Test tekstury gleby lub analiza wielkości ziaren gleby (zwana również analizą tekstury gleby lub analizą wielkości cząstek) jest tym, czego naukowcy używają do analizy frakcji mineralnej gleby. Dokładny pomiar tekstury gleby ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia retencji wody w glebie, przewodności hydraulicznej, wymywania wody z gleby, potencjału erozji, magazynowania składników odżywczych w glebie, dynamiki materii organicznej, zdolności sekwestracji węgla i innych.
Tekstura gleby lub wielkość ziaren jest podstawową właściwością fizyczną gleby, a rozkład wielkości ziaren lub rozkład wielkości cząstek gleby może wahać się w zakresie wielkości cząstek od kamieni i skał aż do submikronowych glin. Zazwyczaj, patrząc na wielkość ziarna i teksturę gleby, cząstki gleby będą mniejsze niż 2000 mikronów. Te cząstki gleby są zwykle podzielone na trzy klasy: piasek, muł i glinę. Dobrym przykładem tego podziału jest trójkąt tekstury gleby (rysunek 2), rozpoznawalny dla tych, którzy są zaznajomieni z systemem klasyfikacji USDA. Trójkąt ten uwzględnia rozmiary cząstek stałych i dzieli je na różne frakcje piasku, mułu i gliny.
Wybierając metodę analizy wielkości ziarna w celu utworzenia krzywej rozkładu wielkości ziarna, ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób naukowcy tradycyjnie przeprowadzali te analizy i jak pomiary ewoluowały w czasie.
Przez wiele lat badacze i hodowcy teksturowali glebę ręcznie, używając wstążek i sprawdzając szorstkość rękami. Chociaż metoda ta jest nadal przydatna przy próbie scharakteryzowania gleby w terenie, jest subiektywna i podatna na błędy. Działa jako narzędzie jakościowe do szybkiej charakterystyki; jednak dziś mamy dokładniejsze metody.
Jedną z metod uzyskiwania dokładnych pomiarów wielkości ziaren jest analiza sitowa przy użyciu sit o rozmiarach zgodnych ze standardami ASTM (czasami stosowane są inne systemy klasyfikacji z różnymi standardami dotyczącymi rozmiarów sit). W tej metodzie wielkość cząstek gleby jest mierzona, gdy gleba przechodzi przez sita, aby uchwycić różne zakresy wielkości. Zazwyczaj metoda ta jest najlepsza dla grubszych frakcji gleby.
Przy próbie scharakteryzowania czegokolwiek poniżej 2000 mikronów lub dwóch milimetrów, metody sedymentacji oparte na prawie Stokesa są bardziej skuteczne(Gee i in., 2002). Najpopularniejsze z nich to metody hydrometryczne i pipetowe(Gee i in., 2002). Postęp technologiczny wprowadził również nowe metody optyczne, takie jak tłumienie promieniowania rentgenowskiego, dyfrakcja laserowa i spektroskopia VisNIR. Niniejszy artykuł i poniższy film koncentrują się na porównaniu podstaw i teorii naukowej stojącej za najczęściej stosowanymi metodami: sedymentacją i dyfrakcją laserową.
Jak wspomniano, cząstki gleby mają szeroki zakres różnych rozmiarów, od kamieni i skał (zwykle przekraczających 0,25 metra) aż do mikronowych glin (zwykle poniżej jednego mikrona), jak pokazano na rysunku 5. Tutaj skupiamy się na pomiarach cząstek mniejszych niż dwa mm lub 2000 um, ale wszystkie te składniki (lub frakcje wielkości) są częścią ich klasyfikacji i muszą być uwzględnione. Dlatego też, próbując scharakteryzować glebę, należy wziąć pod uwagę wszelkie większe frakcje, które mogą być obecne.
Rysunek 5 ilustruje różne systemy klasyfikacji wielkości i klasyfikacji gleby, takie jak USDA i Unified Soil Classification System, oba zwykle używane w USA. Używany system może się zmieniać w zależności od przypadku użycia i lokalizacji (na przykład istnieje również niemiecki standard klasyfikacji gleby). System klasyfikacji USDA jest używany do celów rolniczych i środowiskowych, podczas gdy ujednolicony system jest używany głównie w inżynierii. Ważne jest również, aby zrozumieć, co jest potrzebne podczas raportowania wyników. To, do kogo raportujesz i w jaki sposób wyniki będą wykorzystywane, będzie decydować o tym, jaki rodzaj systemu klasyfikacji wybierzesz.
