritti. Tenete presente che l'accuratezza dell'analisi della tessitura del suolo e della curva di distribuzione granulometrica dipende dai metodi e dagli strumenti utilizzati.
Ad esempio: Il metodo PARIO (metodo ISP+) è un buon metodo per chi vuole ridurre al minimo il tempo e la manodopera necessari per eseguire un'analisi granulometrica, perché riduce la manodopera e migliora l'accuratezza rispetto ad altri metodi basati sulla sedimentazione.
È importante capire che, indipendentemente dal metodo scelto, sarà necessario pretrattare i campioni e setacciare la frazione di sabbia. In breve, la comprensione dei pro e dei contro di ciascun metodo e la definizione del risultato desiderato possono aiutare a decidere quale sarà il più efficace.
Dane, Jacob H. e Clarke G. Topp, eds. Metodi di analisi del suolo, Parte 4: Metodi fisici. Vol. 20. John Wiley & Sons, 2020. Link all'articolo.
Durner, Wolfgang, Sascha C. Iden e Georg von Unold. "Il metodo della pressione di sospensione integrale (ISP) per un'analisi precisa delle dimensioni delle particelle mediante sedimentazione gravitazionale". Water Resources Research 53, no. 1 (2017): 33-48. Link all'articolo.
Gee, G.W. e Or, D. (2002). 2.4 Analisi granulometrica. In Metodi di analisi del suolo (ed. J.H. Dane e G. Clarke Topp). Link all'articolo.
McKeague, J. A. e Peter C. Stobbe. "Storia del rilevamento del suolo in Canada 1914-1975". (1978). Link all'articolo.
Syvitski, James PM, ed. Principi, metodi e applicazioni dell'analisi granulometrica. Vol. 388. Cambridge: Cambridge University Press, 1991. Link al libro.
Yong, Raymond Nen e Benno P. Warkentin. Introduzione al comportamento del suolo. N. 451 pp. 1966. Link all'articolo.
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