Характеристика грунта: 19 — Характеристика грунтов — СтудИзба

19 — Характеристика грунтов — СтудИзба

Тема: Характеристика грунтов. Классификация. Физико-механические свойства грунтов.

1.                   Характеристика грунтов.

2.                   Влияние состава, структуры, текстуры и состояния грунтов на их свойства.

3.                   Инженерно-геологическая классификация грунтов.

4.                   Механические свойства грунтов.

1. Характеристика грунтов.

а) Крупнообломочные и песчаные грунты характеризуются хорошей водопроницаемостью, отсутствием капиллярности. Применяют как дренирующий материал, как заполнитель в бетоне. Не обладают связностью и не набухают. Усадка, пластичность и липкость отсутствуют. Имеют высокий Кб, поэтому, если оросительные каналы проходят в таких грунтах,

Рекомендуемые файлы

обязательно предусматривают противофильтрационные устройства. Применяют гравийно-песчаную подготовку при устройстве ж/б сооружений.

б)    Песчаные пылеватые грунты в сухом состоянии также не связны. При увлажнении переходят в плывунное состояние. Как дренирующий материал мало пригодны.

в)     Супесчаные легкие грунты характеризуются относительно благоприятными свойствами при использовании в качестве материла проезжей части грунтовых дорог и в основании дорожных покрытий. Они не пластичны или мало пластичны. В сухом состоянии обладают достаточной связностью; пылеобразование не значительно, быстро просыхают, не набухают и не обладают липкостью. Эти грунты устойчивы в сухом и во влажном состоянии, т.к. сочетают положительные стороны песчаных (большое внутреннее трение и хорошую водопроницаемость) и глинистых (связность в сухом состоянии) частиц.

г)     Супесчаные пылеватые грунты характеризуются преобладанием пылеватых частиц. В сухом состоянии мало связны, сильно пылят. Довольно быстро и на большую высоту поднимают воду капилляром (до 3 м), что в ряде случаев способствует образованию пучин на дорогах. Обладают малой пластичностью и плохой водопроницаемостью. В дорожном отношении весьма не благоприятны.

д)    Суглинистые. Отличаются связностью и незначительной водопроницаемостью. Для них характерны пластичность, липкость, набухание, влагоемкость и капиллярность. Тяжелосуглинистые трудно поддаются разработке. Медленно просыхают после увлажнения.

е)     Глины. Характеризуются большой плотностью и связностью. Практически водопроницаемы и трудно поддаются разработке. Обладают большой пластичностью, липкостью и набуханием. Капиллярные свойства выражены в меньшей степени, чем в суглинистых и пылеватых грунтах. Недостаточно устойчивы под нагрузкой. При насыщении водой она ее удерживает длительное время.

Гранулометрический состав грунтов является хотя и очень важным, но не единственным признаком по которому можно судить об устойчивости грунтов под сооружениями или о применении ее как стройматериала. Для более полной и правильной оценки свойств грунтов необходимо учитывать их генезис, минералогический и химический состав, физическое состояние и другие особенности.

2. Влияние состава, структуры, текстуры и состояния грунтов на их свойства.

При визуальном осмотре, а особенно при разработке грунтов очень часто можно обнаружить, что они распадаются на разные по форме и величине отдельности, называемые структурными агрегатами. Понятие о структуре и структурных связях существенно дополняет представление о грунтах, как дисперсных системах.

Под термином «структура грунта» Е.М. Сергеев предлагает понимать размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих грунт элементов (отдельных частиц и агрегатов цемента). Пространственное расположение элементов, слагающих грунт, независимо от их размера принято называть текстурой грунта.

Применительно к грунта в понятие «структура» включен еще и такой фактор, определяющий свойства грунтов, как способ взаимосвязи элементов, слагающих грунт, или так называемые структурные связи.

По современным представлениям структурные связи в грунтах имеют преимущественно электрическую природу. Они формируются в течение всего периода образования грунта и последующего периода его существования в земной коре. Те связи, которые формируются при формировании самого грунта, называются первичными. В магматических породах они возникают в результате остывания магмы, в метаморфических — перекристаллизации исходных пород, в осадочных — в результате процессов диагенеза осадков.

По прочности структурные связи могут быть самыми различными: от очень прочных, соизмеримых по прочности с ионными и ковалентными связями (в минералах), до очень слабых, существование которых почти не влияет на свойства грунтов.

В магматических, большей части метаморфических и части осадочных горных пород имеет место химическая связь. Она является наиболее прочным типом структурной связи. В основе ее лежат электрические силы взаимодействия между атомами. Химические структурные связи могу быть кристаллизационными и твердыми аморфными. Кристаллизационные связи являются наиболее прочными. Грунты с химическими структурными связями отличаются высокой прочностью, слабой сжимаемостью и упругостью в определенном диапазоне нагрузок. При больших определенных для каждого грунта нагрузках грунты разрушаются и химические связи в них не восстанавливаются.

В грунтах тонкодисперсных осадочного происхождения (глинистых и пылеватых) проявляется молекулярная и молекулярно-ионно- электростатическая связь. Молекулярная связь существует между твердыми телами, молекулами атомами и ионами, т.е. является универсальной. Она значительно слабее химической, но проявляется при значительно большем расстоянии между частицами. Количество молекулярных взаимодействий возрастает с увеличением в грунте отдельных поверхностей, т.е. степени дисперсности. Лучше всего молекулярная связь проявляется в высушенных глинистых грунтах.

При увлажнении глинистых грунтов вокруг частиц и между частицами образуется гидратная оболочка и диффузный слой ионов. Вследствие этого между дисперсными частицами проявляются с одной стороны, молекулярные силы притяжения, а с другой — ионно- электростатические силы отталкивания. Результирующая этих сил и будет определять прочность структурных связей в дисперсных грунтах. Такие структурные связи называют молекулярно-ионно-статическими, или водноколлоидные. Водноколлоидные связи характерны для глинистых грунтов. Прочность этих связей уменьшается с увеличением влажности грунта. Водноколлоидные связи менее прочные в сравнении с кристаллизационными и твердыми аморфными.

В одних и тех же грунтах может быть один тип связей, а может быть два и более (смешанные связи). Разделение грунтов по структурным связям не всегда можно четко провести: ряд грунтов, имея смешанный состав, обладают и некоторыми промежуточными свойствами. Например, такие породы как суглинки, лесс и др. имеют смешанные связи.

Прочность связей в одних грунтах во всех направлениях одинакова (изотропные грунты), а в других она изменяется по отдельным направлениям (анизотропные грунты).

Структура грунтов кристаллизационными связями при одинаковом минеральном составе определяет степень устойчивости их при выветривании; мелкокристаллические грунты разрушаются в меньшей степени, чем крупнокристаллические. Осадочные крупнообломочные грунты на сжатие более прочны, чем мелкозернистые.

Применительно к пылеватым (лессы) и глинистым грунтам в грунтоведении структура породы делится на макро-, мезо- и микроструктуру. Макроструктур характеризует особенности структуры грунта по структурным элементам, видимым невооруженным глазом (зернам, чешуйкам). Размер структурных элементов может изменяться от метра и более до долей сантиметра. Мезоструктура определяется структурными элементами от нескольких мм до тысячных его долей. Она может изучаться или с помощью лупы или под микроскопом с увеличением до 500 — 600 раз. Микроструктура характеризуется элементарными частицами размером менее 1-5 микронов. Поэтому она изучается с помощью электронного микроскопа при увеличении в несколько тысяч раз.

Текстура грунтов характеризует пространственное расположение элементов-частиц, кристаллов, цемента, и плотность их сложения. Текстура грунтов оказывает большое влияние на их свойства. Наиболее прочные грунты обычно имеют плотную массивную текстуру (большая часть магматических горных пород, некоторые метаморфические и осадочные горные породы). Пористые грунты обычно наименее прочны.

3. Инженерно-геологи ческая классификация грунтов.

Общепринятым признаком подразделения горных пород является характер внутренних связей между частицами в породах. По классификации Н.Н. Маслова, отчасти сходной с классификациями Ф.П. Саваренского и В.А. Приклонского выделяют 4 класса пород:

1.     Породы с превалирующей ролью жестких структурных

связей — скальные (жестки) породы (магматические и метаморфические) и осадочные (сцементированные и отвердевшие).

2.                                Глинистые породы с внутренними связями, главным образом молекулярного, ионно-электростатического и капиллярного характера — аргиллиты, алевриты, мергелистые и оконовидные глины, суглинки и супеси.

3.                                Породы без внутренних связей — рыхлые, обломочные и песчаные породы.

4.                                Породы, отличающиеся по своим связям особыми свойствами — особые породы. Каждый из первых трех классов пород делится на 2 категории: 1) водостойкие, 2) водонестойкие. Водостойкость скальных и сыпучих пород определяется их стойкостью против растворения (выщелачивания), степень гидростойкости глинистых пород той или иной способностью размягчаться в воде. Дальнейшее деление категорий пород сделано по их происхождению и другим признакам. Породы первого класса характеризуются высокой механической прочностью, практически несжимаемы, водопроницаемы по трещинам, невлагоемкие, держат вертикальные откосы. Второй класс — глинистым породам свойственна слабая водопроницаемость, влагоемкость, сжимаемость под нагрузкой, причем сжатие нередко происходи в течение длительного периода. Прочность повышается с увеличением влажности. В сухом состоянии могут держать вертикальные откосы. Породы 3 класса хорошо водопроницаемые, невлагоемкие, несжимаемые, за исключением слабоуплотненных разностей, причем сжатие под нагрузкой происходит быстро. Угол устойчивого откоса, зависящий от сил трения, обычно равен 30° — 40°. Форма откоса прямолинейная.

5.                                К особым породам отнесены торф, почвы, многолетне- мерзлые породы, «культурные» отложения, илы, плывуны, пески и др. При использовании этих пород в качестве оснований в каждом отдельном случае требуется особый подход. Особенности плывунов мы будем рассматривать отдельным вопросом на следующих уроках.

4. Механические свойства грунтов.

Под действием внешних сил (давление от веса сооружений и т.п.) в рыхлых нескальных горных породах возникают как общие деформации, присущие всем сплошным телам, так и деформации, обусловленные перемещением минеральных частичек, слагающих эти породы. Если под действием внешних сил структурное сцепление между минеральными частицами не будет разрушено, то грунты будут деформироваться как сплошные тела, минеральные частицы будут только сближаться, уплотняться без взаимного перемещения, что обусловит изменение объема грунта, поэтому эти деформации называют объемными. Если же структурное сцепление будет разрушено, то деформации в грунтах будут определяться перемещением отдельных минеральных частиц или агрегатов. Такие деформации называют сдвигом. Отсюда механические свойства рыхлых горных пород при воздействии на них внешних воздействий характеризуются показателями сопротивления их сжатию и сдвигу, которые являются основными количественными показателями при оценке сжимаемости, прочности к устойчивости пород в основании сооружений, в откосах выемок и других сооружениях.

Сопротивление грунтов к сжатию.

Сжимаемость — способность грунтов уменьшаться в объеме.

При одноосном сжатии скальных грунтов возникают как упругие деформации, которые восстанавливаются после окончания сжатия, так и остаточные деформации из-за наличия в грунтах не очень плотного примыкания частиц друг к другу и микротрещин.

Сжатие песков происходит быстро и мало связано с их влажностью. В отличии от песков сжимаемость глинистых пород зависит от их влажности, минералогического состава, характера структурных связей между частицами грунта и др. факторов. Неравномерная сжимаемость глинистых пород может быть причиной их неравномерной осадки и деформации.

Сжимаемость мягкого связного или рыхлого несвязного грунта можно охарактеризовать зависимостью коэффициента пористости от давления при сжатии образца в компрессионных приборах — компрессионной кривой и двумя показателями: коэффициентом уплотнения (а) и модулем осадки (/). Компрессионные кривые носят характер логарифмической зависимости коэффициента пористости Е от нагрузки Р. С увеличением давления грунт сжимается и коэффициент пористости уменьшается (ветвь нагрузки).  При снятии нагрузки некоторые грунты частично (при упругой деформации) восстанавливают свою пористость. Поэтому кривая разгрузки, располагаясь ниже кривой нагрузки, поднимается по оси ординат при нагрузках от максимальной до нулевой. В качестве рассчитанных показателей при проектировании сооружений используется коэффициент уплотнения (а) и модуль осадки ().

Коэффициент уплотнения представляет собой отношение уменьшения коэффициента пористости к величине повышения давления а =. Он определяется на компрессионной кривой для определенного интервала давлений (в см 2/кгс).

а = .

Модулем сжатия называется величина, обратная коэффициенту уплотнения.

E = .

Модулем осадки  показывает величину сжатия грунта (мм) приходящуюся на 1м толщи грунта при определенной нагрузке Р (кгс/см2).

Если  = 25 мм/м, то это значит, что метровый слой грунта при давлении Р = 2 кгс/см сжимается на 25 мм.

Зная мощность грунта в активной зоне h можно определить сжатие всего слоя в см .

h =

Задача

Определить модуль сжатия грунта Е, если нагрузка изменилась в пределах от Р1 = 2 кгс/см2 до Р2 = 6 кгс/см2. Результаты компрессионных испытаний см (рис. 1)

Решение:

а =  (значит грунт среднесжимаем).

Е =

При значительных нагрузках (20 – 30 кгс/см2) частицы могут раскалываться, в результате чего образуется более мелкозернистый грунт.

Сопротивление грунтов сдвигу.

Сопротивление грунтов сдвигающим нагрузкам зависит в общем случае от сцепления и трения. Сцепление проявляется в основном в грунтах связных. В скальных грунтах сцепление наибольшее и обусловлено химическими связями. В мягких связных грунтах (глина, суглинок, лесс, супесь) связность обусловлена цементирующим, склеивающим действием коллоидов и молекулярным сцеплением при непосредственном контакте частиц. Сопротивление сдвигу в этих грунтах оказывают в начале силы сцепления, а затем при сдвигающих нагрузках, их превышающих, силы трения между частицами. В рыхлых несвязных грунтах сопротивление сдвигающим усилиям оказывают только силы трения.

Для рыхлых грунтов на графике получается прямая, проходящая через начало координат. T = P*f=Ptg

Т — сопротивление сдвигу, кгс/см2;

Р — нормальная нагрузка, кгс/см2;

f — коэффициент внутреннего трения;

— угол внутреннего трения.

Для связных грунтов сопротивление их сдвигу выражается следующей зависимостью:

T = P*f+C

С — сцепление грунта, а остальные аналогичны таковым в предыдущей формуле.

1.                   Назовите характеристики грунтов.

2.                   В чем заключается разница в структуре грунта и текстуре?

«Индивидуальное и историческое развитие» — тут тоже много полезного для Вас.

3.                   Что понимают под структурными связями?

4.                   Дать инженерно-геологическую классификацию грунтов.

5.                   Что понимают под сжимаемостью грунта?

6.                   Что понимают под модулем сжатия грунта?

7.                   От чего зависит сопротивление грунтов сжимающим нагрузкам?

Характеристика грунтов — GEODEZ геодезические и геологические услуги по Украине

Почвы — это обобщенное название в строительстве всех горных пород. Их подсыпают под фундамент при возведении зданий. Они являются основой при прокладке дорог, плотин, тоннелей. Ими засыпают трубопроводы после того, как их провели. Если вам нужна характеристика почв или другие геодезические и геологические работы, вы можете заказать их в нашей фирме, и мы сделаем их для вас быстро и квалифицированно.
Перед тем, как начать на земельном участке строительство нового дома надо узнать, какая характеристика грунтов на вашем участке.

К основным типам почв относятся:

Глина. Сухая глина имеет вид куска, твердая, но если она мокрая, тогда становится пластичной, вязкой и липкой. При растирании пальцами, трудно растирается, песчинок между пальцами не чувствуется. Сырая глина хорошо раскачивается, из него можно сделать длинный шнур, и слепить что угодно, без трещин.

Суглинок. Сухой состояние — суглинок не такой твердый, как глина, а если по нему ударить молотком, рассыпается и разлетается мелкими кусками. При растирании пальцами, между ними ощущаются песчинки. Влажный суглинок слабо пластичен и слабо вязкий, а при раскачку в шнур — рвется на небольшие куски. Если из суглинка слепить лепешку, то он будет все в трещинах.
Супесь. Сухой супесь легко рассыпается от удара, непластичный, в нем преобладает песок. Если его раскатать в шнур, и прикоснуться к нему — легко рассыпается.
Песок пылеватый. Очень напоминает пыль или муку, размер частиц определить невооруженным глазом невозможно.
Песок мелкий, состоит из очень мелких песчинок, которые различаются друг от друга.
Песок среднезернистый. В песка встречается большое количество зерен, размер которых имеет величину проса.
Песок крупнозернистый. Преобладают зерна, размером гречневая крупа.
Гравий и дресва. Это небольшие камешки, размером от гороха до небольшого грецкого ореха, но между ними есть и песок. Если камень обкатан — это гравий, а у которого острые края — дресва.
Галька и щебень. Большинство камней имеют размер больше грецкого ореха, между ними мелкие части почвы. Галька имеет обкатанную форму, щебень с острыми краями.
Скальные грунты. Это крепкие породы, залегающие сплошным массивом. Скальные грунты делятся на спаяны (отдельные зерна проросли друг в друга) и сцементированные (зерна соединены между собой с помощью природного цемента). Скальные грунты бывают: изверженные (гранит, базальт), осадочные (доломит, известняк, песчаник) и метаморфические (мрамор, кальцит, глинистый и песчаный сланец).
Чтобы начать что-то строить надо знать и другие характеристики. Вторая немаловажная характеристика почв — физические свойства почв. К физическим свойствам относятся:

  1. плотность почв;
  2. вес почв;
  3. пористость почвы.