Sposób prezentacji danych jest również ważną rzeczą do rozważenia. Istnieje wiele sposobów prezentacji danych z analizy wielkości ziarna. Jednym z najczęstszych jest skumulowana krzywa rozkładu wielkości cząstek (lub krzywa rozkładu wielkości ziaren). Krzywa rozkładu wielkości ziaren, taka jak ta na rysunku 6, pokazuje różne tekstury gleby i ich skumulowane rozkłady w oparciu o średnicę cząstek.
Dane analizy wielkości ziaren mogą być również zgłaszane jako procent masy różnych klas wielkości. Innymi słowy, można zgłaszać klasy wielkości jako procent gliny, procent piasku i procent mułu. Jeszcze prostszym sposobem klasyfikacji gleby jest podanie jej tekstury.
Wybór metody raportowania zależy od wymaganego poziomu szczegółowości. Skumulowana krzywa rozkładu wielkości cząstek (rysunek 6) zapewni najbardziej szczegółowe informacje, ale dane z krzywej rozkładu nie zawsze są łatwe do interpretacji. Dlatego, w zależności od przypadku użycia, możesz zdecydować się na użycie prostszej metody.
Sposób obróbki wstępnej gleby jest ważnym procesem, ponieważ może mieć wpływ na dokładność danych. Wielu badaczy odwołuje się do książki, Metody analizy gleby, część 4: Metody fizyczne w celu uzyskania niezawodnej metody przygotowania próbki. Dostępne są jednak inne metody obróbki wstępnej, w tym metoda ASTM i różne metody w normach międzynarodowych.
W przypadku wszystkich metod pomiarowych gleba przechodzi identyczne wstępne przygotowanie. Cząsteczki piasku, mułu i gliny są oddzielane do indywidualnej analizy. Materia organiczna, tlenek żelaza i węgiel organiczny mogą również zostać usunięte (jeśli są obecne w znacznych ilościach), ponieważ mogą zakłócać pomiar.
Niektóre z najczęściej stosowanych metod opierają się na sedymentacji i prawie Stokesa. Analiza sedymentacji opiera się na zależności między prędkością osiadania a średnicą cząstek. Cząsteczki są umieszczane w zawiesinie w roztworze wodnym i z czasem opadają lub osiadają z różną prędkością w zależności od ich wielkości (rysunek 7).
Zależność ta została po raz pierwszy zdefiniowana w 1851 roku przez George'a Gabriela Stokesa, irlandzko-angielskiego fizyka z Uniwersytetu w Cambridge, który opracował tak zwane prawo Stokesa.
Za prawem Stokesa i metodami opartymi na sedymentacji stoją pewne podstawowe założenia. Założenia te są następujące:
Założenia te nie są idealne, ale nawet z potencjalnymi problemami wynikającymi z tych założeń, metody sedymentacji są dobrze ugruntowane i zostały szeroko przetestowane z dokładnymi wynikami. Zrozumienie tego pomoże przy podejmowaniu decyzji o wyborze różnych metod pomiarowych.
Dwie najczęściej stosowane metody pomiaru sedymentacji obejmują hydrometr i metodę pipetową. Trzecia metoda, zintegrowane ciśnienie zawiesiny, jest rozwinięciem metod sedymentacji, opartym na tym, czego nauczyliśmy się z biegiem czasu.Istnieją pewne zauważalne różnice między metodami, ponieważ każda z nich mierzy określoną strefę w cylindrze. Różnice te zostały omówione poniżej, gdy badamy każdą metodę, ich dokładność i to, czego oczekuje się od tego pomiaru.
Metoda hydrometryczna opiera się na podstawach prawa Stokesa. Wodny roztwór gleby umieszcza się w zawiesinie, odstawia na bok i pozostawia do osadzenia w określonym czasie. Zazwyczaj pomiar trwa 24 godziny, jeśli próbuje się określić ilościowo glinę o wielkości dwóch mikronów. W tym czasie hydrometr (rysunek 9) jest używany do pomiaru zmiany gęstości roztworu, gdy cząstki zaczynają się osadzać. Istnieje związek między tą zmianą gęstości (lub głębokością osiadania hydrometru) a różnymi rozmiarami cząstek, które nadal znajdują się w zawiesinie.