Также важна такая характеристика, как — взаимодействие почв с водой. Для этого надо знать следующие свойства:

  • естественная влажность почв;
  • влажность почв в сухом состоянии;
  • степень влажности почв;
  • пластические свойства грунтов (высоко или слабо пластичны, непластичные почвы)
  • консистенция грунта.

Еще одна характеристика почв — по гранулометрическому составу, по которому все почвы делятся:

  1. крупнообломочные, размер частей, из которых состоят почвы, более 2 мм;
  2. крупнозернистого почвы, размер 1,0-0,25мм;
  3. среднезернистые почвы, размер 0,5-0,25мм;
  4. мелкозернистые почвы, размером 0,25-0,1мм;
  5. пылеватые грунты, размером, 1-0,05мм;
  6. алевритовые почвы, размер 0,05-0,005мм;
  7. глинистые грунты, размером меньше 0,005мм.

Также ни одна характеристика почв не обходится без таких данных, как коэффициент набухания и размокания.

Если на вашем участке преобладают карбонатные почвы (известняк, гипс), то обязательно надо делать химический анализ этих почв, чтобы узнать сколько в них, в процентном отношении, глинистых частей, карбоната магния и кальция.

При характеристике почв на деформационные свойства и на прочность, в первую очередь надо узнать:

  • модуль общей деформации грунта;
  • предельная нагрузка, при котором происходит разрушение породы;
  • максимальное напряжение смещения.

Есть такие характеристики, которые не обязательно делать для всех типов почв:

  • для песчаных почв важно определить угол внутреннего трения;
  • для глинистых почв надо знать удельную силу сцепления
  • для скальных грунтов важный модуль упругости.

Не удается найти страницу | Autodesk Knowledge Network

(* {{l10n_strings. REQUIRED_FIELD}})

{{l10n_strings.CREATE_NEW_COLLECTION}}*

{{l10n_strings.ADD_COLLECTION_DESCRIPTION}}

{{l10n_strings.COLLECTION_DESCRIPTION}} {{addToCollection.description.length}}/500 {{l10n_strings.TAGS}} {{$item}} {{l10n_strings.PRODUCTS}} {{l10n_strings.DRAG_TEXT}}  

{{l10n_strings.DRAG_TEXT_HELP}}

{{l10n_strings. LANGUAGE}} {{$select.selected.display}}

{{article.content_lang.display}}

{{l10n_strings.AUTHOR}}  

{{l10n_strings.AUTHOR_TOOLTIP_TEXT}}

{{$select.selected.display}} {{l10n_strings.CREATE_AND_ADD_TO_COLLECTION_MODAL_BUTTON}} {{l10n_strings.CREATE_A_COLLECTION_ERROR}}

ГОСТ 25100 — 95 «Грунты.

Классификация». Разделы 3

Страница 2 из 3


ПРИЛОЖЕНИЕ А
(обязательное)
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Грунт — горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.
Грунты могут служить:
1) материалом оснований зданий и сооружений;
2) средой для размещения в них сооружений;
3) материалом самого сооружения.
Грунт скальный — грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.
Грунт полускальный — грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа.
Условная граница между скальными и полускальными грунтами принимается по прочности на одноосное сжатие (Rc ³ 5 МПа — скальные грунты, Rc < 5 МПа — полускальные грунты).
Грунт дисперсный — грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом; образуется в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения.
Структура грунта — пространственная организация компонентов грунта, характеризующаяся совокупностью морфологических (размер, форма частиц, их количественное соотношение), геометрических (пространственная композиция структурных элементов) и энергетических признаков (тип структурных связей и общая энергия структуры) и определяющаяся составом, количественным соотношением и взаимодействием компонентов грунта.
Текстура грунта — пространственное расположение слагающих грунт элементов (слоистость, трещиноватость и др).
Состав грунта вещественный — категория, характеризующая химико-минеральный состав твердых, жидких и газовых компонентов.
Органическое вещество — органические соединения, входящие в состав грунта в виде неразложившихся остатков растительных и животных организмов, и также продуктов их разложения и преобразования.
Грунт глинистый — связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности Ip ³ 1.
Песок — несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50 % (Ip = 0).
Грунт крупнообломочный — несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50 %.
Ил — водонасыщенный современный осадок преимущественно морских акваторий, содержащий органическое вещество в виде растительных остатков и гумуса. Обычно верхние слои ила имеют коэффициент пористости е ³ 0,9, текучую консистенцию IL > 1, содержание частиц меньше 0,01 мм составляет 30 — 50 % по массе.
Сапропель — пресноводный ил, образовавшийся на дне застойных водоемов из продуктов распада растительных и животных организмов и содержащий более 10 % (по массе) органического вещества в виде гумуса и растительных остатков. Сапропель имеет коэффициент пористости е > 3, как правило, текучую консистенцию IL > 1, высокую дисперсность — содержание частиц крупнее 0,25 мм обычно не превышает 5 % по массе.
Торф — органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50 % (по массе) и более органических веществ.
Грунт заторфованный — песок и глинистый грунт, содержащий в своем составе в сухой навеске от 10 до 50 % (по массе) торфа.
Почва — поверхностный плодородный слой дисперсного грунта, образованный под влиянием биогенного и атмосферного факторов.
Грунт набухающий — грунт, который при замачивании водой или другой жидкостью увеличивается в объеме и имеет относительную деформацию набухания (в условиях свободного набухания) esw ³ 0,04.
Грунт просадочный — грунт, который под действием внешней нагрузки и собственного веса или только от собственного веса при замачивании водой или другой жидкостью претерпевает вертикальную деформацию (просадку) и имеет относительную деформацию просадки esl ³ 0,01.
Грунт пучинистый — дисперсный грунт, который при переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие образования кристаллов льда и имеет относительную деформацию морозного пучения efn ³ 0,01.
Степень засоленности — характеристика, определяющая количество воднорастворимых солей в грунте Dsal, %.
Степень морозной пучинистости — характеристика, отражающая способность грунта к морозному пучению, выражается относительной деформацией морозного пучения efn, д. е., которая определяется по формуле
     (A.1)
где h0,f — высота образца мерзлого грунта, см;
h0 — начальная высота образца талого грунта до замерзания, см.
Предел прочности грунта на одноосное сжатие Rc, МПа — отношение нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади первоначального поперечного сечения.
Плотность скелета грунта — плотность сухого грунта rd, г/см3, определяемая по формуле
     (A.2)
где r — плотность грунта, г/см3;
W — влажность грунта, д. е.
Коэффициент выветрелости Кwr, д. е. — отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта.
Коэффициент размягчаемости в воде Кsor, д. е. — отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.
Степень растворимости в воде — характеристика, отражающая способность грунтов растворяться в воде и выражающаяся в количестве воднорастворимых солей, qsr, г/л.
Степень водопроницаемости — характеристика, отражающая способность грунтов пропускать через себя воду и количественно выражающаяся в коэффициенте фильтрации Кф, м/сут. Определяется по ГОСТ 25584.
Гранулометрический состав — количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536.
Степень неоднородности гранулометрического состава Cu — показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле
     (А.3)
где d60, d10 — диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.
Число пластичности Ip — разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе текучести WL и на границе раскатывания Wp, WL и Wp определяют по ГОСТ 5180.
Показатель текучести IL — отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания Wp, к числу пластичности Ip.
Относительная деформация набухания без нагрузки esw, д. е. — отношение увеличения высоты образца грунта после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 24143.
Относительная деформация просадочности es, д. е. — отношение разности высот образцов, соответственно, природной влажности и после его полного водонасыщения при определенном давлении к высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 23161.
Коэффициент водонасыщения Sr, д. е. — степень заполнения объема пор водой. Определяется по формуле
     (A.4)
где W — природная влажность грунта, д. е.;
е — коэффициент пористости;
rs — плотность частиц грунта, г/см3;
rw — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3.
Коэффициент пористости е определяется по формуле
     (A.5)
где rs — плотность частиц грунта, г/см3;
rd — плотность сухого грунта, г/см3.
Степень плотности песков ID определяется по формуле
     (A.6)
где е — коэффициент пористости при естественном или искусственном сложении;
emax — коэффициент пористости в предельно-плотном сложении;
emin — коэффициент пористости в предельно-рыхлом сложении.
Коэффициент выветрелости крупнообломочных грунтов Кwr, д. е., определяется по формуле
     (А.7)
где К1 — отношение массы частиц размером менее 2 мм к массе частиц размером более 2 мм после испытания на истирание в полочном барабане;
К0 — то же, в природном состоянии.
Коэффициент истираемости крупнообломочных грунтов
Кfr, д. е., определяется по формуле
     (A.8)
где q1 — масса частиц размером менее 2 мм после испытания крупнообломочных фракций грунта (частицы размером более 2 мм) на истирание в полочном барабане;
q0 — начальная масса пробы крупнообломочных фракций (до испытания на истирание).
Относительное содержание органического вещества Ir, д. е. — отношение массы сухих растительных остатков к массе абсолютно сухого грунта.
Степень разложения торфа Ddr, д. е. — характеристика, выражающаяся отношением массы бесструктурной (полностью разложившейся) части, включающей гуминовые кислоты и мелкие частицы негумицированных остатков растений, к общей массе торфа. Определяется по ГОСТ 10650.
Степень зольности торфа Dds, д. е. — характеристика, выражающаяся отношением массы минеральной части грунта ко всей его массе в абсолютно сухом состоянии. Определяется по ГОСТ 11306.
Грунт мерзлый — грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент и характеризующийся криогенными структурными связями.
Грунт многолетнемерзлый (синоним — грунт вечномерзлый) — грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет.
Грунт сезонномерзлый — грунт, находящийся в мерзлом состоянии периодически в течение холодного сезона.
Грунт морозный — скальный грунт, имеющий отрицательную температуру и не содержащий в своем составе лед и незамерзшую воду.
Грунт сыпучемерзлый (синоним — «сухая мерзлота») — крупнообломочный и песчаный грунт, имеющий отрицательную температуру, но не сцементированный льдом и не обладающий силами сцепления.
Грунт охлажденный — засаленный крупнообломочный, песчаный и глинистый грунты, отрицательная температура которых выше температуры начала их замерзания.
Грунт мерзлый распученный — дисперсный грунт, который при оттаивании уменьшает свой объем.
Грунт твердомерзлый — дисперсный грунт, прочно сцементированный льдом, характеризуемый относительно хрупким разрушением и практически несжимаемый под внешней нагрузкой.
Грунт пластичномерзлый — дисперсный грунт, сцементированный льдом, но обладающий вязкими свойствами и сжимаемостью под внешней нагрузкой.
Температура начала замерзания (оттаивания) Т (Т) — температура, °С, при которой в порах грунта появляется (исчезает) лед.
Криогенные структурные связи грунта — кристаллизационные связи, возникающие во влажных дисперсных и трещиноватых скальных грунтах при отрицательной температуре в результате сцементирования льдом.
Криогенная текстура — совокупность признаков сложения мерзлого грунта, обусловленная ориентировкой, относительным расположением и распределением различных по форме и размерам ледяных включений и льда-цемента.
Лед (синоним — грунт ледяной) — природное образование, состоящее из кристаллов льда с возможными примесями обломочного материала и органического вещества не более 10 % (по объему), характеризующееся криогенными структурными связями.
Коэффициент сжимаемости мерзлого грунта dr — относительная деформация мерзлого грунта под нагрузкой.
Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой Sr, д. е., определяется по формуле
     (A.9)
где Wic — влажность мерзлого грунта за счет перового льда, цементирующего минеральные частицы (лед-цемент), д. е.;
Ww — влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е.;
rs — плотность частиц грунта, г/см3;
еf — коэффициент пористости мерзлого грунта;
rw — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3.
Суммарная льдистость мерзлого грунта itot, д. е., — отношение содержащегося в нем объема льда к объему мерзлого грунта. Определяется по формуле
     (A.10)
Льдистость грунта за счет видимых ледяных включений ii, д. е., — отношение содержащегося в нем объема видимых ледяных включений к объему мерзлого грунта. Определяется по формуле
     (A.11)
где iic — льдистость грунта за счет льда-цемента (порового льда), д. е.;
Wtot — суммарная влажность мерзлого грунта, д. е.;
ri — плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см3;
rf — плотность мерзлого грунта, г/см3;
Wm — влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями, д. е.
Техногенные грунты — естественные грунты, измененные и перемещенные в результате производственной и хозяйственной деятельности человека, и антропогенные образования.
Антропогенные образования — твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, в результате которой произошло коренное изменение состава, структуры и текстуры природного минерального или органического сырья.
Природные перемещенные образования — природные грунты, перемещенные с мест их естественного залегания, подвергнутые частично производственной переработке в процессе их перемещения.
Природные образования, измененные в условиях естественного залегания, — природные грунты, для которых средние значения показателей химического состава изменены не менее чем на 15 %.
Грунты, измененные физическим воздействием, — природные грунты, в которых техногенное воздействие (уплотнение, замораживание, тепловое воздействие и т. д.) изменяет строение и фазовый состав.
Грунты, измененные химико-физическим воздействием, — природные грунты, в которых техногенное воздействие изменяет их вещественный состав, структуру и текстуру.
Насыпные грунты — техногенные грунты, перемещение и укладка которых осуществляются с использованием транспортных средств, взрыва.
Намывные грунты — техногенные грунты, перемещение и укладка которых осуществляются с помощью средств гидромеханизации.
Бытовые отходы — твердые отходы, образованные в результате бытовой деятельности человека.
Промышленные отходы — твердые отходы производства, полученные в результате химических и термических преобразований материалов природного происхождения.
Шлаки — продукты химических и термических преобразований горных пород, образующиеся при сжигании.
Шламы — высокодисперсные материалы, образующиеся в горнообогатительном, химическом и некоторых других видах производства.
Золы — продукт сжигания твердого топлива.
Золошлаки — продукты комплексного термического преобразования горных пород и сжигания твердого топлива.

13.6: Характеристики грунта — K12 LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Важность почвы
  2. Характеристики почвы
  3. Текстура почвы
    1. Классификация
    2. Почва: экосистема
  4. Дополнительная литература
  5. Резюме
  6. Обзор
  7. Узнать больше

Чем почва похожа на выветрившуюся породу?

Те же процессы, при которых погодные условия создают почву.Большая часть почвы — это выветренная порода! Если бы на Земле не было процессов выветривания, у нас не было бы почвы. Земля была бы не лучшим местом для жизни. Там будет очень ограниченная жизнь растений и мало возможностей для выращивания сельскохозяйственных культур.

Важность почвы

Из предыдущей концепции вы узнали, что выветривание приводит к образованию отложений. Выветривание также производит почву.

Люди не могли жить на земле без земли! Ваша жизнь и жизнь многих наземных организмов зависят от почвы. Грунт — это только очень тонкий слой над твердой породой. Тем не менее, это место, где происходят реакции между твердой породой, жидкой водой и воздухом. Почва закрепляет корни растений и обеспечивает их водой и питательными веществами. Мы получаем древесину, бумагу, хлопок, лекарства и даже чистую воду из почвы. Так что почва — очень важный ресурс. За нашей драгоценной почвой необходимо тщательно ухаживать и ухаживать за ней. Если мы не позаботимся о почве, которая у нас есть, мы не сможем использовать ее в будущем.

Характеристики почвы

Почва представляет собой сложную смесь различных материалов.

  • Некоторые из них неорганические . Неорганические материалы состоят из неживых веществ, таких как галька и песок.
  • Почва также содержит кусочки органических материалов растений и животных.

Как правило, примерно половина почвы состоит из кусков горных пород и минералов. Другая половина — это органические материалы.

В некоторых почвах органическая часть полностью отсутствует. Это верно для песков пустыни. С другой стороны, почва может быть полностью органической.Торф, обнаруженный в болоте или болоте, является полностью органической почвой. Органические материалы необходимы для того, чтобы почва была плодородной. Органическая часть обеспечивает питательные вещества, необходимые для сильного роста растений.

Текстура почвы

Неорганическая часть почвы состоит из множества частиц разного размера. Эти частицы разного размера присутствуют в разных пропорциях. Размеры и пропорции частиц определяют некоторые свойства почвы.

  • Вода может легко течь через проницаемую почву .Пространства между неорганическими частицами большие и хорошо связаны. Песчаные или илистые почвы относятся к водопроницаемым и дренирующим типам почв.
  • Почвы с большим количеством очень маленьких пространств являются влагоудерживающими. Когда в почве присутствует глина, почва скрепляется прочнее. Глинистая почва может удерживать больше воды.
  • Когда почва содержит смесь размеров зерен, она называется суглинком ( Рисунок ниже).

Здесь показаны два слоя почвы.Внизу песчаный грунт. Сверху почва с большим количеством глины.

Классификация

Ученые-почвоведы классифицируют почву, измеряя процентное содержание песка, ила и глины. Они наносят эту информацию на треугольную диаграмму. Частица каждого размера находится в одном углу ( Рисунок ниже). Тип почвы тогда известен из местоположения на диаграмме. Вверху почва была бы глиной; в левом углу — песок; в правом углу — ил. Почвы в нижней средней части с содержанием глины менее 50% представляют собой суглинки.

Типы почв по крупности.

Почва: экосистема

Мы можем думать о почве как о живом ресурсе. Почва сама по себе представляет собой экосистему! В пространствах почвы живут миллионы живых организмов. К ним относятся дождевые черви, муравьи, бактерии и грибки. ( Рисунок ниже).

Дождевые черви и насекомые — важные обитатели почв.

Дополнительная литература

Почвенная формация

Горизонты и профили почвы

Типы почв

Эрозия почвы

Как избежать потери почвы

Сводка
  • Почва отражает взаимодействие литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы.
  • Проницаемые почвы пропускают воду.
  • Пропорции ила, глины и песка позволяют ученым классифицировать тип почвы.

Обзор
  1. Какие неорганические материалы составляют почву?
  2. Из каких органических материалов состоит почва?
  3. В какой среде нет органических материалов в почвах? Какие почвы почти все органические?
  4. Насколько живые организмы важны для почвы?

Узнать больше

Используйте приведенный ниже ресурс, чтобы ответить на следующие вопросы.

  1. Почему важна почва?
  2. Сколько существует различных типов почв? Каков состав средней почвы?
  3. Что такое перегной?
  4. Что определяет количество гумуса?
  5. Как текстура влияет на рост растений?
  6. Какой тип почвы предпочитают фермеры?
  7. Сколько почвы теряется каждый год в США?
  8. Опишите различные типы эрозии.

Прогнозирование характеристических кривых почва-вода для глинистых песчаных почв с использованием расчета площади

Характеристические кривые почва-вода (SWCC) для почв важны для инженеров-геологов при прогнозировании поведения глины в случае частично насыщенных условий. При производстве сточных вод и локализации отходов учитывается переменное содержание глины. Непрактично проводить длительный тест несколько раз, чтобы получить характеристические кривые почва-вода для каждой пропорции. Это исследование направлено на введение практической процедуры для прогнозирования реакции глины с известными минералогическими и геологическими условиями, когда содержание глины в хвостовике является переменным. Кривые аппроксимации были построены с использованием уравнений Фредлунда и Ксинга (1994). Общие тенденции были установлены для выбранной глины с известным высоким содержанием смектитовых минералов.Полученные кривые были исследованы, и площади под кривой всасывания были интегрированы от начальной точки до точки перегиба для глинисто-песчаного материала с содержанием глины 5%, 10%, 15%, 30%, 60% и 100%. Эту площадь можно использовать для оценки профиля SWCC для более высокого или более низкого содержания глины на основе фактора площади, определенного для определенного типа глины или глины известной минералогии. Другие глины аналогичной природы, но не типичного минералогического состава, сравнивались, чтобы наблюдать и подтверждать использование метода площади при прогнозировании SWCC для аналогичных почв.

1. Введение

Инженерные свойства частично насыщенных грунтов теперь легко предсказать, используя математические модели, разработанные для механики ненасыщенных грунтов; эти модели популярны и приняты во всем мире [1, 2]. Характеристические кривые грунт-вода (SWCC) используются для косвенного прогнозирования параметров гидравлической проводимости и прочности на сдвиг через функцию гидравлической проводимости и функцию прочности на сдвиг, соответственно [3–6].

Идея этих прогнозов началась еще в 1960-х годах, когда Брукс и Кори [7] изучили гидравлические свойства пористой среды и представили основу для поведения частично насыщенных грунтов.

Модели, описывающие состояние всасывания при переменном содержании воды, были введены многими исследователями [1, 8–10]. Общие справочные термины, относящиеся к SWCC, включают значение входящего воздуха (AEV), остаточное всасывание (Rs) и остаточное содержание воды (Wr). Всасывание, измеренное в точке, когда воздух начинает занимать пространство в системе водного грунта, называется величиной поступления воздуха. Когда давление всасывания увеличивается, содержание воды уменьшается до уровня, при котором все дальнейшие сокращения содержания воды являются небольшими по сравнению с применяемым всасыванием.Уровень всасывания и содержание воды в этот момент считаются остаточными значениями. Геометрическое или объемное содержание воды, нанесенное на график в зависимости от всасывания почвы, обычно используется для определения SWCC. Модели потока воды через ненасыщенные почвы требуют информации, связанной с SWCC. Есть несколько факторов, которые могут повлиять на профиль SWCC. К ним относятся, помимо прочего, гранулометрический состав частиц и пор, химический состав и ткань почвы, плотность почвы и температура почвы [11–13].

Montanez [14] исследовал всасывание и изменения объема для уплотненных смесей песка и бентонита.Агус и Шанц [15] изучали характеристические кривые смачивания и высыхания бентонитового песка. Pei-yong и Qing [16] рассмотрели SWCC и водоудержание смесей бентонитового песка. Эти три исследования подтвердили увеличение удерживающей способности с увеличением содержания глины. Аль-Махбаши и др. [17–19] провели несколько работ по изучению водно-почвенных характеристик выбранных почв в различных условиях.

Zhou et al. [13] представили модель для прогнозирования SWCC для различных начальных условий плотности, введя новый параметр, откалиброванный с использованием экспериментальных результатов.

В большинстве исследований модель Фредлунда и Ксинга [1] рассматривалась как подходящая для лабораторных данных о влажности и всасывании почвы. Строительство одного SWCC — процесс трудоемкий и может включать несколько методов, если необходимо изучить весь диапазон всасывания. Поскольку смеси песчано-бентонита часто используются для облицовки и гидравлических барьеров, инженеров интересует необходимость быстрой и надежной процедуры. Эта работа направлена ​​на использование результатов, полученных в ходе экспериментальной работы для широкого диапазона всасывания и влажности, с целью создания диаграммы прогнозов для подобных почв с переменным содержанием глины.

2. Материал и характеристики
2.1. Используемый материал

Для этого исследования была выбрана высокопластичная и очень расширяющаяся глина Аль-Катиф, которая была предложена различными исследователями для использования в облицовке и барьерах для отходов. Мелкий песок, используемый во многих строительных работах, был получен из Эр-Рияда, Саудовская Аравия. Этот материал в целом плохо сортирован, иногда с иловыми компонентами. Коэффициент однородности и коэффициент кривизны были измерены как 1.737 и 1.078 соответственно. Удельный вес используемого песка составляет 2,66. Удельный вес, предел жидкости, предел пластичности и индекс пластичности для используемого бентонитового материала приведены в таблице 1.

плотность, GS

Свойство Значение

2,6–2,7
Предел жидкости, LL (%) 480
Предел пластичности, PL (%) 49. 6
Индекс пластичности, PI (%) 430

Восточная провинция Саудовской Аравии известна экспансивной глиной, зарегистрированной в регионе Аль-Катиф. Регион Аль-Катиф — это исторический оазис, расположенный вдоль западного побережья Персидского залива в Восточной провинции Саудовской Аравии (26 ° 56 ′ 0 ″ северной широты, 50 ° 1 ′ 0 ″ восточной долготы). Эта глина очень пластична и классифицируется как CH в соответствии с [20]. По данным Азама [21], эта глина отличается высоким содержанием смектита.Вся природная глина, использованная в этом исследовании, была получена из Al-Qatif с использованием гидравлического экскаватора для добычи приповерхностного материала. Глубина образцов составляла от 0,5 м до 3 м. Подробные геотехнические характеристики были выполнены в лабораториях Университета Короля Сауда.

Другие использованные материалы включали коммерческий бентонит HY OCMA, приобретенный у местного поставщика. Индексные свойства бентонита HY OCMA приведены в таблице 2.


Свойство Значение

Удельный вес, GS 2 902.71–2,75
Предел жидкости, LL (%) 137–140
Предел пластичности, PL (%) 45–60
Индекс пластичности, PI (%) 95– 99
Единая система классификации почв CH

2.2. Кривые уплотнения смесей

SWCC были исследованы для выбранного диапазона содержания глины. Образцы обычно готовили с максимальной плотностью в сухом состоянии и оптимальным содержанием влаги.Были приготовлены песчаные смеси Al-Qatif с содержанием глины от 5% до 100% чистой глины. Другие смеси, включая бентонит (HY OCMA) и глину Аль-Катиф, также были исследованы с целью прогнозирования и проверки модели прогнозирования. Испытания на уплотнение проводились в соответствии со стандартным методом уплотнения Проктора, ASTM D698 — метод А [22]. Для смесей песок-глина Al-Qatif диапазон исследованного содержания глины включал 0%, 5%, 10%, 15%, 30% и 60% по сухому весу песка.Для смесей песка и промышленного бентонита диапазон изученного содержания глины составлял 15%, но доля природной глины (Al-Qatif) и бентонита варьировалась от одной трети до двух третей. Все образцы смесей были приготовлены с различным содержанием воды от 5% до 36%. К смесям добавляли дистиллированную воду для получения желаемого содержания воды.

Смесям давали возможность гидратироваться в течение 24 часов, пока их помещали в пластиковые мешки перед уплотнением. Для уплотнения смесей в форму 100 мм (внутренний диаметр) высотой 101 использовался молоток 5,5 фунта.3 мм. Уложили и уплотнили три слоя смесей для равномерного уплотнения. Процесс построения кривых уплотнения включает нанесение на график веса почвы в форме после уплотнения и соответствующего содержания воды. Три типичные кривые для 15%, 30% и 60% представлены на рисунке 1. Общий профиль максимальной плотности в сухом состоянии и оптимального содержания влаги представлен в таблице 3.


142 902 902 902 902

Доля глины в смеси (%) Максимальная плотность в сухом состоянии Оптимальная влажность

5 17.5 13,5
10 17,7 15,4
15 18,0 16,8
30 16,5
100 12,0 32,0

Взаимосвязь влажности и плотности глинисто-песчаных смесей была исследована для переменного содержания глины.На рисунке 1 представлен пример профиля сухой плотности-влажности, полученного для смеси глины и песка с содержанием глины 15%. Максимальная плотность в сухом состоянии составила 18,0 кН / м 3 , а оптимальное содержание влаги — 15%. Значения максимальной плотности в сухом состоянии представлены в Таблице 3.

При замене глины Al-Qatif на одну треть или две трети объема в качестве бентонита изменение максимальной плотности в сухом состоянии и оптимального содержания влаги является небольшим и несущественным.

3.Экспериментальные работы и методика
3.1. Общие

Для проверки смесей глины и песка Al-Qatif на характеристики почвы и воды использовались два основных подхода. Первая процедура включала технику перемещения оси, а вторая — технику фильтровальной бумаги. Эти методы зависят от уровня всасывания, и первый метод более надежен для значений всасывания от 10 кПа до 1500 кПа с использованием нажимной пластины в соответствии с ASTM D6836 [23], в то время как методы фильтровальной бумаги используются для измерения всасывания матрикса более 1500 кПа.

3.2. Прижимная пластина

Первоначальная форма для смеси глины и песка была приготовлена ​​при максимальной плотности в сухом состоянии (MDD) и оптимальном содержании влаги (OMC). Образцы извлекали в кольца диаметром два дюйма, а затем заливали дистиллированной водой не менее чем на 24 часа. Было предоставлено дополнительное время для обеспечения насыщения. В течение периода насыщения к образцам прилагалось напряжение 7 кПа.

После извлечения образца из камеры затопления было отмечено достижение состояния насыщенной сухой поверхности.Для этого использовали швабру или бумажное полотенце. Керамические диски с высоким входом воздуха от 5 до 15 бар также необходимо пропитать водой в течение ночи.

Обеспечивая хороший контакт между образцами насыщенного грунта и керамическим диском с высоким входом воздуха, вся сборка помещается в камеру высокого давления. Затем камера плотно закрывается с помощью болтов (рис. 2). Источник внешнего давления воздуха использовался для всасывания с приращениями от 10 кПа до 50 кПа.Дальнейшие приращения включали 100, 200, 400, 800 и 1400 кПа. Присоединяли отводную трубку, ведущую к градуированному цилиндру. Время, отведенное для каждого приращения, составляло от двух до трех дней до достижения равновесия, то есть когда из образца больше не выделялась вода. Ячейка устройства демонтируется после достижения равновесия, и содержание влаги в образце было рассчитано с использованием гравиметрических методов. Это позволило рассчитать количество потерь воды на каждом уровне всасывания и конечное содержание воды.

3.3. Техника с фильтровальной бумагой (FPT)

Для всасывания, превышающего 1500 кПа, процедура перемещения оси не подходит из-за допуска на уровень всасывания керамического диска. FPT использовался для покрытия зоны свыше 1500 кПа, чтобы оценить тенденцию SWCC в высоком диапазоне всасывания (до 100 МПа). Измерение всасывания матрикса не является прямым, и для этого требуются образцы с заранее определенным содержанием воды. Ряд образцов уплотненных дисков необходимо кондиционировать до переменного содержания воды.Этого можно достичь путем сушки или смачивания уплотненных образцов для достижения необходимого содержания воды.

Для достижения заданного содержания воды сушка или увлажнение проводились контролируемым образом, моделируя естественные условия. Для высыхания до достижения определенного содержания влаги давали до пяти дней. Смачивание достигается помещением образцов во влажную среду. После достижения заданной влажности образцы можно хранить в течение трех дней в камере с регулируемой влажностью.

Фильтровальная бумага, высушенная в печи, Whatman No.42, был помещен между двумя идентичными дисковыми образцами. Два образца дисков имели диаметр 70 мм, тогда как диаметр фильтровальной бумаги, помещенной в середину, составлял 50 мм. Усадочная нагрузка 7 кПа была приложена для обеспечения контакта между фильтровальной бумагой и образцами почвы. Вся установка помещается в герметичный стеклянный сосуд и хранится в течение 20 дней в ящике для достижения уравновешивания влажности между фильтровальной бумагой и дисковым образцом. Всасывание, соответствующее содержанию влаги в образце, было получено из калиброванной диаграммы фильтровальной бумаги, использованной в испытании (рис. 3).Более подробная информация о процедурах калибровки фильтровальной бумаги дана Аль-Махбаши [17].


3.4. Метод подгонки

Многие методы подбора кривой могут быть рассмотрены для профиля всасывания почвы и содержания воды. Для этого конкретного исследования был выбран метод Фредлунда и Ксинга [1]: где Ѱ — всасывание почвы, θ w — содержание воды, θ s — содержание насыщенной воды, θ r — остаточное содержание воды, a — всасывание, относящееся к точке перегиба кривой, n — параметр почвы, связанный с уклоном в точке перегиба, м — параметр почвы, относящийся к остаточной воде содержание, а ч r — всасывание, относящееся к объемному остаточному содержанию воды.

Отличная корреляция может быть получена со значениями R 2 , превышающими 0,95. Выбор подходящего подхода зависит от оценки исследователя.

Значения AEV и остаточного всасывания были определены с использованием графического метода, предложенного Vanapalli et al. [4] и представляют собой точки пересечения касательных к зоне насыщения, зоне десатурации и остаточной зоне.

3.5. Концепция участка

При наблюдении за многими SWCC и основными контрольными точками кривой были отмечены значительные различия в площади под кривой для различных смесей с различным содержанием глины.Порядок изменения, по-видимому, связан с первой частью кривой, начиная с очень низких значений всасывания до точки перегиба. Тенденция за точкой перегиба обычно сходится к зоне с низкой влажностью при высоких уровнях всасывания. Это побудило исследователей изучить этот параметр, чтобы использовать его для прогнозирования SWCC для широкого диапазона содержания глины. Это, безусловно, сократит время инженеров-проектировщиков и лабораторных инженеров при работе с глиняно-песчаными футеровками с переменным содержанием глины.

Типичные параметры площади, предложенные в этом исследовании, показаны на рисунках 4 и 5 для песчано-бентонитовой футеровки и чистого песчаного материала.



Изменение области под кривой начинается задолго до AEV и продолжается до точки перегиба и за ее пределами.

4. Результаты и обсуждение
4.1. Контрольные точки SWCC

SWCC, построенный для чистого песка и песка с 5%, 10%, 15%, 30% и 60% глины Al-Qatif и других смесей, включающих коммерческий бентонит, выявил контрольные точки, как представлено в таблице 4.

9012%0

Смесь Величина на входе воздуха (AEV), кПа Остаточное содержание воды ( W r ),% W s 9044 ),% Остаточное всасывание (Rs), кПа R 2

Чистый песок 8,6 0,8 11997
5% Q 5,0 1,3 12,0 3800 0,988
10% Q 27,0 1,4 13,0 902 % Q 42,0 1,4 14,5 45000 0,978
30% Q 8,6 15,3 26,0 300 0,992 300 0,9925 22,0 35,0 700 0,988
100% Q 68,0 7,5 71,0 50000 0,991
1,9 16,0 25000 0,978
10% B, 5% Q 98,0 0,9 17,0 13000 0,973
1,2 22,5 10000 0,988

4.
2. Насыщенная влажность

Минералогия глины является наиболее важным фактором, определяющим насыщенную влажность на графике SWCC. Расширяющиеся минералы играют значительную роль в привлечении и удержании воды, и это четко отражается в увеличении содержания влаги при насыщении с увеличением содержания глины.SWCC широко разнесены для низкого всасывания матрикса, а расстояние уменьшается за счет увеличения всасывания матрикса. Кривые для всех профилей песчано-глинистых смесей сходятся к зоне высокого всасывания матрикса между 10 000 и 100 000 кПа [24].

Значение содержания насыщенной воды тесно связано с пористой природой смеси и регулируется удерживающей способностью глины и пропорцией песка. Когда в смеси преобладают глина и мелкие частицы, ожидается более высокая степень насыщения.Увеличение объема и усадка во многом связаны с удержанием воды в футеровках и барьерах для сточных вод, сделанных из песка, усиленного глиной.