Aby dokonać dokładnego pomiaru, frakcja piasku musi zostać wcześniej oddzielona i określona ilościowo za pomocą analizy sitowej. Ten krok ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dokładnego oszacowania frakcji gliny za pomocą metody hydrometrycznej. Cząsteczki piasku są tak duże, że osiadają zbyt szybko, co utrudnia uzyskanie dokładnego pomiaru. Jest to powszechny problem w przypadku prawie wszystkich metod opartych na sedymentacji. Wreszcie, metoda ta wymaga kontrolnego cylindra "ślepego". W prawie wszystkich testach heksametafosforan sodu (chemiczny środek dyspergujący) jest dodawany do cylindra sedymentacyjnego i zmienia gęstość wody. Ślepy cylinder działa jak kontrola, korygując wpływ temperatury i dyspersji spowodowany heksametafosforanem sodu.
Wreszcie, metoda ta wymaga kontrolnego "ślepego" cylindra. W prawie wszystkich testach heksametafosforan sodu (chemiczny środek dyspergujący) jest dodawany do cylindra sedymentacyjnego i zmienia gęstość wody. Ślepy cylinder działa jak kontrola, korygując wpływ temperatury i dyspersji spowodowany heksametafosforanem sodu.
Zalety metody hydrometrycznej: Pomimo wyzwań, metoda hydrometryczna jest niedroga, a jej dokładność wynosi około +/- 3%.
Wady metody hydrometrycznej: Podobnie jak w przypadku większości metod sedymentacyjnych, hydrometr ma swoje wyzwania. Metoda hydrometryczna jest czasochłonna i wymaga stałej uwagi w ustalonych odstępach czasu, czasami nie o najlepszej porze dnia lub w środku nocy. Dodatkowo, wszystko jest wykonywane ręcznie, co może prowadzić do błędów.
Wyzwanie 1: Metoda hydrometryczna jest pomiarem ręcznym. Pomiary ręczne są zawsze podatne na błędy, ponieważ polegają na dokładnym odczycie hydrometru, przy jednoczesnym uważnym obserwowaniu butli przez długi czas.
Wyzwanie 2: Zakłócenie procesu sedymentacji spowodowane wprowadzeniem hydrometru do cylindrów może być źródłem błędu. W tym podejściu wiele może pójść nie tak, zwłaszcza że metoda ta wymaga stałych czasów pomiaru. Aby prawidłowo zastosować tę procedurę, pomiary należy wykonywać w określonych odstępach czasu, w zależności od punktów krzywej rozkładu wielkości cząstek, niezależnie od tego, czy jest to 30 sekund, jedna minuta, cztery minuty czy 12 godzin.
Wyzwanie 3: Przerażający odczyt 24-godzinny. Często zdarza się, że rozpoczynasz pomiar w piątek i musisz wrócić w sobotę na pomiar 24-godzinny.
Ogólnie rzecz biorąc, w odniesieniu do metod sedymentacji do analizy wielkości ziarna lub analizy tekstury gleby, metoda pipetowa jest złotym standardem. Pozwala ona na dokładniejszy pomiar i w zależności od podejścia może uwzględniać drobniejsze gliny lepiej niż metoda hydrometryczna.
Podobnie jak w przypadku metody hydrometrycznej, frakcja piasku nadal musi zostać wcześniej oddzielona i określona ilościowo osobno za pomocą analizy sitowej. Jednak w odróżnieniu od hydrometru, pipeta pobiera bezpośrednie próbki z mniejszej strefy próbki. Po umieszczeniu próbek w zawiesinie przy użyciu prawa Stokesa, małe podpróbki są pobierane w ustalonych odstępach czasu i suszone w piecu. Wysuszone próbki są następnie ważone. Każda waga reprezentuje różne rozmiary cząstek w strefie próbki w tym czasie. Na przykład, jeden pomiar może być w zakresie wielkości dwóch mikronów, inny pomiar w zakresie wielkości pięciu mikronów, a jeszcze inny pomiar w zakresie wielkości 20 mikronów.
Zalety stosowania metody pipetowej są następujące:
Wyzwania lub wady metody pipetowej są podobne do metody hydrometrycznej:
I wreszcie, pomimo wyższej dokładności na krzywej rozkładu wielkości cząstek, jej dokładność pozostaje na poziomie + \ - 3%.
Metoda zintegrowanego ciśnienia zawiesiny lub ISP opiera się na tych samych zasadach, co inne metody sedymentacji oparte na prawie Stokesa. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, metoda ISP wykorzystuje precyzyjny przetwornik ciśnienia do pomiaru zmiany gęstości roztworu podczas osadzania się cząstek (rysunek 12).