4.3. Тенденции SWCC для смесей песка и глины

SWCC для песка показал почти горизонтальный наклон всасывания влаги для низких давлений всасывания (0,1 кПа или меньше). Это также справедливо для различных выбранных глиняных смесей, но содержание влаги варьируется. Наклон SWCC постепенно изменяется при увеличении всасывания матрикса, пока не будет достигнута точка перегиба.Наклон за точкой перегиба указывает на обратную тенденцию и изменение направления. В таблице 4 представлены AEV, R s и W r на основе подбора Фредлунда и Синга [1].

SWCC песчано-глинистых смесей в целом указывает на тренд с разными контрольными точками и наклонами. На рисунках 6–8 показаны подходы Фредлунда и Ксинга к песку с различным содержанием глины.




4.4. Области под кривой

Измерения площади под кривой могут выполняться графически или расчетным путем.Правило Симпсона можно использовать, если область разделена на множество срезов одинаковой ширины от первоначально заявленного всасывания до точки перегиба. Установлено, что интегрирование функции в том же диапазоне дает надежные результаты. В этом исследовании используется один тип песчаного материала с различным содержанием глины. На рис. 5 показан вклад одного песка в площадь под кривой. Это можно исследовать, когда используются разные типы песка с разным содержанием глины. В этой части исследования влияние песка игнорируется или считается идентичным во всех испытанных образцах.

Масштаб двух осей и размеров должны быть идентичными при измерении или сравнении площади с помощью этой процедуры. Шкала должна быть полулогарифмической с содержанием влаги по вертикальной оси и матричным всасыванием по горизонтальной оси. Рекомендуется начать измерение площадей при очень низком всасывании (0,01 кПа).

Путем интегрирования уравнения (1) площадь под кривой до точки перегиба была рассчитана и представлена ​​для смеси образцов. Первым делом необходимо установить точки перегиба, чтобы определить границы требуемой площади.Уравнение Фредлунда и Ксинга [1] упрощено и интегрировано в диапазоне от 0,01 кПа всасывания до значения всасывания в точке перегиба, показанной как 1 905,46 для выбранной смеси.

Заштрихованная область на рисунках 4 и 5 представляет собой требуемую площадь под кривой.

Процесс повторяли для каждой смеси.

Площади были впервые получены для смесей с содержанием глины 0%, 5%, 10%, 15%, 30%, 60% и 100%. На рисунке 9 представлена ​​гистограмма вычисленных значений.Для сравнения было обнаружено, что другие глины, включая бентонит, не сильно отличаются от общей тенденции, установленной для глины Аль-Катиф. Это 15% бентонита, 10% бентонита с 5% глины Al-Qatif и 5% бентонита с 10% глины Al-Qatif. Было обнаружено, что общая тенденция SWCC аналогична глине Al-Qatif и другим смесям с бентонитом. Это связано с минералогическим сходством двух глин [21], хотя и разного происхождения.


Была построена полиномиальная кривая тренда, чтобы связать коэффициент площади с содержанием глины в облицовке.

Форма SWCC может быть разной для глин разного происхождения, но глина одного и того же минералогического состава, вероятно, будет демонстрировать аналогичные тенденции с некоторыми вариациями в контрольных точках. Элькадий и др. [25] показали, что форма SWCC песчано-глинистых смесей трансформируется из одномодальной формы в бимодальную из-за двух размеров пор: макропор и микропор. При рассмотрении этой новой концепции анализа формы с использованием площадей под кривой возможна количественная оценка. Ожидается, что это будет полезно для инженеров-геологов и инженеров лабораторий благодаря экономии времени.На участках со сходным минералогическим составом глин можно составить единую диаграмму SWCC для различных глинистых добавок. Это можно повторить или воспроизвести для других песков, обычно используемых в индустрии футеровки.

Рисунок 10 с экспериментальными данными, полученными в лаборатории, может быть использован для установления зон различного содержания глины Аль-Катиф для любых предложенных глин-песчаных хвостовиков. Диаграмма SWCC, показанная на рис. 11, предназначена для помощи практикующим инженерам в использовании концепции площади под кривой. Диаграмма была идеализирована на основе повторных испытаний и выбранного содержания глины. Функция площади не является линейной, и статистическая подгонка указывает на полиномиальную тенденцию второго порядка. Следовательно, смещение профиля SWCC не следует рассматривать как линейное, и его необходимо регулировать в соответствии с площадью под концепцией кривой. При нанесении контрольных точек следует отметить, что положение AEV и всасывания необходимо определять путем определения содержания влаги, коррелированного с коэффициентом площади; аналогично, давление всасывания может быть получено из корреляции между коэффициентом площади и давлением всасывания при AEV.Что касается остаточной точки, было замечено, что она возникает при высоком всасывании и не сильно отклоняется от прямых линий, сходящихся к давлению всасывания 100000 кПа. В целях проверки карты прогноза на графике показаны точки с 30% и 60% глины Аль-Катиф (Рисунок 12). SWCC для используемого чистого песка указан в таблице прогнозов. При изменении типа песка можно построить аналогичную диаграмму прогнозов.




При использовании различных типов глины схожего минералогического состава в виде смесей местной глины и высокопластичного бентонита отклонение от общей тенденции оказалось несущественным, но зависит от концентрации используемого бентонита. Это можно увидеть на различных графиках SWCC для 5% бентонита плюс 10% глины Al-Qatif, 10% бентонита и 5% глины Al-Qatif.

На рисунке 12 представлено сравнение измеренных и прогнозируемых данных для смесей, содержащих 15% и 30% глины Al-Qatif. Полученные результаты очень хорошо согласуются с предложенной площадью под моделью кривой. Стоит отметить, что прогнозируемые линии для SWCC довольно однородны до смеси, содержащей 20% глины Al-Qatif, а за пределами этого уровня изменение не является регулярным.Сдвиг вверх увеличивается с увеличением содержания глины выше 20%. Практический диапазон глины Al-Qatif, которая будет использоваться в индустрии футеровки, не будет превышать 25% содержания. Эту процедуру можно в дальнейшем использовать для сравнения другой глины на основе площади под кривой. Это может быть в виде небольшого смещения линий прогноза и будет иметь достаточную точность для предварительного проектирования хвостовика и прогнозирования геотехнических свойств.

Cai et al. [5] обсудили различные модели, используемые для прогнозирования функции проницаемости.Они классифицировали эти модели на три группы. Это эмпирические методы, макроскопические модели и статистические модели. Теоретический подход, проведенный Cai et al. [5] включают добавление дополнительного параметра плотности, чтобы сделать возможным прогнозирование в широком диапазоне, а не для единственной начальной плотности в сухом состоянии. Теоретический подход в этом исследовании ограничен SWCC конкретного грунта, подобранным с использованием метода Фредлунда и Ксинга [1], дополненного расчетами площади под кривой, полученной для переменного содержания глины.Было обнаружено, что площадь под параметром кривой обеспечивает диаграмму прогноза с надежной точностью, которая может позволить успешным инженерам-геотехникам.

5. Заключение

В этом исследовании рассматривалось использование площади под кривой для прогнозирования идеализированных тенденций SWCC для песчано-глинистых смесей, используемых в хвостовиках. Призыв к созданию линейной карты для участков с аналогичной минералогической природой будет полезен для практикующих инженеров-проектировщиков и агентств лабораторных испытаний. Будет сэкономлено много времени, что будет очень приятно дизайнерам и экологам.

Созданные карты прогнозов могут составить библиотеку для использования проектировщиками и исследовательскими группами в области геотехнической и экологической инженерии. Контрольные точки SWCC были установлены экспериментально для глины Аль-Катиф при использовании с обычным мелким песком, который используется в строительной индустрии. При использовании другой глины схожего минералогического состава или смесей, включая местную глину и высокопластичный бентонит, можно заметить отклонение от общей тенденции. Это отклонение оказалось незначительным, и его уровень зависит от концентрации используемого бентонита.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Выражение признательности

Авторы выражают свою признательность деканату научных исследований Университета короля Сауда за финансирование этой работы в рамках программы исследовательской группы (RG-1440-073).

характерных ассоциаций почвы с постоянным присутствием хронической болезни истощения в северном Иллинойсе

Abstract

Экологические резервуары важны для передачи и сохранения инфекционных заболеваний, но эмпирических анализов относительно мало.Природная среда является резервуаром для прионов, вызывающих хроническую болезнь истощения (CWD) и влияющих на риск передачи восприимчивым цервидам. Почва — это один из компонентов окружающей среды, который, как было продемонстрировано, влияет на инфекционность и стойкость прионов. Здесь мы предоставляем первую модель прогнозирования ландшафта для CWD, основанную исключительно на характеристиках почвы. Мы построили модель дерева регрессии с усилением для прогнозирования вероятности постоянного присутствия CWD в регионе северного Иллинойса с использованием данных наблюдения CWD по оленям и почвам. Мы оценили результат для возможных путей, по которым характеристики почвы могут увеличить вероятность передачи CWD через загрязнение окружающей среды. Содержание глины в почве и pH были наиболее важными прогностическими характеристиками почвы для стойкого присутствия CWD. Результаты показывают, что воздействие прионов в окружающей среде больше, если процент глины меньше 18%, а pH почвы больше 6,6. Эти характеристики могут влиять на доступность прионов, иммобилизованных в почве, и вносить вклад в факторы риска окружающей среды, влияющие на эпидемиологическую сложность инфекции CWD в естественных популяциях белохвостых оленей.

Введение

Почва является важным долгосрочным резервуаром для нескольких патогенов, связанных с заболеваниями, включая гистоплазмоз, сибирскую язву и скрепи 1 3 . Понимание того, как свойства почвы влияют на передачу и устойчивость болезней, укрепит усилия по надзору за болезнями и борьбе с ними. Хроническая болезнь истощения (CWD) — это болезнь, при которой почва удерживает инфекционный агент 4 . Как и скрепи, CWD — это трансмиссивная губчатая энцефалопатия (TSE).Это вызвано инфекционными прионными белками (вызывающая заболевание изоформа PrP sc ), которые накапливаются в нескольких тканях, включая центральную нервную систему, и вызывают медленные нейродегенеративные поведенческие эффекты и изменения функций организма у инфицированного хозяина, что в конечном итоге приводит к смерти 5 7 . CWD встречается преимущественно у цервид, включая оленя-мула ( Odocoileus hemionus ), белохвостого оленя ( Odocoileus virginianus ), лося ( Cervus elaphus ) и лося ( Alces alces ).С момента своего открытия в Колорадо в 1967 году CWD был обнаружен в популяциях диких цервид в 21 штате США, 2 провинциях Канады и Норвегии 5 , 8 , 9 . В американском штате Иллинойс CWD впервые был зарегистрирован у белохвостых оленей на свободном выгуле в северной части штата в 2002 году и с тех пор был обнаружен в 16 округах 10 . В ответ на вспышку, Департамент природных ресурсов Иллинойса (IDNR) разработал и реализовал стратегию управления по снижению плотности оленей в районах, пораженных CWD, и вокруг них, чтобы снизить риск передачи болезни. 11 .Стратегия включала наблюдение за выловленными оленями по всему штату, сокращение плотности оленей в округах, затронутых CWD, за счет увеличения возможностей добычи и локализованную выбраковку в зараженных CWD районах, включая примерно 2 мили 2 буфер вокруг зараженных территорий 10 , 12 .

CWD может передаваться вертикально (внутриутробно от матери к ее потомству) 13 , 14 или горизонтально, прямо или косвенно.Прямая горизонтальная передача CWD происходит при физическом контакте с инфицированными прионами животными, тушами, телесными выделениями и экскрементами 15 , 16 . Непрямая передача CWD между группами в популяции происходит через проглатывание и включает неодушевленный носитель (фомит, почва или растения), загрязненный инфекционными выделениями, биологическими жидкостями, пантовым бархатом и разлагающимися трупами инфицированного хозяина 15 , 17 24 . Передача CWD воздушно-капельным путем была продемонстрирована в крытом исследовательском центре после воздействия аэрозоля на белохвостых оленей с гомогенатами мозга, инфицированными CWD 17 .Относительный вклад загрязнения окружающей среды в эпидемиологическую динамику CWD остается открытым вопросом, поскольку многофакторная природа CWD является сложной, а взаимодействия между тремя детерминантами болезни, агентом (инфекционным прионом), хозяином и окружающей средой, тесно связаны. взаимосвязаны.

Эмпирические данные свидетельствуют о том, что почвы являются экологическим детерминантом CWD, влияющим на доступность и устойчивость прионов 25 . Адсорбция, определяемая здесь как физическое или химическое связывание приона с твердой фазой почвы, неоднократно исследовалась на предмет ее роли в устойчивости и доступности приона в почве 26 .Многие исследования показали способность целых почв и минеральных компонентов адсорбировать прионы и изучили механизмы, лежащие в основе взаимодействия прионов с почвой 4 , 21 , 27 , 28 . Установлено, что характеристики почвы, влияющие на адсорбцию, включают текстуру (например, глина, песок, ил), органическое вещество (OM), влажность почвы, pH, ионную силу и катионообменную емкость (CEC) 27 , 29 , 30 . Поскольку механизмы адсорбции и способность почвы адсорбировать меняются в зависимости от этих характеристик, количество прионов, стабилизированных в почве, также варьируется 25 .Современная научная способность понимать факторы, определяющие, остаются ли прионы, иммобилизованные в почве, биодоступными для организмов, которые могут их разлагать и / или поглощать, затрудняется отсутствием надежных экспериментальных моделей и сложностью этих систем 27 . Тем не менее, альтернативным вариантом для улучшения нашего понимания роли характеристик почвы в CWD являются поперечные эпидемиологические обсервационные исследования, основанные на существующих реальных данных.

Моделирование мест, которые с большей вероятностью будут связаны с инфекцией из-за характеристик почвы, которые повышают доступность и устойчивость прионов, могло бы улучшить наше понимание биодоступности прионов в почвах и помочь объяснить закономерности стойкости CWD в ландшафте. Такие статистические модели могут стать дополнительными инструментами для предотвращения передачи CWD и, таким образом, снижения заболеваемости и смертности, связанных с этим заболеванием. На сегодняшний день прогнозные ландшафтные модели CWD основаны в основном на ландшафтных особенностях, связанных со средой обитания оленей, с ограниченными входными данными, напрямую связанными с характеристиками почвы 31 34 . Это исследование было разработано для понимания вклада характеристик почвы в эпидемиологию CWD у оленей с использованием подхода прогнозного моделирования.Основываясь на существующих данных наблюдения за CWD оленей в штате Иллинойс, мы определили химические и физические характеристики почвы в пяти округах, где белохвостые олени дали положительный результат на CWD. Мы разработали прогностическую модель CWD на ландшафте Иллинойса, основанную на ассоциации устойчивости CWD и характеристик почвы. Цели исследования заключались в следующем: 1) построить модель дерева ускоренной регрессии (BRT) с использованием данных о наличии / отсутствии CWD и данных о почве для определения характеристик почвы, которые имеют наибольшее влияние на стойкое присутствие CWD, 2) оценить направление воздействия почвы. характеристики стойкого присутствия CWD, и 3) прогнозировать вероятность постоянного присутствия CWD в северном Иллинойсе на основе характеристик почвы.

Результаты

Прогнозы модели

Наша модель BRT стремилась определить взаимосвязь между характеристиками почвы (глина, песок, ил, ОВ, содержание воды, pH и CEC, таблица) и постоянным присутствием CWD. Мы определили «постоянное присутствие» как поселение-ареал (TRS — 1 mi 2 сетка, определенная Системой государственного обследования земель) с ≥3 оленями, положительными на CWD (рис.). Модель BRT предсказала вероятность постоянного присутствия CWD в каждом TRS в тестовом наборе данных с областью под характеристической кривой оператора приемника (AUC), равной 0.944, где оценка AUC 1,0 представляет собой идеальное предсказание, а оценка 0,5 эквивалентна случайному угадыванию. Максимальный показатель каппа, 0,69 (каппа 1,0 представляет собой полное соответствие между предсказанными и наблюдаемыми местоположениями, а каппа 0,0 представляет собой случайное совпадение), был достигнут с пороговой вероятностью 0,19, которая отличает присутствие CWD от отсутствия. Точность нашей модели была значительно лучше, чем показатель отсутствия информации (p = 0,0008). Прогнозируемые вероятности варьировались от 0,006 до 0.793 по всем TRS (рис.). Самые высокие предсказанные вероятности были обнаружены в округах Бун и Виннебаго. Умеренные предсказанные вероятности в диапазоне от 0,033 до 0,096 были предсказаны вдоль западных и южных окраин округа Джо-Дэвисс. Округ Стивенсон, в целом, имел самые низкие предсказанные вероятности со всеми TRS, предсказывающими ≤0,032. Хотя большая часть округа Огл имела очень низкие прогнозируемые вероятности (≤0,032), несколько TRS в центральной и восточной частях округа имели несколько более высокие прогнозируемые вероятности в диапазоне до 0.191.

Таблица 1

Взаимодействия почва-прион / белок.

18,3 (5,3–50,0)
Характеристика почвы Взаимодействие с прионами / белками Среднее значение в районе исследования (диапазон) Среднее значение в модели (диапазон)
Глина Сильно связывается с прионами, влияет на доступность прионов 4 , 35 , 37 21,8% (4,8–29,3%) 21,7% (4,8–28,7%)
Песок Менее связывается с прионами относительно ила и глины 27 , 35 , 39 13.7% (2,8–87,5%) 13,3% (3,0–87,5%)
Ил Менее связывается с прионами относительно глины 66 64,4% (7,7–78,3%) 64,9 % (7,7–77,4%)
Органическое вещество Связывается с прионами, влияет на доступность 21 , 48 3,1% (1,1–23,4%) 3,0% (1,1–23,4%)
Содержание воды Влияет на разложение белков 43 , 67 29.2% (13,3–35,7%) 29,1% (13,3–35,7%)
pH Влияет на заряд прионов и адсорбцию / десорбцию на частицах почвы 27 , 29 , 42 , 43 6,5 (5,8–7,7) 6,5 (5,8–7,3)
Катионообменная емкость (CEC) Влияет на связывание с частицами почвы 68 18,4 (5,3–5014,0)

Проверенные местоположения TRS в пяти округах северного Иллинойса с 2003–2015 гг.В пунктах TRS с цветовой кодировкой в ​​период с 2003 по 2015 год по крайней мере один олень был протестирован на CWD. Цвета отражают количество положительных случаев, а хешированные TRS не тестировались на CWD. Карта создана с помощью ArcMap 10.3 (ESRI, Redlands, California, USA).

Прогнозируемая вероятность присутствия CWD с местоположениями TRS положительных случаев CWD в 2003–2015 гг. Прогнозируемые вероятности увеличиваются по мере перехода цвета от светлого к темному. Градуированные кружки указывают количество наблюдаемых CWD-положительных оленей в каждой TRS. Карта создана с помощью ArcMap 10.3 (ESRI, Редлендс, Калифорния, США).

Влияние почв на прогнозируемую вероятность постоянного присутствия CWD

Модель показала, что два наиболее важных предиктора, основанные на их относительном влиянии (т. Е. Масштабированное процентное значение, которое описывает вклад каждой переменной в прогнозирование постоянного присутствия CWD в модели BRT) составляли процент глины (30,8%) и pH (17,6%) (рис.). Графики частичной зависимости иллюстрируют влияние каждой характеристики почвы на вероятность стойкого присутствия ХО (рис.). Результаты показали, что когда процентное содержание глины превышает примерно 18%, прогнозируемая вероятность значительно снижается (рис.). Ниже pH 6,6 предсказанная вероятность была низкой, тогда как выше среднего pH 6,6 предсказанная вероятность увеличивалась (рис.). Наиболее сильный эффект взаимодействия наблюдался между глиной и pH. Здесь на прогнозируемую вероятность постоянного присутствия CWD из-за глины влиял pH, когда глина была ниже 18%. Когда содержание глины достигло и превысило 18%, прогнозируемая вероятность была низкой независимо от pH (рис.).

Относительное влияние характеристик почвы на стойкое присутствие УХО. Относительное влияние представляет собой масштабированное значение, которое описывает вклад каждой характеристики почвы в прогноз постоянного присутствия CWD на основе того, сколько раз переменная используется в качестве предиктора в модели, взвешенной по улучшению соответствия модели из-за включение 50 ; см. Методы.

Графики частичной зависимости характеристик почвы с относительным влиянием (%).По оси абсцисс отложены значения, связанные с характеристикой почвы в каждом TRS. Ось ординат представляет влияние характеристики почвы на вероятность постоянного присутствия CWD, где положительные значения указывают на положительный эффект, а отрицательные значения указывают на отрицательный эффект. Отметки вдоль оси x указывают наблюдаемые децили каждой переменной.

Трехмерный график частичной зависимости взаимодействия между процентным содержанием глины и pH. Показывает прогнозируемую моделью вероятность постоянного присутствия CWD для комбинаций процентного содержания глины и pH при усреднении по всем другим предикторам.

Согласно карте большинства типов почвенного покрова в нашей исследуемой области (дополнительный рисунок 1 ), большинство TRS можно разделить на следующие пять групп TRS: открытая вода, освоенное пространство, лес, культурные культуры и травянистые растения. . Распределение характеристик почвы для каждого из этих пяти типов почвенного покрова было довольно схожим, и диапазон наблюдаемых характеристик почвы был одинаковым для каждой группы TRS, особенно для наших наиболее влиятельных предикторов, процента глины и pH.Кроме того, чтобы уменьшить систематическую ошибку наблюдений, основанную на пространственных вариациях охоты и выбраковки, мы позаботились о том, чтобы охота и выбраковка проводились на всей территории исследования. Большое распределение протестированных TRS по годам в нашем исследовании снизило систематическую ошибку наблюдений.

Обсуждение

CWD — это инфекционное заболевание, вызываемое трансмиссивным прионным белком (PrP sc ), который реплицируется в пораженном хозяине. Заражение происходит, когда восприимчивый хозяин подвергается воздействию и приобретает PrP sc .PrP sc может быть получен из среды или от других хостов, которые поддерживают CWD. Передача от одного хозяина к другому приводит к временным и пространственным цепочкам передачи через популяцию хозяина. Хотя это исследование не учитывает сложные и многофакторные взаимодействия между характеристиками популяции оленей, возбудителя и окружающей среды, этот анализ предполагает, что характеристики почвы связаны с постоянным присутствием ХО в исследуемой области.

Почвы могут служить сложным резервуаром, увеличивая или подавляя доступность прионов. Модель предполагает, что содержание глины имеет самое сильное влияние на стойкое присутствие CWD. Глина была связана с CWD в этом и многих других исследованиях, хотя ее влияние на инфекционность обсуждается 21 , 32 , 35 37 . Глинистая фракция непропорционально влияет на химические взаимодействия почв, поскольку в этом диапазоне размеров (<0.002 мм) имеют относительно большую площадь поверхности для взаимодействия с ионами в почвенном растворе и обладают большей катионообменной емкостью (3–150 мэкв / 100 г), чем минералы, содержащиеся во фракциях ила и песка 38 . В этой модели вероятность постоянного присутствия CWD выше при более низком процентном содержании глины. Модель указывает пороговое значение содержания глины примерно 18%. Модель показывает более высокие предсказанные вероятности постоянного присутствия CWD, когда содержание глины меньше 18%, и более низкие предсказанные вероятности, когда содержание глины больше 18%.Этот порог может показаться противоречащим некоторым предыдущим исследованиям, которые предполагают, что заболеваемость прионами увеличивается с увеличением количества глины из-за увеличения иммобилизации и устойчивости прионов; однако эти работы проводились в регионах, где среднее содержание глины ниже среднего содержания глины, обнаруженного в этом исследовании 25 . Почвы с содержанием глины выше 18% могут отражать снижение биодоступности прионов из-за иммобилизации там, где уровни глины выше. На взаимодействия между прионами и глиной могут влиять pH, ионная сила и конкретные присутствующие ионы 39 , 40 .Хотя наша модель согласуется с более широким исследованием на Среднем Западе, где больше глины связано с меньшим CWD 31 , эффект глины, наблюдаемый в этом исследовании, противоположен результатам, смоделированным для глины в Колорадо, которые показали, что для каждого На 1% увеличилось содержание глины, было на 8,9% увеличение CWD у оленей 32 . Многие почвы в северном Колорадо имеют более высокую электропроводность (показатель солености почвы), чем в северном Иллинойсе 41 .В Колорадо повышенная концентрация солей может конкурировать за участки связывания на поверхности глин, предотвращая адсорбцию прионов и увеличивая концентрацию несвязанных прионов в почве. Это согласуется с повышенным pH, который будет способствовать десорбции таким же образом, как предсказывает наша модель.

Влияние pH почвы, вероятно, связано с изменением адсорбционного поведения прионов. Изменения pH могут изменять размер прионов и степень агрегации, поверхностный заряд почвенных минералов и органических веществ, а также размер границы раздела почва-вода, которая контролирует поведение адсорбции-десорбции 27 , 29 , 42 , 43 .Отчетливый порог влияния pH на стойкое присутствие CWD примечателен и предполагает изоэлектрическую точку (IEP), pH, при котором прион имеет чистый нулевой заряд, около pH 6,6. Это значение попадает в диапазон IEP (pH 4,6–7,9), описанный для прионных белков 27 , 44 . Если IEP для патогенного приона составляет pH 6,6, то он будет иметь чистый положительный заряд, связанный с N-концом при этом pH и ниже, и, следовательно, будет притягиваться и связываться с отрицательно заряженными поверхностями почвы и органических веществ.При pH выше 6,6 PrP sc будет иметь чистый отрицательный заряд и отталкиваться от отрицательно заряженных поверхностей, таких как глина и органические вещества. Это может привести к тому, что прион останется в растворе, где он станет более биодоступным и мобильным в окружающей среде. Повышенная биодоступность несвязанных прионов для растений может также увеличить вероятность дальнейшей передачи болезней, особенно если поглощение прионов происходит в растительности, которую обычно кормили олени. Десорбция прионов, связанных с помощью различных механизмов, может быть индуцирована при высоком pH 27 , 45 .

Наши результаты показывают, что физический механизм иммобилизации на твердой фазе и ремобилизации контролируют доступность прионов. Когда иммобилизация снижается (ниже 18% глины или выше pH 6,6), мы видим увеличение вероятности постоянного присутствия CWD. Снижение иммобилизации приводит к увеличению движения несвязанных агентов и диспергированию в водных формах. Более низкое содержание глины также приводит к снижению физической стабильности почв и повышенной подверженности ветровой эрозии и выбросам пыли 29 , 46 .Прионы были обнаружены в пыли. выпас или гнойное поведение, потенциально ведущее к усиленному воздействию на оленей прионов в почве в результате вдыхания и проглатывания связанных с пылью прионов.

Сосредоточив внимание на «постоянном присутствии» CWD и определив его как ≥3 случаев оленей в TRS, мы признаем, что в модели могут отсутствовать вновь возникающие области.Например, модель предсказывала очень низкие вероятности в кластере TRS, где один или два случая CWD были зарегистрированы вдоль южной окраины линии округа Джо Дэвисс — Стивенсон. Модель могла не прогнозировать этот регион, потому что TRS, содержащие только один или два случая CWD в период с 2003 по 2015 год, были исключены из набора данных модели, а характеристики почвы, представленные здесь, могут не быть типичными для тех, которые подтверждают постоянное присутствие CWD в других частях. региона. Чтобы оценить эту возможность, мы разработали альтернативную модель, в которой TRS со всеми случаями были включены в набор данных и классифицированы как присутствующие (дополнительные рисунки 2 4 ).Эти результаты модели показали, что наиболее влиятельными предикторами были процент глины и pH, такой же, как и наш результат для нашей модели, где стойкое присутствие определяется как ≥3 случаев CWD. Однако модель, в которую были включены TRS со всеми случаями, дала относительно более низкую статистику Каппа и более высокую ошибку прогноза. Поскольку мы хотели увеличить возможность увидеть устойчивость болезни в окружающей среде, уменьшить вероятность того, что временный олень повлияет на статус заболевания TRS, а также из-за менее точных прогностических возможностей, мы не рассматривали TRS с 1 или 2 случаями в нашем исследовании. Модель BRT.Можно также интерпретировать, что характеристики почвы в этой конкретной области не способствуют развитию резервуара, делая инфекционный прион недоступным или имея характеристики, которые ускоряют разложение приона. Районы, в которых случаи CWD были обнаружены, но прогнозируемые вероятности низкие на основе моделей почвы, могут быть важны при усилиях по борьбе с заболеванием, потому что контроль путем выбраковки может быть более эффективным в районах, где условия окружающей среды неблагоприятны для передачи и сохранения CWD.Важно, чтобы усилия по управлению были сосредоточены на областях с высоким риском передачи болезней, но тип контроля может быть более эффективным, если он совмещен с вероятными путями передачи.

Эта модель показывает, что характеристики почвы могут быть важной частью информации, помогающей при прогнозировании вероятности сохранения CWD на ландшафте. Модель подчеркнула важность наличия и обилия свойств почвы, связанных с наличием и устойчивостью инфекционных прионов в окружающей среде.Это также помогает вывести механизмы, ответственные за эти различия, особенно если рассматривать их вместе с исследованиями в других областях, где почвы являются потенциальным резервуаром. Смешанные данные в литературе указывают на сложность почвенных факторов и связанных с ними механизмов, влияющих на сорбцию прионов в почвах, что оставляет нам ограниченное понимание того, как инфекционность и доступность прионов могут зависеть от характеристик почвы и географических ландшафтов 4 , 21 , 28 , 35 , 48 , 49 .Однако, основываясь на взаимодействиях между белками и почвой, наша модель показывает, что стойкое присутствие CWD в ландшафте может быть предсказуемо на основе характеристик почвы, предполагая, что это может быть использовано при формулировании стратегий управления CWD.

Это исследование предоставило новые данные наблюдений о полевых условиях, способствующих разработке коллектора CWD в окружающей среде. Несмотря на то, что прогнозы, полученные на основе этой модели, были разработаны посредством корреляционного анализа, их можно использовать для инициирования новых областей наблюдения и тактики управления путем выявления TRS, где прогнозируемая вероятность постоянного присутствия CWD повышена.Районы с более высокой плотностью оленей, которые перекрывают TRS с более высокой прогнозируемой вероятностью постоянного присутствия CWD из-за характеристик почвы, могут побудить должностных лиц руководства активизировать усилия по снижению плотности, чтобы ограничить заражение оленей и их вклад в распространение прионов в окружающую среду. Если коридоры перемещения соединяют TRS, где, как известно, происходит CWD, с TRS, где прогнозируемая вероятность выше, стратегии управления CWD имеют обоснование для уменьшения передвижения оленей между этими зонами.

BRT-модели ценны для прогнозирования областей, склонных к стойкости CWD, предлагая практический инструмент для менеджеров, который может использовать при определении и приоритизации областей управления заболеваниями. Хотя модели BRT сложны, существует множество литературы и рабочих руководств 50 54 , которые помогают ориентироваться в процессе, и программное обеспечение находится в свободном доступе. Прогностические модели могут улучшить наше понимание CWD, выявляя пробелы в знаниях, которые указывают на будущие исследования. В этом исследовании особое внимание уделяется оценке связи между характеристиками почвы и постоянным присутствием УХО в ландшафте, и оно дает дополнительную ценность, выделяя факторы, способствующие развитию резервуара УХО и передаче в окружающую среду.Наблюдательные эпидемиологические исследования в естественных условиях чрезвычайно сложны, и УХО находится в центре системы, на которую влияет широкий спектр переменных, связанных с плотностью оленей, их поведением и использованием среды обитания.

Мы признаем, что факторы, помимо характеристик почвы, связанных с инфекционным прионным белком, окружающей средой и белохвостым оленем в Иллинойсе, служат детерминантами передачи CWD. Некоторые из этих факторов включают прямой контакт с носителем, инфицированным CWD, плотность оленей, частоту контактов 55 , демографические данные оленей 32 , 56 , генетическую предрасположенность 57 или характеристики ландшафта (растительность, высота, уклон, расстояние до берега реки и т. д.) 31 , 32 , 34 , которые могут повлиять на перемещение оленей и динамику популяции. В Иллинойсе размер домашнего ареала обитания белохвостого оленя составляет 99 га 58 . Хотя жилые участки различаются в зависимости от таких факторов, как пол и время года, это значение находится в пределах размера типичного TRS, примерно 259 га. Тем не менее, это исследование не оценивало передвижение оленей как фактор риска CWD. Мы также не оценили вклад других факторов риска в распространение и передачу CWD в популяциях белохвостых оленей на свободном выгуле, таких как взаимосвязь между характеристиками почвы и характеристиками ландшафта (например,g., сельское хозяйство, растительность и водоемы) или их влияние на поведение оленей. Однако мы не обнаружили сильной связи между характеристиками почвы и характеристиками ландшафта, то есть характер характеристик почвы не отличался для каждого типа ландшафта. Мы не оценивали влияние районов, где частота контактов с оленями увеличивается в результате деятельности человека (например, объекты для содержания оленей и станции дополнительного кормления).

Широкая эпидемиологическая модель, оценивающая факторы окружающей среды (помимо характеристик почвы), влияющие на косвенную и прямую передачу CWD, остается жизненно важной для понимания динамики передачи CWD у белохвостых оленей на свободном выгуле.Поэтому в качестве продолжения этой работы мы предлагаем комплексную модель, сочетающую характеристики почвы, особенности окружающей среды ландшафта, частоту контактов и взаимодействия между хозяином и белком, чтобы улучшить прогнозируемую вероятность CWD (передачи и распространения) по ландшафту и его устойчивости в фомиты и окружающая среда. Тем не менее, результаты этого исследования расширяют знания о взаимодействиях прионов с почвой и служат руководством для будущих исследований.

Методы

Район исследования

Регион в северном Иллинойсе, состоящий из округов Джо-Дэвисс, Стефенсон, Виннебаго, Огл и Бун, был выбран в качестве области исследования на основании доступности данных из долгой истории испытаний CWD.Этот регион с пятью округами граничит с рекой Миссисипи на западе, включает реки Рок, Пекатоника и Кишуоки, а также множество более мелких водных путей и имеет смесь пахотных земель, пастбищ, освоенных земель, лиственных лесов, лугов и водно-болотных угодий. (Дополнительный рисунок 1 ) 59 . Впервые CWD был обнаружен в Иллинойсе на границе округов Бун-Виннебаго, и с 2002 г. в этих двух округах постоянно выявлялись олени с положительным статусом CWD (n = 316).Округа Джо-Дэвисс и Стефенсон расположены к западу от Виннебаго, и в них было зарегистрировано небольшое количество случаев CWD (n = 50), причем первый случай был выявлен в 2008 году. В графстве Огл, расположенном к югу от округов Виннебаго и Стивенсон, было относительно мало случаев заболевания. CWD (n = 21), первый случай выявлен в 2006 году.