Metody zawiesiny integralnej (metoda ISP i metoda ISP+) automatycznie tworzą pełną krzywą rozkładu wielkości ziaren. Rysunek 15 pokazuje przykład tego, jak może wyglądać taka krzywa.
Rysunek 13 pokazuje, jak wygląda rzeczywisty pomiar ciśnienia. Skala tego wykresu jest mierzona w paskalach ciśnienia, co jest bardzo małą skalą (lub pomiarem niskiego ciśnienia). Wymaga to precyzyjnego i dokładnego przetwornika ciśnienia.
Rysunek 14 pokazuje, w jaki sposób pomiar ten generuje skumulowaną krzywą rozkładu wielkości cząstek. Cały ten proces został opisany w recenzowanym artykule na temat metody integralnego ciśnienia zawiesiny (ISP+) autorstwa dr Wolfganga Durnera (Durner et. al, 2017).
Wady: Chociaż podejście ISP ma wyraźne zalety (zautomatyzowana, szczegółowa i kompletna krzywa rozkładu wielkości cząstek), istnieją również znaczące wyzwania.
Wiedząc o tych problemach, pojawiła się motywacja do poszukiwania ulepszenia metodologii ISP, która byłaby wygodna i nie wpływałaby na ogólną praktyczność pomiaru. Doprowadziło to do opracowania metody ISP+, będącej rozszerzeniem eksperymentalnego protokołu ISP.
W metodzie ISP+ po pewnym czasie część zawiesiny jest odprowadzana z cylindra sedymentacyjnego przez wylot z boku umieszczony na określonej głębokości. Zawiesina ta jest zbierana w zlewce, a następnie suszona w piecu (patrz rysunek 16). Odsączony roztwór składa się ze wszystkich drobniejszych cząstek pozostających w zawiesinie. Miejsce opróżnienia podpróbki i czas opróżnienia roztworu mogą zmienić, które cząstki nadal znajdują się w zawiesinie. To, w połączeniu z pomiarami z czujnika ciśnienia, powoduje nagły spadek pokazany na wykresie na rysunku 13.
Przykładem może być wykonanie pomiaru po dwóch godzinach, a następnie spuszczenie roztworu z wylotu znajdującego się na głębokości sześciu centymetrów. Maksymalny rozmiar cząstek na tej głębokości wyniesie 2,8 mikrona. Możemy następnie użyć tego do ilościowego określenia tego, co pozostało w pozostałym roztworze i zawęzić nasze okno do analizy. W rezultacie metoda ISP+ jest ograniczona z dwóch stron. Zakres piasku jest ograniczony przez zewnętrzne dane sita, a zakres gliny jest ograniczony przez drenaż. Zaostrza to obliczenia dotyczące frakcji gliny, czyniąc metodę ISP+ bardziej solidną, dokładną i niezawodną metodą
Kolejną kluczową zaletą metody ISP+ jest skrócenie czasu pomiaru z 8 do 12 godzin do zaledwie 2,5 godziny. ISP+ nie tylko zapewnia znaczną poprawę czasu pomiaru (dzięki automatyzacji), ale także zapewnia dużą poprawę ogólnej dokładności pomiaru. Dokładność wzrasta z +\- 3% (ISP, pipeta i metoda hydrometryczna) do +\- 0,5%.
Urządzenie PARIO (rysunek 18), wyprodukowane przez METER, jest przykładem przyrządu do analizy wielkości ziaren, który automatyzuje metodę ISP+ w celu określenia tekstury gleby.
Najczęściej stosowanymi obecnie metodami optycznymi są tłumienie promieniowania rentgenowskiego, rozpraszanie światła laserowego z pomiaru dyfrakcji oraz spektroskopia w podczerwieni VisNIR. Spektroskopia VisNIR jest obiecującą metodą, która może dokładnie określić wielkość cząstek gleby, zwłaszcza jeśli chodzi o frakcję gliny. Skupimy się jednak przede wszystkim na rozpraszaniu światła laserowego, ponieważ jest to najczęściej stosowana metoda.
Metoda dyfrakcji laserowej opiera się na zasadzie, że cząstki o danym rozmiarze rozpraszają światło pod określonym kątem. Wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru cząstek, kąt dyfrakcji światła wzrasta. Oznacza to, że mniejsze cząstki, takie jak glina, będą rozpraszać światło pod większym kątem niż większe cząstki, takie jak piaski lub muły.