Данные CWD

IDNR проводит наблюдение CWD за добытыми оленями и выполняет локальную выбраковку оленей в районах, где, как известно, встречаются CWD, для снижения передачи заболеваний за счет снижения заболеваемости. плотность оленей.Образцы оленей были взяты из ряда источников добычи, включая добычу охотниками, стрельбу и выбраковку подозреваемых оленей. Хотя образцы оленей были протестированы от подозреваемых оленей (больных или убитых на дороге), эти образцы не были включены в анализ. Образцы тканей (заглоточные лимфатические узлы и обекс), собранные у оленей, собранных в регионе с пятью округами, были протестированы лабораториями Департамента сельского хозяйства Иллинойса по болезням животных на наличие CWD с использованием золотого стандарта иммуногистохимического исследования.На основании результатов иммуногистохимического теста для каждого образца был определен статус заболевания — положительный или не обнаруженный. Местонахождение каждой выборки было записано как поселок, район, номер участка, в котором она была собрана, в соответствии с определением Государственной системы обследования земель (PLSS), называемой в данном исследовании TRS. Данные CWD были обобщены TRS, чтобы классифицировать стойкость CWD на уровне TRS. В TRS (n = 2235), включенных в набор данных, использованных для построения и тестирования модели, по крайней мере, один олень был протестирован на CWD в период с 2003 по 2015 год (рис.). Мы определили устойчивость CWD на уровне TRS как TRS, который содержал трех или более CWD-положительных оленей, обнаруженных в период с 2003 по 2015 г. (n = 33), чтобы гарантировать, что инфицированные олени неоднократно обнаруживались в TRS (что указывает на персистентность болезни и потенциальное развитие. почвенного резервуара), что сводит к минимуму вероятность ложных срабатываний при моделировании. Мы определили отсутствие как TRS, в котором не было случаев CWD за 13-летний период (n = 2202) (рис.). Поскольку TRS с одним или двумя CWD-положительными оленями могут представлять либо временное занятие инфицированными оленями, либо начальное появление CWD в TRS, они не были включены в анализ, что снизило вероятность ложноотрицательных результатов.Также была разработана альтернативная модель для оценки различий в производительности моделей с разными определениями присутствия CWD на уровне TRS (дополнительная информация). В альтернативной модели мы определили присутствие на уровне TRS как TRS, которое содержало хотя бы одного CWD-положительного оленя, и отсутствие как TRS, которое не содержало случаев CWD.

Данные о почве

Мы использовали программу просмотра почвенных данных Службы сохранения природных ресурсов (NRCS) Министерства сельского хозяйства США в сочетании с ArcMap 10.3 (Институт исследований экологических систем [ESRI], Редлендс, Калифорния, США), чтобы получить доступ и нанести на карту характеристики типов почв из географической базы данных Soil Survey, версия 2.3.3 60 . Из базы данных почв мы преобразовали семь почвенных характеристик поверхностного слоя почвы (верхние пять сантиметров) методом средневзвешенной агрегации в растр с разрешением 30 м с использованием системы координат NAD 1983 UTM Zone 16 N. Мы использовали зональную статистику для расчета среднего pH, процента глины, процента ила, процента песка, процента OM, CEC и процента содержания воды при полевой емкости для каждого TRS.Эти характеристики почвы были выбраны в качестве предикторов устойчивости CWD на основании их связи с взаимодействиями между почвами и белками / прионами. Почвенные карты очерчивают каждый тип почвы на ландшафте, где многоугольники представляют область, определенную как имеющую относительно однородные характеристики почвы и топографию. Большинство TRS содержали несколько почвенных полигонов; поэтому для оценки среднего значения каждой характеристики почвы в каждом TRS использовалось средневзвешенное значение площади. Были рассчитаны диапазон и среднее значение каждой характеристики почвы в исследуемой области (таблица).Мы использовали иерархическую кластеризацию, чтобы оценить, различались ли характеристики почвы в зависимости от типа почвенного покрова.

Модель усиленного дерева регрессии для прогнозирования постоянного присутствия CWD

Чтобы оценить взаимосвязь между характеристиками почвы и устойчивостью CWD в TRS, мы создали модель усиленного дерева регрессии (BRT), которая использует комбинацию повышения, метод, используемый для повысить точность модели, итеративно комбинируя множество простых моделей, чтобы уменьшить ошибку прогнозирования, и деревья регрессии, модели, в которых повторяющиеся двоичные разбиения в предикторах классифицируют ответ 50 , 53 .Три основных мета-параметра используются для максимального повышения эффективности прогнозирования и уменьшения переобучения: доля мешка, сложность дерева и скорость обучения 53 . Доля мешка представляет собой долю данных, используемых для соответствия модели на каждом этапе. Сложность дерева определяет количество узлов в каждом дереве и представляет собой максимальный порядок взаимодействий, которые могут быть установлены. Скорость обучения (или скорость усадки) определяет вклад каждого дерева в модель по мере ее роста. После систематического тестирования различных комбинаций настроек для этих параметров прогностическая эффективность этой модели была максимальной, когда мы использовали долю мешка, равную 0.75, сложность дерева 5 и скорость обучения 0,001. Модель BRT была подобрана с использованием 80% данных (n = 1788), а прогнозы модели были подтверждены с использованием оставшихся 20% (n = 447). Прогностическая способность модели была определена на основе площади под характеристической кривой оператора приемника (AUC). Площадь под графиком частоты истинных положительных результатов по сравнению с частотой ложных положительных результатов, оцененных при различных порогах классификации (в данном случае значения прогнозируемой вероятности сохранения CWD), представляет способность модели различать присутствие и отсутствие 61 .Мы рассчитали шкалу каппа, чтобы оценить уровень соответствия между модельными прогнозами местоположения случаев и наблюдаемыми случаями заболевания в ландшафте, и использовали прогнозируемую вероятность сохранения CWD, при которой каппа была максимальной, в качестве порога классификации для определения статуса CWD. ТРС 62 . Чтобы оценить, была ли точность нашей модели лучше, чем оценка без информации или предсказание простых правил большинства, мы создали матрицу неточностей. Затем мы применили модель ко всем TRS (n = 2829) в пределах исследуемой области, чтобы получить прогнозы модели для всего региона.Мы использовали статистическую программу R и пакеты «dismo», «gbm» и «caret» для выполнения всех анализов 51 , 54 , 63 , 64 .

Определение влияния почвы

Относительное влияние характеристик почвы на стойкость CWD было оценено как часть пакета «gbm» в R 54 . Значения относительного влияния представляют собой среднее по всем деревьям количество раз, когда характеристика почвы была выбрана для разделения в пределах дерева, взвешенная с учетом улучшения, сделанного в модели в результате этого разделения 50 .Эти значения затем преобразуются так, чтобы каждое присвоенное значение отражало процент вклада в ответ. Чтобы определить направление эффектов каждой характеристики почвы, мы построили графики частичной зависимости для каждой характеристики почвы от вероятности сохранения CWD. Графики частичной зависимости служат в качестве наглядных указателей для интерпретации того, как каждая характеристика почвы влияет на прогнозы модели после усреднения эффектов всех других характеристик почвы 65 .Наконец, мы оценили относительную силу взаимодействий между характеристиками почвы (или относительный вклад взаимодействия между двумя характеристиками почвы в прогностическую эффективность модели) и построили трехмерный график частичной зависимости самого сильного взаимодействия 50 , 53 .

Доступность данных

Данные, подтверждающие выводы этого исследования, доступны по запросу у соответствующего автора (Н.E.M.P.).

Характеристики песчаных суглинков, которые должен знать каждый любитель садоводства

Почвы делятся на супесчаные, суглинистые и глинистые почвы по размеру частиц. Сочетание песчаных и суглинистых почв, супесчаные почвы содержат 60% песка, 30% ила и 10% глины. Гарденерди перечисляет характеристики супесчаной почвы.

Знаете ли вы?

Размер зерен супеси варьируется от очень мелких до очень крупных и в основном зависит от размера составляющих частиц песка.

Почвы классифицируются по содержанию в них ила, песка и глины. Размер частиц почвы определяет ее физические свойства. Зерна песка имеют диаметр от 0,05 до 2 мм. Зерна ила имеют диаметр от 0,002 до 0,05 мм. А зерна глины имеют диаметр менее 0,002 мм. Песок, ил и глина вместе образуют суглинок. Сочетание суглинка и песка называется супесем.

В геологии текстурный треугольник почвы определяет пропорции глины, ила и песка в почвах.Известно, что песчаные почвы позволяют воде быстро проходить через них, тогда как суглинистые почвы удерживают воду. Таким образом, сочетание этих двух почв очень питательно и плодородно для роста растений. Текстуру супесей можно охарактеризовать с помощью трех испытаний, которые описаны ниже:

◀ Тест на ощупь: это самый простой метод определения текстуры почвы. В этом методе почву нужно держать в руках, чтобы почувствовать ее текстуру. Песчаные почвы придают ощущение зернистости.

◀ Тест с лентой: в этом методе шарик с грунтом необходимо держать в руке и зажимать между пальцами.Этот метод измеряет длину сформированной ленты в дюймах. На супесчаных почвах получаются полосы размером менее дюйма.

◀ Испытание на сжатие мяча: в этом методе земля должна быть зажата в кулаке. Этот тест определяет устойчивость почвы к разрушению. Супесчаная почва остается вместе при захвате; однако при отпускании кулака он теряет твердость.

Особенности супесчаной почвы

◆ Частицы песчаной почвы самые большие по размеру и напоминают крошечные камни. Преимущественно песчаные супесчаные почвы крупнозернистые.

◆ Супеси гранулированные. Они не имеют твердой текстуры и легко разваливаются.

◆ Супесчаные почвы красновато-коричневого цвета. Они менее кислые и более щелочные.

◆ Эти почвы обеспечивают хорошую аэрацию, способствуя хорошему притоку кислорода. В почве содержатся мелкие живые организмы, которые помогают растениям поглощать питательные вещества из почвы для своего роста. Организмы хорошо растут благодаря правильной аэрации и, в свою очередь, способствуют росту растений.

◆ Супеси отводят излишки воды в них.Это означает, что они не могут удерживать воду, что может привести к недостаточному питанию растений и, в конечном итоге, к их гибели. Они требуют частого удобрения и полива для ускорения роста растений.

◆ Супеси подразделяются на очень мелкие супеси, супеси, мелкие супеси и крупные супеси. Эта классификация основана на размере содержащихся в них песчинок.

◆ Песчаные почвы не могут удерживать в себе воду, в то время как суглинистые почвы могут удерживать воду. Таким образом, они подходят только для тех растений, которые требуют большого слива воды.

◆ Гидравлическая проводимость (K) определяется как комфорт, с которым жидкости перемещаются через поры и трещины почвы в условиях насыщения. Величина насыщенной гидравлической проводимости для супесей составляет 14,11 — 42,34 мкм / сек.

◆ Скорость инфильтрации — это скорость, с которой вода проникает в почву. Величина скорости инфильтрации для супесчаной почвы колеблется в пределах 20-30 мм / час.

◆ Насыпная плотность описывает уровень уплотнения почвы. Это количество почвы в данном объеме.Критическая насыпная плотность супеси составляет от 1,55 до 1,75 г / см3.

◆ pH почвы является важным фактором для роста растений, а также наличия в ней бактерий и питательных веществ, которые делают ее более плодородной. Значение pH супесчаной почвы колеблется от 0,8 до 1,3.

Супесчаные почвы очень полезны для фермеров и садоводов. Однако над этим нужно работать с точки зрения питательных веществ, то есть питательные вещества нужно добавлять часто.

Живые почвы: роль микроорганизмов в здоровье почвы

Ключевые точки

  • Плодородные почвы изобилуют микроорганизмами, которые напрямую способствуют биологическому плодородию этой почвы.
  • Биологическая фертильность недостаточно изучена, и наши научные знания о ней неполны.
  • Помимо плодородия, почвенные микроорганизмы также играют важную роль в круговоротах питательных веществ, которые имеют фундаментальное значение для жизни на планете.
  • В прошлом методы ведения сельского хозяйства не способствовали развитию здоровых популяций микроорганизмов, ограничивая урожайность и угрожая устойчивости.
  • Научные исследования исследуют новые захватывающие возможности для восстановления и продвижения здоровых микробных популяций в почве.

«Почва необходима для поддержания биоразнообразия над и под землей. Богатство подземного биоразнообразия огромно и недооценивается: миллионы микроорганизмов живут и размножаются в нескольких граммах верхнего слоя почвы, экосистеме, необходимой для жизни на Земле… »

Из: Австралийские почвы и ландшафты, иллюстрированный сборник

Сводка

Плодородие почвы включает три взаимосвязанных компонента: физическое плодородие, химическое плодородие и биологическое плодородие.Биологическое плодородие организмов, которые живут в почве и взаимодействуют с другими компонентами, сильно различается в зависимости от условий, является очень сложным и динамичным. Это наименее изученный компонент фертильности. Помимо плодородия почвы, почвенные микроорганизмы играют важную роль в круговоротах питательных веществ, которые имеют фундаментальное значение для жизни на планете. Плодородные почвы кишат почвенными микробами. В одном грамме почвы могут быть от сотен миллионов до миллиардов микробов. Самыми многочисленными микробами в почве являются бактерии, за которыми в порядке убывания следуют актиномицеты, грибы, почвенные водоросли и почвенные простейшие.Лучшее понимание микробиологии почвы необходимо для удовлетворения потребностей растущего населения мира в сельскохозяйственном производстве. Во многих регионах здоровая популяция микробов все еще находится под угрозой и не поддерживается сельскохозяйственной практикой.

Анализ

Введение

В июле 2015 года ПИИ опубликовали документ стратегического анализа, озаглавленный «У нас под ногами: почвенные микроорганизмы как основные движущие силы основных экологических процессов».С момента публикации этой статьи наблюдается умеренная тенденция к изучению почв в целом, а не к детальному изучению компонентов почвы по отдельности. Целостное исследование особенно важно для понимания микробиологии почвы. На микроорганизмы напрямую влияют не только основные характеристики почвы, такие как влажность, кислород и химический состав, но и друг друга как полезными, так и хищными способами. Полностью осознавая фундаментальную важность почвенных организмов, а затем развивая и понимая, как биологические процессы в почве зависят от изменений в почвенной среде, мы можем научиться управлять почвой таким образом, чтобы усилить преимущества, предоставляемые почвенными организмами.

Информация, которая будет представлена ​​ниже, во многом основывается на упомянутом выше заголовке. Он представлен здесь, чтобы описать сложность и разнообразие почвенной микробиологии и предложить более целостный подход к исследованию почвы и управлению ею.

Плодородие почвы, или ее способность обогащать природные и сельскохозяйственные растения, зависит от трех взаимодействующих и взаимозависимых компонентов: физического плодородия, химического плодородия и биологического плодородия. Физическое плодородие относится к физическим свойствам почвы, включая ее структуру, текстуру, водопоглощение и удерживающую способность, а также проникновение корней.Химическая фертильность включает уровни питательных веществ и наличие химических условий, таких как кислотность, щелочность и соленость, которые могут быть вредными или токсичными для растений. Биологическое плодородие относится к организмам, которые живут в почве и взаимодействуют с другими компонентами. Эти организмы живут в почве, органическом веществе или других почвенных организмах и выполняют многие жизненно важные процессы в почве. Некоторые из них выполняют важные функции в круговоротах питательных веществ и углерода. Очень немногие почвенные организмы являются вредителями.

Из трех компонентов фертильности именно микробиологический элемент, богатое разнообразие организмов, таких как бактерии, вирусы, грибы и водоросли, которые образуют интерактивные микробные сообщества, являются наиболее сложными и, как это ни парадоксально, наименее изученными.Почти десятилетнее сотрудничество между CSIRO и австралийской компанией Bio-Platforms оценивает понимание микробных сообществ почвы так же важно, как картографирование галактик во Вселенной или биоразнообразия океанов. Это дает возможность открывать новые виды, пока неизвестные науке. Сообщества почвенных микробов поддерживают продуктивность всех сельскохозяйственных предприятий и являются основными движущими силами экологических процессов, таких как круговорот питательных веществ и углерода, деградация загрязнителей и подавление болезней, передаваемых через почву.Они также тесно вовлечены в ряд полезных, а иногда и важных взаимоотношений с растениями.

Определение

Почвенная микробиология — это изучение организмов в почве, их функций и того, как они влияют на свойства почвы. Почвенные микроорганизмы можно разделить на бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли, простейшие и вирусы. Каждая из этих групп имеет разные характеристики, которые определяют организмы и различные функции в почве, в которой они обитают.Важно отметить, что эти организмы не существуют изолированно; они взаимодействуют, и эти взаимодействия влияют на плодородие почвы в такой же или большей степени, чем индивидуальная деятельность организма.

Бактерии: Бактерии — это организмы, которые имеют только одну клетку и поэтому являются микроскопическими. Всего в чайной ложке влажной плодородной почвы содержится от 100 миллионов до одного миллиарда бактерий. Они являются разложителями, поедают мертвый растительный материал и органические отходы. Делая это, бактерии выделяют питательные вещества, к которым другие организмы не могут получить доступ.Бактерии делают это, изменяя питательные вещества из недоступных форм в пригодные для использования. Этот процесс важен в круговороте азота.
Актиномицеты: Актиномицеты представляют собой почвенные микроорганизмы, подобные бактериям и грибам, и обладают характеристиками, связывающими их с обеими группами. Их часто считают недостающей эволюционной связью между бактериями и грибами, но у них гораздо больше общих характеристик с бактериями, чем с грибами. Актиномицеты придают почве характерный запах.Они также были источником нескольких важных терапевтических лекарств.

Грибы: Грибы — необычные организмы, поскольку они не являются растениями или животными. Они группируются в волокнистые нити, называемые гифами. Затем гифы образуют группы, называемые мицелием, шириной менее 0,8 мм, но могут достигать нескольких метров в длину. Они полезны, но также могут быть вредны для почвенных организмов. Грибы полезны, потому что они способны расщеплять питательные вещества, которые другие организмы не могут.Затем они выпускают их в почву, и другие организмы могут их использовать. Грибы могут прикрепляться к корням растений. Когда это происходит, большинство растений растут намного лучше. Это благоприятное отношение, называемое микоризным. Грибы помогают растению, давая ему необходимые питательные вещества, а грибы получают углеводы из растений — ту же пищу, которую растения дают человеку. С другой стороны, грибы могут получать пищу, являясь паразитами и прикрепляясь к растениям или другим организмам из эгоистических соображений.

Некоторые из функций, выполняемых в почве грибами:

  • Деструкторы — сапрофитные грибы — преобразуют мертвый органический материал в биомассу грибов, двуокись углерода (CO 2 ) и небольшие молекулы, такие как органические кислоты.
  • Мутуалисты — микоризные грибы — колонизируют корни растений. В обмен на углерод растения микоризные грибы помогают сделать фосфор растворимым и доставляют почвенные питательные вещества (фосфор, азот, микроэлементы и, возможно, воду) растениям. Одна из основных групп микориз, эктомикориза , растет на поверхностных слоях корней и обычно ассоциируется с деревьями. Вторая основная группа микоризы — это эндомикориза , которая растет в клетках корня и обычно ассоциируется с травами, пропашными культурами, овощами и кустарниками.
  • Паразиты : Третья группа грибов, патогенов или паразитов , вызывает снижение продуктивности или гибель, когда они колонизируют корни и другие организмы.

Водоросли: Водоросли присутствуют в большинстве почв, где есть влага и солнечный свет. Их количество в почве обычно колеблется от 100 до 10 000 на грамм почвы. Они способны к фотосинтезу, посредством чего они получают углекислый газ из атмосферы и энергию из солнечного света и синтезируют собственную пищу.

Основные роли и функции водорослей в почве:

  • Играет важную роль в поддержании плодородия почв, особенно тропических почв.
  • Добавление органических веществ в почву, когда они умирают, и, таким образом, увеличение количества органического углерода в почве.
  • Действует как вяжущий агент, связывая частицы почвы и тем самым уменьшая и предотвращая эрозию почвы.
  • Помогает увеличить влагоудерживающую способность почвы на более длительные периоды времени.
  • Высвобождает большое количество кислорода в почвенной среде в процессе фотосинтеза и, таким образом, способствует глубокой аэрации.
  • Помогает контролировать потерю нитратов при промывании и дренаже, особенно на
    необсаженных почвах.
  • Помощь в выветривании горных пород и создании структуры почвы.

Простейшие: Это бесцветные одноклеточные организмы, подобные животным. Они крупнее бактерий и варьируются от нескольких микрон до нескольких миллиметров.Их популяция в пахотных почвах колеблется от 10 000 до 100 000 на грамм почвы, и их много в поверхностной почве. Они могут противостоять неблагоприятным почвенным условиям, так как для них характерна защищенная стадия покоя в их жизненном цикле.

Основные функции, роли и особенности простейших:

  • Большинство простейших получают питание от кормления или поедания почвенных бактерий и, таким образом, они играют важную роль в поддержании микробного / бактериального равновесия в почве.
  • Некоторые простейшие недавно были использованы в качестве агентов биологической борьбы против организмов, вызывающих вредные заболевания растений.
  • Некоторые почвенные простейшие вызывают у людей болезни, которые переносятся через воду и другие переносчики. Примером может служить амебная дизентерия.

Вирусы: Почвенные вирусы имеют большое значение, поскольку они могут влиять на экологию биологических сообществ почвы как за счет способности передавать гены от хозяина к хозяину, так и как потенциальную причину микробной смертности.Следовательно, вирусы являются основными участниками глобальных циклов, влияя на круговорот и концентрацию питательных веществ и газов.

Несмотря на такую ​​важность, вирусология почвы изучена недостаточно. Чтобы изучить роль вирусов в здоровье растений и качестве почвы, проводятся исследования разнообразия и численности вирусов в различных географических районах (экосистемах). Было обнаружено, что вирусы очень распространены во всех изученных до сих пор районах, даже в обстоятельствах, когда популяции бактерий значительно различаются в одинаковых средах.

Почвы, вероятно, являются местом обитания многих новых видов вирусов, которые вместе могут представлять собой большой резервуар генетического разнообразия. Некоторые исследователи считают, что изучение этого в значительной степени неизученного разнообразия почвенных вирусов может изменить наше понимание роли вирусов в глобальных экосистемных процессах и эволюции самой микробной жизни.

Нематоды: Не микроорганизмы (строго говоря), нематодные черви обычно имеют диаметр 50 микрон и длину один миллиметр.Виды, ответственные за болезни растений, получили много внимания, но гораздо меньше известно о большей части сообщества нематод, которые играют полезную роль в почве. Было обнаружено, что невероятное разнообразие нематод функционирует на нескольких уровнях пищевой сети почвы. Некоторые питаются растениями и водорослями (первый уровень), другие являются травоядными, которые питаются бактериями и грибами (второй уровень), а некоторые питаются другими нематодами (более высокие уровни).

Свободноживущие нематоды можно разделить на четыре большие группы в зависимости от их рациона.Питатели бактерий потребляют бактерии. Питаются грибки, прокалывая клеточные стенки грибов и высасывая их внутреннее содержимое. Хищные нематоды поедают все виды нематод и простейших. Они поедают более мелкие организмы целиком или прикрепляются к кутикуле более крупных нематод, соскребая их, пока не будут извлечены внутренние части тела жертвы.

Подобно простейшим, нематоды играют важную роль в минерализации или высвобождении питательных веществ в доступных для растений формах. Когда нематоды поедают бактерии или грибы, выделяется аммоний, потому что бактерии и грибы содержат намного больше азота, чем требуется нематодам.

Нематоды также могут быть полезными индикаторами качества почвы из-за их огромного разнообразия и их участия во многих функциях на разных уровнях почвенной пищевой сети.

Роль и функции

В совокупности почвенные микроорганизмы играют важную роль в разложении органических веществ, круговороте питательных веществ и удобрении почвы. Без круговорота элементов продолжение жизни на Земле было бы невозможным, поскольку необходимые питательные вещества были бы быстро поглощены организмами и зафиксированы в форме, недоступной для других.Реакции, участвующие в круговороте элементов, часто носят химический характер, но биохимические реакции, которым способствуют организмы, также играют важную роль в круговороте элементов. Первостепенное значение в этом процессе имеют почвенные микробы.

Почвенные микробы также важны для формирования здоровой структуры почвы. Почвенные микробы производят много липких веществ (например, полисахаридов и слизи), которые способствуют цементированию агрегатов почвы. Этот цемент снижает вероятность крошки заполнителей под воздействием воды.Нити грибов также стабилизируют структуру почвы, потому что эти нитевидные структуры разветвляются по всей почве, буквально окружая частицы и агрегаты, как сетка для волос. Грибы можно рассматривать как «нити» ткани почвы. Следует подчеркнуть, что микробы обычно мало влияют на изменение реальной физической структуры почвы; это выполняется более крупными организмами.

Почвенные микроорганизмы являются одновременно компонентами и производителями почвенного органического углерода, вещества, которое удерживает углерод в почве на длительное время.Обильный почвенный органический углерод улучшает плодородие почвы и ее водоудерживающую способность. Растет количество исследований, подтверждающих гипотезу о том, что почвенные микроорганизмы, и в частности грибы, могут использоваться для извлечения углерода из атмосферы и связывания его с почвой. Почвенные микроорганизмы могут стать важным средством сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу и помочь ограничить воздействие изменения климата, вызванного парниковыми газами.

Условия

Мы видим, что здоровые почвы содержат огромное количество микробов и значительное количество микробной биомассы.Это приводит к огромному потенциалу микробной активности, когда почвенные условия (доступные источники углерода, влажность, аэрация, температура, кислотность / щелочность и доступные неорганические питательные вещества, такие как азот) являются благоприятными. Необходимо подчеркнуть потенциал активности, потому что в нормальных ситуациях микробная популяция не получает постоянного запаса легкодоступных субстратов для поддержания длительных высоких темпов роста.

Практически всем почвенным организмам (кроме некоторых бактерий) нужно то же самое, что и нам для жизни: пища, вода и кислород.Они едят пищу на основе углерода, которая обеспечивает их питательными веществами, включая азот и фосфор. Им требуется влажная среда обитания с доступом кислорода в воздушные пространства почвы. Эти причины объясняют, почему 75 процентов почвенных организмов находятся в верхних пяти сантиметрах почвы. Однако это также объясняет, почему многие из наших популяций сельскохозяйственных почвенных микроорганизмов истощены. К сожалению, некоторые из сельскохозяйственных методов, которые были стандартными в Австралии до 1980-х годов, такие как чрезмерная расчистка земель, выжигание стерни, несоответствующее внесение удобрений и чрезмерная обработка почвы, привели к деградации почвы и созданию таких условий, как засоление, подкисление, структурная структура почвы. упадок и опустынивание.

Восстановление

Хотя во многих областях наши сельскохозяйственные почвы все еще находятся под угрозой, в последние десятилетия изменения в методах ведения сельского хозяйства, описанные выше, помогают создавать более здоровые почвы. До недавнего времени это считалось единственным способом улучшить биологическую фертильность. Придет создание правильных условий и микробов, и, наоборот, если условия не будут правильными, усилия по внедрению полезных микробов обречены на провал. Однако в последнее время научные исследования достигли значительных успехов в инокуляции почв и семян полезными бактериальными и, в частности, микоризными грибами для повышения урожайности и улучшения здоровья почв.Хотя все еще находится на ранней стадии разработки, полевые испытания оказались положительными и могут в будущем привести к широкому спектру преимуществ, основанных на улучшении биологического плодородия почвы.

Заключение

В прошлом почвенная микробиология фокусировалась на вредной или патогенной угрозе, исходящей от небольшого числа почвенных микроорганизмов. Это отклонило наше понимание от большинства почвенных микроорганизмов, которые не представляют угрозы для здоровья человека или сельскохозяйственного производства и которые играют важную роль в механизмах, которые имеют фундаментальное значение для устойчивости человеческой цивилизации и жизни на планете в целом.Однако этот акцент меняется. Междисциплинарные исследования почв будущего должны признать динамическую область взаимодействующих процессов: целостную природу живой почвы и то, что эта часть почвы сама по себе является лишь частью более крупной почвенной системы. С помощью интегративных методов, включая неразрушающие методы визуализации, химический анализ нового поколения со значительным пространственным и временным разрешением и имитационное моделирование, будут раскрыты секреты динамической почвенно-биологической взаимосвязи.Целостное почвоведение может существенно улучшить понимание систем растение-почва и дать рекомендации по актуальным вопросам 21 века, таким как устойчивость сельского хозяйства и изменение окружающей среды.

Характеристики и развитие почвы — Видео и стенограмма урока

Органический материал

Это хорошо подводит нас к следующему фактору развития почвы, органическому материалу или вещам, которые живы, когда-то были живыми или являются побочными продуктами жизни.Такие вещи, как микроорганизмы, разлагающиеся растения, животные и отходы животных, являются органическими материалами, которые служат для создания почвы, богатой питательными веществами. Однако живые существа также способствуют развитию почвы. Например, дождевые черви, змеи и грызуны создают туннели, по которым вода и воздух проникают глубже в почву. Смешайте это с гниющими растениями и тушами животных, и вы получите рецепт богатой питательными веществами почвы! Добавьте немного микроорганизмов, и у вас будет рай для растительности!

Климат

Конечно, точно так же, как жар в духовке влияет на выпечку, климат или погодные условия влияют на развитие почвы.Например, если в местности очень ветрено, почва будет сухой.

Температура оказывает огромное влияние на развитие и характеристики почвы. В теплом климате мертвая растительность и животные быстро разлагаются, в результате чего почва становится более богатой и глубокой. Точно так же, как убитый на дороге в летний день начинает довольно быстро пахнуть, но зимой он может оставаться в течение нескольких дней, не будучи вонючим, теплый климат помогает создать богатую глубокую почву, в то время как более холодный климат, как правило, создает более мелкую почву.

Топография

Топография или физические характеристики местности также играют роль в развитии и характеристиках почвы.Понять почему. Если участок ровный, почве легче быть глубокой. Может идти дождь, может дуть ветер, но почва имеет тенденцию держаться.

Однако, если местность крутая, это все равно что сбросить ведро с землей на горку в надежде, что она прилипнет! У вас может остаться немного, но вы застряли с довольно тонким слоем. Слейте воду с горки, и ваш тонкий слой окажется в реальной опасности! Это просто вопрос времени, когда он исчезнет.

Время

Если говорить о времени , это наш последний фактор в развитии почвы.Независимо от климата, от исходного материала, от топографии, от органического материала, почве нужно время для развития. Точно так же, как пирогу нужно время, чтобы испечься, почве нужно время, чтобы вода и воздух разложили его. Нужно время, чтобы мертвые твари разложились, и время, чтобы разрушиться камень.

Краткое содержание урока

Почва состоит из раздробленной породы, смешанной с органическим материалом, водой и воздухом. Есть пять основных факторов развития почвы : материнский материал, живые организмы, климат, топография и время.

  • Основной материал — это горная порода, в которой начинается почвообразование. Этот материал обычно переносился с места на место ветром, водой и эрозией.
  • Органический материал состоит из живых, когда-то живых или побочных продуктов жизни. Он включает в себя такие вещи, как микроорганизмы, разлагающиеся растения, животные и отходы животного происхождения, которые служат для создания почвы, богатой питательными веществами.
  • Климат , или погодные условия, влияет на развитие почвы.В теплом климате мертвая растительность и животные быстро разлагаются, что обычно приводит к более богатой и глубокой почве.
  • Топография или физические характеристики местности также влияют на развитие почвы. Если участок ровный, почве легче быть глубокой.
  • Время — наш последний фактор в развитии почвы. Как пирогу нужно время, чтобы испечься, так и почве нужно время, чтобы развиться.

Результат обучения

После просмотра этого урока вы сможете определить и описать пять основных факторов развития почвы.

1.3 Тип почвы и физические характеристики — ClimEx Handbook

Почвы физически состоят из минеральных и органических частиц различного размера. Комбинированные частицы образуют матрицу почвы, которая формирует структуру и поровые пространства почвы. В свою очередь, физические свойства почвы определяют многие ключевые почвенные процессы, от способности почвы удерживать воду до способности катионного обмена, которые влияют на другие формы жизни и функции экосистем. К ключевым физическим характеристикам почвы относятся ее структура, объемная плотность и текстура.

За описанием стандартных методов определения характеристик почвы мы отсылаем читателя к серии статей Американского общества почвоведения (SSSA) по методам анализа почвы; в частности, часть 3 — Химические методы (Swift & Sparks, 2009) и часть 4 — Физические методы (Dane & Topp, 2002). Хотя SSSA — Physical Methods (Dane & Topp, 2002) перечисляет полный набор методов, обратите внимание, что некоторые из этих традиционных методов заменяются более новыми технологиями. Кроме того, Руководство по полевым и лабораторным методам исследования почвы Министерства сельского хозяйства США (NRCS, 2014b) может использоваться в качестве нового и простого руководства для методов определения физических свойств почвы.

В этом протоколе мы сосредоточены на предоставлении основных руководящих принципов и отправной точки для определения физических свойств почвы в контексте исследований изменения климата, поскольку наше основное внимание уделяется пониманию экосистемных процессов и поведения растений.

Другие переменные, которые могут иметь значение в некоторых случаях, описаны во вспомогательной информации S4. Круговорот воды (например, водный потенциал и водоотталкивающие свойства).

Образцы грунта

Несколько протоколов в разделе 1.3 и 1.4 требуют отбора проб почвы. Здесь мы в общих чертах опишем, как отбирать пробы почвы, и расскажем о важных вещах, которые следует учитывать. Обратите внимание, что выборка может значительно различаться в зависимости от вопроса исследования, метода и индивидуальных потребностей (также проверьте отдельные протоколы для получения более подробной информации).

Перед взятием пробы почвы удаляют растительность и подстилку (т. Е. Мертвую растительность). Обратите внимание, что в некоторых системах подстилка может образовывать толстый слой и быть частью органического горизонта. Будет ли удален этот слой или нет, зависит от исследовательского вопроса.Количество образцов зависит от многих факторов (например, вопрос исследования, план эксперимента, финансы, краткосрочная изменчивость свойств почвы на интересующей территории). Анализ мощности может дать вам представление о необходимом размере выборки. Почва, как правило, неоднородна, и рекомендуется брать минимум 3-5 образцов почвы на единицу исследования (например, на уровне участка или блока). Образцы из одной и той же единицы также могут быть объединены, чтобы представить изменчивость и сократить затраты и время, но этого следует по возможности избегать.Эксперименты по изменению климата часто имеют ограниченное пространство для разрушающего отбора проб, и рекомендуется заранее спланировать отбор проб почвы. Если пробы отбираются с нескольких участков с одинаковой планировкой, рекомендуется отбирать пробы в фиксированном месте в пределах участка и / или с аналогичной надземной растительностью. Это помогает обеспечить сопоставимость сюжетов. Исследователь также должен учитывать, изменяется ли интересующая переменная со временем, что определит, следует ли проводить выборку один или несколько раз.