Schemat na rysunku 20 przedstawia projekt laserowego analizatora wielkości cząstek. Równoległa wiązka światła monochromatycznego świeci z urządzenia, przechodząc przez podobną zawiesinę próbki jak wszystkie inne metody. Rozproszone światło jest następnie kierowane do światłoczułego detektora pierścieniowego. Intensywność mierzona na detektorze jest funkcją kąta użytego do oszacowania rozkładu wielkości cząstek. Jest to oparte na tak zwanej teorii MIE(Gee et al 2002).
Zakres pomiarowy dla metod dyfrakcji laserowej wynosi od 0,04 do 2000 mikronów. Zależy to od urządzenia i ograniczonej objętości pomiarowej, ponieważ wiązka lasera ma szerokość od 10 do 25 milimetrów.
Wady: Podobnie jak w przypadku innych metod, istnieją wyzwania związane z dyfrakcją laserową.
Zalety: Jest jedna zaleta dyfraktometru laserowego lub metody dyfrakcji laserowej: w danym czasie można wykonać więcej próbek i szybciej uzyskać pomiary. Ponadto pomiary nie trwają godzinami. Tak więc, jeśli potrzebna jest wysoka przepustowość pomiarów, podejście to może być dobrą metodą, w zależności od wymaganej względnej dokładności.
To zależy. Musisz przeanalizować swoje cele badawcze, określić, do czego będą wykorzystywane pomiary, a następnie rozważyć zalety i wady powyższych metod. Należy pamiętać, że dokładność analizy tekstury gleby i krzywej rozkładu wielkości ziaren zależy od stosowanych metod i narzędzi.
Na przykład: Metoda PARIO (metoda ISP+) jest dobrą metodą dla osób, które chcą zminimalizować ilość czasu i pracy potrzebnych do przeprowadzenia analizy wielkości cząstek, ponieważ zmniejsza nakład pracy, jednocześnie poprawiając dokładność w porównaniu z innymi metodami opartymi na sedymentacji.
Ważne jest, aby zrozumieć, że bez względu na wybraną metodę, konieczne będzie wstępne przygotowanie próbek i przesianie frakcji piasku. Krótko mówiąc, zrozumienie zalet i wad każdej metody oraz określenie pożądanego wyniku może pomóc w podjęciu decyzji, która z nich będzie najbardziej skuteczna.
Dane, Jacob H. i Clarke G. Topp, eds. Metody analizy gleby, Część 4: Metody fizyczne. Vol. 20. John Wiley & Sons, 2020. Link do artykułu.
Durner, Wolfgang, Sascha C. Iden i Georg von Unold. "Metoda integralnego ciśnienia zawiesiny (ISP) do precyzyjnej analizy wielkości cząstek za pomocą sedymentacji grawitacyjnej". Water Resources Research 53, nr 1 (2017): 33-48. Link do artykułu.
Gee, G.W. i Or, D. (2002). 2.4 Analiza wielkości cząstek. In Metody analizy gleby (eds J.H. Dane and G. Clarke Topp). Link do artykułu.
McKeague, J. A., i Peter C. Stobbe. "Historia badań gleby w Kanadzie 1914-1975". (1978). Link do artykułu.
Syvitski, James PM, red. Zasady, metody i zastosowanie analizy wielkości cząstek. Vol. 388. Cambridge: Cambridge University Press, 1991. Link do książki.
Yong, Raymond Nen i Benno P. Warkentin. Wprowadzenie do zachowania gleby. Nr 451 str. 1966. Link do artykułu.
niektóre. Wielkie dzięki!
Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.
Wśród tysięcy recenzowanych publikacji wykorzystujących czujniki gleby METER, żaden typ nie jest faworytem. Dlatego wybór czujnika powinien opierać się na potrzebach i zastosowaniu. Skorzystaj z poniższych wskazówek, aby wybrać idealny czujnik do swoich badań.
TEROS Czujniki są trwalsze, dokładniejsze, łatwiejsze i szybsze w instalacji, bardziej spójne i połączone z potężnym, intuicyjnym systemem rejestracji i wizualizacji danych w czasie zbliżonym do rzeczywistego.
Wciąż czekasz tydzień na papier filtracyjny? Uzyskaj właściwą odpowiedź w kilka minut.
Regularne otrzymywanie najnowszych treści.