Для некоторых измерений может потребоваться использование перчаток и тщательная очистка оборудования между каждым образцом почвы, чтобы избежать загрязнения (например, генетический анализ).

Глубина отбора проб почвы зависит от метода, исследовательского вопроса и типа почвы. Рекомендуется отбирать пробы всего профиля почвы (вплоть до коренной породы) для оценки размера бассейна или на максимальной глубине корней, если в центре внимания находятся корни или микробная активность. Отдельные керны почвы обычно берутся из органического слоя, определяемого как накопленный органический материал поверх минеральной почвы и минерального слоя, но более высокое разрешение может быть полезно в глубоких почвах и почвах с несколькими слоями (Maaroufi et al., 2015).

Временная шкала (один раз несколько раз): если цель состоит в том, чтобы оценить общий размер пула элемента, рекомендуется выполнить выборку только один раз, поскольку эти числа не сильно меняются в зависимости от сезона. Если целью является отбор проб более динамичных пулов (размеры пулов неорганических питательных веществ или микробов), рекомендуется отобрать пробы несколько раз.

Пространственный масштаб : если целью является оценка размера бассейна на территории, рекомендуется взять несколько образцов почвы, поскольку почва часто бывает неоднородной.

Размер стержня почвы во многом зависит от метода, но часто диаметр стержня почвы составляет 3-8 см. Как правило, структурные и физические методы измерения структуры почвы требуют диаметров, превышающих глубину взятой пробы почвы, чтобы не повредить структуру почвы. Для процессов, связанных с микробной активностью, рекомендуется брать много небольших образцов почвы, например 10 образцов с пробойником 2 см.

Количество используемого грунта очень непостоянно и зависит от интересующего свойства.Для некоторых методов критически важно знать объем образца почвы (например, насыпную плотность), чтобы иметь возможность масштабировать до площади, в то время как для других требуется небольшое количество почвы (например, когда концентрации или активность, а не размеры пулов) в фокусе).

Транспортировка и хранение — Каждый образец почвы должен быть должным образом промаркирован, включая местоположение, идентификатор участка, слой номера профиля, глубину и дату. Образцы не следует подвергать воздействию воздуха или солнца, так как вода испарится из образца, а нагревание может ускорить и активировать нежелательные биологические процессы.Образцы почвы обычно перевозятся в пластиковых пакетах или коробках и хранятся в прохладном месте во время транспортировки (около 4 ° C). Для определения очень чувствительных бассейнов или процессов может быть рекомендовано поместить образцы в холодильник с сухим льдом (например, для экстракции почвенных ферментов). В идеале почва анализируется сразу после отбора проб, и некоторые методы требуют более быстрой обработки, чем другие. Однако часто быстрая обработка невозможна (например, из-за непрерывных полевых работ), и тогда почва должна храниться надлежащим образом.Не существует общего правила, как хранить почву перед анализом, и это зависит от происхождения почвы, а также цели и метода. Например, тропические почвы не следует хранить в холодильнике, поскольку низкая температура может убить микробы, а лизис почвы приведет к недооценке микробной биомассы. Однако если пробы почвы отбираются в замороженном виде в холодных условиях (например, в Арктике), то образцы следует хранить в замороженном виде до анализа. Для некоторых методов и почв рекомендуется хранить в холодильнике или морозильной камере, в то время как для других лучше всего подходит сушка на воздухе или в духовке.

Для некоторых анализов корней и камней (> 2 мм) удаляют из образцов почвы, используя сито с размером ячеек 2 мм. Если необходимо знать общую массу образцов, удаленные части взвешивают (например, для определения объемной плотности). Это особенно важно для каменистых почв. Для измерений, требующих наличия ненарушенной почвы (например, многие физические измерения), камни не удаляются.

Образцы почвы часто используются в свежем виде, но для некоторых анализов почва должна быть высушена .Однако это во многом зависит от того, для чего используются образцы. Почву можно сушить при комнатной температуре, низкой температуре печи или более высокой температуре. В таблице 1.3.1 показано, как обрабатывать образцы почвы наиболее часто используемыми методами (для получения более подробной информации проверьте отдельные протоколы).

Таблица 1.3.1 Температура обработки образцов почвы по общепринятым методикам.

Температура сушки Метод Протокол
Свежая почва в холодильнике (4 ° C)

Микробная биомасса почвы

Ферментативная активность почвы

PLFA

Анализ активности почвы

Насыпная плотность

pH

2.2.1

1,3,4

1.4.1

Сушка на воздухе, комнатная температура (25 ° C) Водоотталкивающие свойства почвы 3,6
Сушка в печи, низкая температура (макс. 55 ° C) Запасы почвенного углерода и питательных веществ 2.2.4
Сушка в духовке, высокая температура (70 ° — 105 ° C) СОМ (потеря при возгорании) 1.4.2

С чего начать

Международная совместная программа по оценке и мониторингу воздействия загрязнения воздуха на леса (Cools & De Vos, 2016) и исследование сельской местности (Emmett et al., 2010) дают хорошее представление о том, как отбирать пробы почвы.

1.3.1 Типы почв и горизонты (слои)

В отличие от отложений, которые откладываются с течением времени, почвы развиваются как горизонты из материнского материала под влиянием местного климата, рельефа и биоты. Существует много типов почв в зависимости от состава исходного материала, текстуры и органического вещества. Почвенный горизонт — это слой, параллельный поверхности почвы, с резко отличающимися физическими, химическими и биологическими характеристиками от слоев выше или ниже.Вертикальный план почвы (на основе ямы) показывает различные горизонты в профиле почвы (рисунок 1.3.1). Определение горизонтов почвы в почвенном профиле предоставит важную информацию об истории жизни почвы, а также о различных характеристиках ее свойств.

Рис. 1.3.1. Профиль почвы, показывающий различные горизонты почвы от органических слоев до коренных пород.

Профиль почвы должен быть описан в соответствии с классификацией почв, совместимой с системой Всемирной справочной базы (WRB).Тип почвы следует указывать в соответствии с Системой Всемирной справочной базы почвенных ресурсов (ISRIC, 1998; IUSS Working Group WRB, 2006, 2014). Это международная стандартная система таксономической классификации почв, одобренная Международным союзом почвоведения (IUSS) и заменяющая классификацию почв ФАО. Отчетность о глубине слоев или горизонтов почвы должна быть включена в любое описание, поскольку это важно для сравнения и моделирования. Большинство систем классификации распознают шесть основных горизонтов почвы, которые обозначаются заглавными буквами O, A, E, B, C и R (Рисунок 1.3.1). Отчетности от O до B обычно достаточно для исследований изменения климата. O = Органическое вещество, характеризующееся высоким содержанием органических веществ: темного цвета; A = Минеральный верхний слой почвы, часто окрашенный органическими веществами: содержит сильно выветрившийся материнский материал (породы) и имеет более светлый цвет, чем горизонт O; E = Eluviated — используется для обозначения горизонта, сильно выщелоченного минералами, глинами и полуторными оксидами: обычно определяется как бледный слой ниже горизонта A и существует только в более старых, хорошо развитых почвах; B = Подземный слой, освещенный слой, который накапливает железо, глину, алюминий и органические соединения: светлее по цвету и часто может быть красноватым из-за содержания железа; C = Разрушенная коренная порода, также известная как субстрат; R = коренная порода.

Что и как измерить?

Традиционно определение горизонтов почвы включает выемку ямы, обнажающую чистую вертикальную поверхность глубиной примерно 1 метр, и определение глубины различных горизонтов на основе цвета и физических свойств. Это можно упростить, используя почвенный шнек. Во-первых, определите глубину залегания почвы до слоя коренной породы или основного материала. Используя почвенный шнек, отобрать пробу непрерывного профиля почвы до тех пор, пока не будет достигнута коренная порода или материнский материал, и определите горизонты на основе различных характеристик.Образцы часто собирают и отправляют обратно в лабораторию для анализа. Доступно большое количество текстов, описывающих анализ почвы: наиболее широко используемые включают NRCS (2014a) и Dane & Topp (2002).

1.3.2 Глубина укоренения и распределение растений по глубине

Глубина укоренения растений важна для измерения распределения корней по профилю почвы, поскольку она может измениться, когда растения подвергаются климатическим воздействиям. Если сайт неоднородный (например,грамм. уклон или изменения растительности), глубину укоренения следует определять более чем в одном месте. Глубина укоренения растений измеряется путем выкапывания профиля почвы (см. 1.3.1 Горизонт почвы) и может быть измерена при определении слоев почвы.

1.3.3 Содержание камня (%)

Содержание камней определяет объем и массу почвы, содержащей камни> 2 мм. Камни не вносят вклад в обеспечение растений питательными веществами или водоудерживающую способность в почве, а вес и объем камней чаще всего вычитаются, когда> 5% объема почвы (ICP, 2016).Для расчета содержания камней просеивается высушенный на воздухе образец почвы известной массы, чтобы удалить камни размером более 2 мм. Камни взвешиваются, и процент камней размером более 2 мм может быть определен и представлен как% от общей массы почвы.

1.3.4 Насыпная плотность (г · см ³)

Насыпная плотность — это мера количества почвы на единицу объема высушенной в печи почвы и дает информацию о физическом состоянии почвы.Содержание органического вещества в почве, структура почвы, минералы в почве и степень уплотнения определяют насыпную плотность. Насыпная плотность существенно различается в зависимости от почв. Минеральные почвы имеют объемную плотность около 1–1,6 г / см ³, в то время как в органических почвах и рыхлой глине она значительно ниже 1 г / см ³. Значения объемной плотности важны при определении запасов углерода в почве и питательных веществ, поскольку они позволяют переводить концентрации в массу на единицу площади (см. Также протокол 2.2.4 Запасы углерода в почве и питательных веществ).

Что и как измерить?

Доступен ряд оборудования для определения объемной плотности, а общие рекомендации можно найти в Grossman & Reinsch (2002). Объемный стержень (объем должен быть известен), который должен быть не менее 75 мм в диаметре, с глубиной не более диаметра, следует снимать по профилю почвы, в идеале с шагом 5 см. Хотя насыпная плотность в сухом состоянии может быть определена для всего образца почвы (с камнями), она обычно указывается для почвы, просеянной через ячейку 2 мм, фракции мелкозема, которая подходит для последующих расчетов запасов углерода и питательных веществ.Камни (> 2 мм) удаляются и взвешиваются отдельно. Образцы почвы сушат при 105 ° C, а затем взвешивают.

Насыпная плотность в сухом состоянии рассчитывается по следующей формуле:

Объем камня можно определить методом вытеснения воды с помощью этого уравнения:

Плотность камня обычно принимается равной ~ 2,65 г / см ³.

Повторная выборка объемной плотности обычно не требуется. Однако особенно сильная засуха может изменить насыпную плотность, и повторная выборка насыпной плотности рекомендуется через 3-5 лет.

1.3.5 Текстура почвы

Текстура почвы — это гранулометрический состав почвы, определяемый процентным соотношением песка, ила и глины, характеризующим крупнозернистость почвы. Текстура почвы частично определяет водоудерживающую способность и проницаемость почвы, что дает важную характеристическую информацию о физических свойствах почвы. Процентное содержание глины, в частности, также очень важно для доступности питательных веществ, поскольку коллоиды глины служат местами обмена для катионов, таких как NH 4 + , K + , Ca 2+ и Mg 2+ , аналогично частицам гумуса.

Что и как измерить?

Анализ размера частиц (PSA) используется в почвоведении для определения текстуры почвы (содержание песка, ила и глины) и часто используется в физике почвы для определения гидравлических свойств почвы. PSA часто указывается для мелкоземельной фракции грунтов диаметром <2 мм. Образцы почвы, возвращаемые в лабораторию, обычно просеиваются для удаления частиц размером более 2 мм и корневого материала. ПСА можно определить с помощью седиментации либо методом пипетки, либо методом ареометра (Gee & Or, 2002).Текстура почвы выражается текстурным треугольником почвы из состава различных частиц (NRCS, 2014b). Текстура органических почв не измеряется.

1.3.6 Глубина водного зеркала (м)

Уровень грунтовых вод — это верхняя часть зоны фреатических или грунтовых вод, в которой все поры и трещины почвы полностью заполнены водой. Уровень грунтовых вод отмечает конец зоны вадозы. Фреатическая зона и, следовательно, глубина зеркала грунтовых вод могут варьироваться в зависимости от сезона, а также от засушливых или влажных периодов.

В районах с неглубоким уровнем грунтовых вод, например в дельтовых районах (van der Ploeg et al., 2012) или на заболоченных территориях (Oosterwoud et al., 2017), или в почвах с высоким уровнем грунтовых вод из-за менее проницаемых слоев почвы, Уровень грунтовых вод влияет на количество воды, доступной для растительности и испарения почвы. Что касается растительности, уровень грунтовых вод влияет на доступность воды, поскольку корни могут расти к уровню грунтовых вод или за счет капиллярного подъема грунтовых вод. Капиллярный подъем — это физическое явление, при котором вода поднимается в полой трубке небольшого диаметра.Чем меньше трубка, тем выше поднимется вода. Поры почвы образуют сеть таких полых трубок, а высота капиллярного подъема зависит от текстуры и структуры почвы (Brutsaert, 2005, раздел 9.6), что приводит к диапазону капиллярного подъема от 0,2 до 0,5 м для крупнозернистой почвы (например, песка). ) до 0,8– нескольких метров для мелкозернистого грунта (например, глины). При испарении почвы вода переносится из нижележащих слоев почвы за счет переноса жидкости и пара, на который могут влиять грунтовые воды посредством капиллярного подъема.Если ожидается, что уровень грунтовых вод повлияет на исследования изменения климата, рекомендуется отслеживать колебания уровня грунтовых вод.

Что и как измерить

Уровень грунтовых вод можно измерить с помощью пьезометра, который представляет собой трубку с перфорированной экранированной частью для входа грунтовых вод в трубку, в то время как почвенный материал не попадает в нее (Reeve, 1986). Его можно установить, просверлив отверстие вручную с помощью почвенного шнека или с помощью бурового оборудования.Перед установкой на участке с установленными грунтовыми слоями убедитесь, что менее проницаемые слои участка не дренируются, проделав через них отверстия, что приведет к изменению гидравлики почвы. После установки пьезометра измерения можно проводить вручную с помощью измерительной ленты с поплавком или автоматически с помощью датчика давления (например, Oosterwoud et al., 2017).

1.3.7 Ссылки

Brutsaert, W. (2005). Гидрология: Введение. Кембридж: Издательство Кембриджского университета.

Dane, J. H., & Topp, G. C. (ред.). (2002). Методы анализа почв: Часть 4 — Физические методы. В J. H. Dane, & C. G. Topp (Eds.), Методы анализа почвы (стр. 1018–1020). Мэдисон, Висконсин: Американское почвенное общество, Американское агрономическое общество.

Джи, Дж. У. и Ор, Д. (2002). 2.4 Гранулометрический анализ. В J. H. Dane, & C. G. Topp (Eds.), Методы анализа почвы: Часть 4 Физические методы (стр. 255–293). Мэдисон, Висконсин: Американское общество почвоведов.

Гроссман, Р. Б., и Райнш, Т. Г. (2002). 2.1 Объемная плотность и линейная растяжимость. В J. H. Dane, & C. G. Topp (Eds.), Методы анализа почвы: Часть 4 Физические методы (стр. 201–228). Мэдисон, Висконсин: Американское общество почвоведов.

Международный почвенный справочно-информационный центр ISRIC. (1998). Мировая справочная база почвенных ресурсов . Отчеты о мировых почвенных ресурсах 84. Рим, ФАО.

Рабочая группа IUSS WRB. (2006). Всемирная справочная база почвенных ресурсов, 2006 г .: основы международной классификации, корреляции и коммуникации . Рим, ФАО.

Рабочая группа IUSS WRB . (2014). Всемирная справочная база почвенных ресурсов 2014: Международная система классификации почв для наименования почв и создания легенд для почвенных карт (3-е изд.). Рим, ФАО.

Мааруфи, Н. И., Нордин, А., Хасселквист, Н. Дж., Бах, Л. Х., Палмквист, К., и Гундейл, М. Дж. (2015). Антропогенное осаждение азота усиливает связывание углерода в бореальных почвах. Global Change Biology, 21 (8), 3169-3180.

NRCS Служба охраны природных ресурсов. (2014a). Электропроводность почвы: здоровье почвы — Руководства для преподавателей . Министерство сельского хозяйства США.

NRCS Служба охраны природных ресурсов. (2014b). Руководство по полевым и лабораторным методам исследования почв, Отчет о исследованиях почвы № 51 (Версия 2.0.). Министерство сельского хозяйства США.

Остервуд, М., ван дер Плоег, М., ван дер Шааф, С., и ван дер Зи, С. (2017). Изменения в гидрологической связанности в результате микрорельефа, объясняемые соотношением расхода и размера водосбора. Гидрологические процессы , 31 (15), 2683–2699.

Рив, Р. К. (1986). Водный потенциал: пьезометрия. В A. Klute (Ed.), Методы анализа почвы: Часть 1 — Физические и минералогические методы (стр. 545–561). Мэдисон, Висконсин: Американское почвенное общество, Американское агрономическое общество.

Свифт, Р. С. и Спаркс, Д. Л. (2009). Методы анализа почв: Часть 3 — Химические методы. В книге Д. Л. Спаркса, А.

About Author


alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *