стройка, ремонт, недвижимость, ландшафтный дизайн
Методы определения гранулометрического состава почв
Гранулометрический состав определяется размером элементарных почвенных частиц. Сама масса почвы состоит из агрегатов, (и микроагрегатов) и элементарных почвенных частиц. Агрегаты представляют собой комбинацию элементарных почвенных частиц, образующуюся в результате взаимодействия этих частиц, скрепления их каким-либо цементом, клеем. Элементарные почвенные частицы представлены отдельными зернами минералов, обломков пород, коллоидами, в том числе органическими. Из гранулометрического состава обычно исключают карбонаты, гипс, другие новообразования и анализируют собственно мелкозем, измельченный до величины зерен меньше 1 (2) мм. Если почва карбонатная, то ее обрабатывают кислотой для разложения карбонатов. Для дезинтеграции микроагрегатов, навеску почвы обрабатывают или ультразвуком, или пирофосфатом Na, или щелочью (NaOH). В свое время был предложен так называемый международный метод обработки почв перекисью водорода для сжигания органического вещества почвы. Такое внимание к методикам лабораторного определения гранулометрического состава почв связано с тем, что изменения в этих методиках могут привести к систематическим изменением в результатах гранулометрического анализа, поэтому сравнивать гранулометрические данные, полученные разными школами следует очень осторожно.
Основной задачей 1-го этапа гранулометрического анализа является отделение ЭПЧ друг от друга. Учитывая, что почвенные частицы в почве соединены в микро- и макроагрегаты, прежде всего, важно разделить их. Для этого необходимо химическими и физическими методами разрушить тот природный «клей», который соединяет эти частицы. Такими природными «клеями», агрегирующими ЭПЧ, в почве как правило являются ионы Fe, Al, Са, органические вещества. Прежде всего, нужно «нейтрализовать» их агрегирующее действие.
В настоящее время в мировой почвенной практике используются ряд операций по «нейтрализации» агрегирующего действия указанных веществ и разделения почвенной массы на отдельные ЭПЧ:
1. Метод Качинского. Обработка почвы 10%-ным раствором НСl для удаления карбонатов, диспергация NaOH, добавляемого в соответствии с емкостью обмена, кипячение суспензии с обратным холодильником для достижения наиболее полной диспергации и разделения на ЭПЧ. Вследствие применения кислоты и щелочи для химической диспергации почвы этот метод получил название кислотно-щелочной.
2. Обработка почвы Н2O2 для удаления органического вещества. Добавление перекиси водорода происходит при активном перемешивании и слабом подогреве на водяной бане до полного прекращения выделения пузырьков. После этого почвенная паста слегка подсушивается в фарфоровой чашке, затем добавляется раствор гексаметафосфата натрия (40 г (NaPO3)6 на литр дистиллированной воды) или пирофосфата натрия. Механизм действия пирофосфата Na в этом случае таков: ион Na замещает в почвенном поглощающем комплексе ион Са, снимая агрегирующее воздействие последнего и оказывая диспергирующее влияние на почву. Ион же пирофосфата за счет формирования устойчивой пленки пирофосфатов кальция предохраняет образовавшиеся частицы от коагуляции. Вследствие того, что основное действие в такой подготовке почвы к гранулометрическому анализу оказывает пирофосфат (гексаметафосфат) натрия этот метод носит называние пирофосфатного.
Но даже если частицы и оказываются химически разделенными, необходимо механическое воздействие для того, чтобы между ними образовывались заметные водные прослойки, и они могли самостоятельно проявлять свои свойства. Механическое воздействие на почвенную пасту в случае кислотно-щелочного метода осуществляется на этапе кипячения. В пирофосфатном методе паста после добавления пирофосфата натрия тщательно и долго растирается, либо подготовленная суспензия подвергается ультразвуковому воздействию. Это механическое воздействие гарантирует отделения ЭПЧ друг от друга, из поведение как отдельных самостоятельных частиц.
Только после этапа механического разделения осуществляется определение содержания частиц того или иного размера, т.е собственно определение гранулометрического состава. Есть два, на данный момент, основных способа определения содержания частиц разного диаметра: (1) способы, основанные на законе Стокса и (2) лазерно-дифрактометрический способ.
От понятия элементарной почвенной частицы к гранулометрическому и микроагрегатному анализам (обзор)
ПОЧВОВЕДЕНИЕ № 11 2018
ОТ ПОНЯТИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ПОЧВЕННОЙ ЧАСТИЦЫ 1341
рить о новом уровне исследований твердой фазы
почв. После появления метода денсиметрическо-
го фракционирования большинство исследова-
ний стало опираться на структурные единицы,
выделяемые данным способом [46, 79]. Ранее в
аналогичных исследованиях основой являлись
гранулометрические фракции почв.
Так что же является объектом гранулометри-
ческого анализа? Каков диапазон размеров ча-
стиц, относимых к ЭПЧ? На чем основано объ-
единение ЭПЧ в фракции? От чего зависит выбор
метода пробоподготовки почв к гранулометриче-
скому и микроагрегатному анализам и является
ли он одинаковым для всех почв? Какова роль но-
вообразований почв, и нужно ли их отдельно учи-
тывать при анализе?
ЧТО ТАКОЕ ЭПЧ?
Твердая фаза почв представлена частицами
почвообразующей породы и продуктов выветри-
вания, а также органическим веществом (расти-
тельными остатками различной степени разложе-
ния, органическими и органо-минеральными со-
единениями). Физические свойства, химический
и минералогический состав почвенных частиц за-
висят от их размера, типа почв и почвообразую-
щих пород [2, 3, 12, 13, 17, 23, 26, 29, 109, 173, 174].
Песчаная фракция (>50 мкм) преимущественно
представлена силикатными минералами. Фрак-
ция пыли (2–50 мкм) имеет близкий минералоги-
ческий состав с фракцией песка. Благодаря более
высокой величине площади удельной поверхности
частицы пыли чаще всего покрыты пленками
аморфных соединений. Илистая фракция (<2 мкм)
состоит из слоистых алюмосиликатов и минера-
лов оксидов и гидроксидов металлов, но может
включать неслоистые минералы (кварц, полевые
шпаты и др.). Метод физического фракциониро-
вания в тяжелых жидкостях с известной плотно-
стью позволяет выделить пулы органического ве-
щества (ОВ) [46, 79]. Методики фракционирова-
ния многочисленны и различаются по силе
воздействия на твердую фазу (ТФ) почв и исполь-
зуемым плотностям [9, 37, 79, 80, 86, 103, 150, 201].
Тем не менее, можно выделить 3 основных пула
ОВ почв, выделяемых по характеру связи с мине-
ральными компонентами почв. Первая фракция
физически свободного ОВ почв выделяется при
плотности тяжелой жидкости <1.6–2.0 г/см3 без
предварительного воздействия на ТФ почв – лег-
кая фракция (light fraction). Вторая физически
свободная фракция, окклюдированное ОВ (oc-
cluded light fraction), слабо или не связана с мине-
ралами, отделяется после физического воздей-
ствия на ТФ. Оставшееся ОВ почв заключено в
органо-минеральные комплексы и носит назва-
ние тяжелой фракции (heavy fraction). Плотность
тяжелой жидкости 1.6 г/см3 позволяет наиболее
чисто выделить легкую фракцию ОВ, в то время
как необходимая величина физического воздей-
ствия на ТФ почв для выделения окклюдирован-
ного ОВ и других фракций зависит от устойчиво-
сти агрегатов [74].
Почвенные частицы характеризуются различ-
ной формой – близкой к сферической, вытяну-
той или пластинчатой. Возможно описание фор-
мы частиц по трем параметрам: степени угловато-
сти/скругленности, собственно форме и характеру
поверхности 2002 [88]. Песчаные частицы часто
равномерно развиты во всех направлениях, по-
этому можно сказать, что они имеют сфериче-
скую форму. Однако их поверхность не является
гладкой, а имеет неровности, зазубрины. Части-
цы пыли имеют преимущественно сферическую
форму, илистые частицы – пластинчатую и
игольчатую, вытянутую форму [109]. Чем меньше
размер частиц, тем больше их форма отличается
от сферической [136].
Мысль, что необходимо изучение частиц в со-
стоянии, наиболее близком к природному, не яв-
ляется новой. В 1943 г. Тюлин писал: “Органиче-
ские коллоиды, прочно связанные с поверхно-
стью минеральных частиц, составляют с ними
одно целое, независимо от того, какого рода эти
связи” [42, с. 4]. Сохранение индивидуальности
частиц в процессе пробоподготовки к анализам
ученый считал наиважнейшей задачей. А также
пришел к выводу о недопустимости применения
химических реагентов. Тюлин говорил о важно-
сти таких показателей, как “количество и каче-
ство адсорбированных органических коллоидов
на поверхности минеральных частиц”, “энергии
связи органического вещества с минеральной ча-
стицей”. Подобного рода исследования стали
наиболее распространенными в последующие де-
сятилетия истории почвоведения [76, 111, 117, 129,
132, 163, 175, 204, 210]. Отдельным крупным на-
правлением исследований является изучение ор-
гано-минеральных взаимодействий [9, 92, 129,
130, 173]. Активно используются физические ме-
тоды диспергации и фракционирования. Особен-
но стоит отметить метод ультразвуковой диспер-
гации [85], позволяющий определить величину
энергии связи [171]. С помощью ультразвука (УЗ)
становится возможным исследование механиз-
мов агрегации почв [82, 84, 85].
Связующими агентами в почве выступают ок-
сиды и гидроксиды железа, алюминия, марганца,
аморфный кремнезем, карбонаты, гипс, легко-
растворимые соли, специфические и неспецифи-
ческие ОВ почв. В зависимости от функциональ-
ной роли в формировании структуры почв выде-
лено 3 группы ОВ – неустойчивое (transient, в
основном представлено полисахаридами), вре-
менное (temporary, корни растений и гифы гри-
бов) и устойчивое (persistent, ОВ связанное с
Определение гранулометрического состава почвы в Москве
Посмотрите наши преимущества
Определение гранулометрического состава почвы проводится методом анализа его сухой фазы. Мы можем провести необходимые исследования для любого типа грунта, соблюдая государственные стандарты, а также применяя эффективные методики лабораторных испытаний. В результате вы получите официальную отчетную документацию для использования в целях проектирования и выполнения строительных работ при возведении зданий, установке конструкций, укладке дорожного покрытия, железнодорожных путей и в других целях.Для чего требуется определить этот параметр?
Этот показатель содержания механических частиц в ней. К механическим элементам относится обломки:- кристаллов;
- минеральных и горных пород;
- аморфных соединений.
Гранулометрический состав почвы определяет многие ее физические и механические свойства, включая влажность, пористость, структурность, водопроницаемость и влагоемкость.
Механические элементы различного происхождения обладают отличными химическими и физическими свойствами. Поэтому их соотношение в гранулометрическом составе почвы определяет ее свойства также будут различными. Исходя из этого показателя определяется тип грунта:
- супесчаные;
- песчаный;
- суглинистый;
- глинистый.
Какие задачи позволяет решить исследование на гранулометрический анализ?
Оценка гранулометрического состава почвы – это важная составляющая исследований грунта на площадке перед составлением проектной документации для строящегося объекта, так как этот параметр связан с его другими физическими и механическими свойствами. Этот показатель обязательно должен быть учтен при разработке проекта и выполнении строительных работ.Также гранулометрический состав почвы используется в сельском хозяйстве при освоении новых территорий для посева сельскохозяйственных культур, так как этот этого параметра зависит возможность прорастания растений, дренажа, водопропускной способности. В этом случае анализ гранулометрического состава позволяет определить пахотные характеристики почвы и целесообразность использования исследуемой территории для посева определенных культур.
Стоимость проведения работ
Цена проведения анализа на гранулометрический состав почвы зависит от целей исследования, площади изучаемой территории, выбранного метода лабораторных испытаний. Поэтому стоимость услуги рассчитывается для каждого нашего клиента персонально, с учетом поставленной задачи.В стоимость входит отбор образцов, их исследование в лаборатории выбранным оптимальным методом, проведение расчетов по результатам анализов и составление отчетной документации. В зависимости от типа почвы и поставленной задачи может быть выбран один из следующих методов исследования:
- просеивание для песчаных, крупнообломочных и иногда супесчаных;
- пипеточный или ареометрический для глинистых и суглинистых грунтов с размером частиц до 0,1 мм.
Порядок проведения исследований
Точная оценка соотношения механических частиц гранулометрического состава почвы возможна только в лабораторных условиях, где проводятся специальные испытания. Порядок их выполнения зависит от типа исследуемого грунта и выбранного метода анализа.Содержание частиц определенного размера с использованием ареометра осуществляется путем отстаивания суспензии образца и периодическим измерением его плотности с помощью прибора. Изменения плотности используются для расчета по формулам или номограммам.
При применении пипеточного метода грунтовую суспензию отстаивают отведенное для этого время, а затем берут ее образцы для исследования с определенной глубины емкости при помощи специальных пипеток. Образцы высушиваются и взвешиваются по этим данным, а также по рассчитанному размеру частиц в зависимости от времени отстаивания проводятся вычисления.
Нормативные документы
В нашей лаборатории работы осуществляют в полном соответствии с ГОСТ 12536-2014, содержащем описание метод лабораторного исследования гранулометрического состава грунтов. Испытания проводятся с использованием оборудования, соответствующего стандартам, поэтому мы можем гарантировать точность результатов, которые будут указаны в отчете.Стоимость работ Вы можете узнать скачав прайс-лист
Скачать прайс-листЗадача по определению гранулометрического состава грунта
Наша компания ООО «Геолог» специализируется на проведении комплексных инженерных изысканий, в программу которых обязательно входит определение характеристик грунта.
Задача по определению гранулометрического состава грунта является одной из самых важных для проектировщиков строительства любых объектов. Гранулометрический состав, который еще называют механическим составом или почвенной структурой, определяется в качестве относительного содержания в составе почвы, горной породы или искусственной смеси частиц, обладающих разным размером, независимо от того, каков их минералогический или химический состав. Гранулометрический состав относится к важным физическим параметрам, влияющим на существование и функционирование почвы, а также на ее плодородие.
Гранулометрическим составом называют содержание в почве механических элементов, которые объединены во фракции. В составе почв и пород могут находиться частицы различного размера, от сантиметров до 0,001 мм. Для того, чтобы подробно проанализировать размеры во всех возможных диапазонах, их делят на так называемые фракции. Единую классификацию частиц не составили. Исторически первую классификацию фракций предложи в 1912 году Аттерберг, воспользовавшись физическими свойствами монофракционных смесей. На основании их анализа он убедился в резких качественных различиях, например, по липкости.
Классификацию почв по гранулометрическому составу сегодня осуществляют по двум основным принципам построения: по содержанию физической глины, учитывая доминирующую фракцию и тип почвообразования, и так называемый треугольник Ферре, которым пользуются для того, чтобы определить название почвы по международной классификации. Между классификациями нет однозначного перехода, но пользуясь кумулятивной кривой выражения результатов гранулометрического состава, появляется возможность назвать почву по любой из классификаций.
На основании гранулометрического состава можно определить большое количество физических свойств, химических, физико-химических и биологических свойств, а также воздушный режим почв.
При наличии в составе почв частиц меньшего диаметра это говорит о большей удельной поверхности, а также о больших величинах ёмкости катионного обмена, способности удерживать воду, лучшей агрегированности, но меньшей прочности. У тяжелых почв может быть проблема с воздуходержанием, у лёгких – с водным режимом.
Для разные фракций характерно наличие различных минералов. Крупные богаты содержанием кварца, мелкие — каолинита, монтмориллонита. По фракциям различают способность образовывать органоминеральные соединения с гумусом .
Методы определения гранулометрического состава грунтов бывают прямыми и косвенными.
Прямыми называют методы, которые основаны на непосредственном (микрометрическом) измерении частиц в поле зрения оптических и электронных микроскопов или с помощью других электронных и электронно-механических устройств. На практике прямыми (микрометрическими) методами пользуются не так широко.
Косвенными называют методы, для которых используют различные зависимости между размерами частиц, скоростью осаждения их в жидкой и воздушной средах и свойствами суспензии. Это группа методов, в основе которых лежит использование физических свойств суспензии (ареометрический, оптический и др.) или моделирование природной седиментации (пипеточный, отмучивания и др.).
Гранулометрический состав — это… Что такое Гранулометрический состав?
Гранулометри́ческий соста́в (механический состав, почвенная текстура) — относительное содержание в почве, горной породе или искусственной смеси частиц различных размеров независимо от их химического или минералогического состава. Гранулометрический состав является важным физическим параметром, от которого зависят многие аспекты существования и функционирования почвы, в том числе плодородие.
Гранулометрический состав [1] — содержание в почве механических элементов, объединенных по фракции.
Фракции частиц при гранулометрическом анализе почв
В почвах и породах могут находиться частицы диаметром как менее 0,001 мм, так и более нескольких сантиметров. Для подробного анализа весь возможный диапазон размеров делят на участки, называемые фракциями. Единой классификации частиц не существует.
Исторически первая классификация фракций предложена А. Аттербергом в 1912 и была основана на изучении физических свойств монофракциальных смесей. Их анализ показал резкие качественные различия, в частности, в липкости при достижении размеров 0,002, 0,02 и 0,2 мм.
Шкала Аттерберга легла в основу более новых зарубежных классификаций. В СССР и России была принята несколько иная классификация Н. А. Качинского.
| Шкала Качинского | |
|---|---|
| Граничные значения, мм | Название фракции |
| до 0,001 | Ил |
| 0,001—0,005 | Мелкая пыль |
| 0,005—0,01 | Средняя пыль |
| 0,01—0,05 | Крупная пыль |
| 0,05—0,25 | Тонкий песок |
| 0,25—0,5 | Средний песок |
| 0,5—1 | Крупный песок |
Вместе с этими в классификации Качинского выделяются фракции физического песка и физической глины, соответственно, крупнее и мельче 0,01 мм. 1—3 мм — фракция гравия, крупнее 3 мм — каменистая часть почвы.
Классификации почв по гранулометрическому составу
В настоящее время получили распространение два основных принципа построения классификаций:
- На основании содержания физической глины с учётом доминирующей фракции и типа почвообразования. Разработана Н.А. Качинским и принята в России и в некоторых других странах.
- На основании относительного содержания фракций песка, пыли и глины по Аттербергу. Международная классификация, классификации общества почвоведов (SSSA) и общества агрономов (ASSA) США. Для определения названия почвы используют треугольник Ферре.
Однозначного перехода от одной классификации к другой не существует, однако используя кумулятивную кривую выражения результатов гранулометрического состава можно назвать почву по обеим классификациям.
Влияние гранулометрического состава на свойства почв и пород
Гранулометрический состав определяет многие физические свойства и водно-воздушный режим почв, а также химические, физико-химические и биологические свойства.
Меньший диаметр частиц означает большую удельную поверхность, а это, в свою очередь — большие величины ёмкости катионного обмена, водоудерживающей способности, лучшую агрегированность, но меньшую порозность. Тяжёлые почвы могут иметь проблемы с воздухосодержанием, лёгкие — с водным режимом.
Разные фракции обычно представлены различными минералами. Так, в крупных преобладает кварц, в мелких — каолинит, монтмориллонит. По фракциям различается способность образовывать с гумусом органоминеральные соединения.
Методы определения (гранулометрия)
- Ситовой гранулометрический анализ — этот метод применяется для определения гранулометрического
состава песчаных и супесчаных почв.Разделение материала на гранулометрические фракции производится при помощи стандартного набора сит с последующим взвешиванием выделенных фракций.
Способы выражения
При определении гранулометрического состава почв выявляется процентное содержание фракций механических элементов. Например, почва содержит 23,4% физической глины.
Влияние гранулометрического состава на продуктивность растений
Продуктивность растений на почвах различного гранулометрического состава может существенно различаться, что объясняется различием в свойствах почв. Оптимальный гранулометрический состав зависит от условий влагообеспеченности и технологии возделывания. В засушливых условиях низкий запас влаги в лёгких почвах (супесях и песках) и слабый капиллярный подъём приводят к существенному снижению урожайности. В условиях хорошего и избыточного увлажнения такие почвы лучше аэрируются и растения на них чувствуют себя лучше. Низкий запас элементов питания в лёгких почвах можно легко устранить при внесении удобрений, которые имеют высокую эффективность на таких почвах вследствие малой буферности.
См. также
- Микроагрегатный состав
- Агрегатный состав
Примечания
- ↑ ГОСТ 27593-88(2005). ПОЧВЫ. Термины и определения. УДК 001.4:502.3:631.6.02:004.354
Гранулометрический состав — Что такое Гранулометрический состав?
Гранулометрический состав — относительное содержание в почве, горной породе или искусственной смеси частиц различных размеров (независимо от их химического или минералогического состава).Гранулометрический состав является важным физическим параметром (по Качинскому определяется как соотношение физического песка к физической глине), от которого зависят многие аспекты существования и функционирования почвы, в том числе плодородие.
Общепринятой классификации по данным гранулометрического состава нет.
Это связано с различием целей и объектов, для которых производится определение гранулометрического состава.
В геологии (литологии), горном деле, обогащении полезных ископаемых, грунтоведении, почвоведении, технологии строительных материалов и других областях техники применяют различные классификации и шкалы классов (фракций) крупности.
Классы (фракции) обычно обозначают в мм, в обогащении полезных ископаемых классы крупнее и мельче данного размера — знаками плюс и минус соответственно.
В геологии при оценке осадочных горных пород различают:
- валуны крупные (свыше 500 мм),
- валуны средние (500-250 мм),
- валуны мелкие (250-100 мм),
- гальку (100-10 мм),
- гравий крупный (10-5 мм),
- гравий мелкий (5-2 мм),
- песок грубый (2-1 мм),
- песок средний (0,5-0,25 мм),
- песок мелкий (0,25-0,1 мм),
- алеврит (0,1-0,05 мм),
- пыль (0,05-0,005 мм),
- глину (до 0,005 мм).
В горном деле гранулометрический состав горной массы, отделенной от массива, используют для оценки результатов буровзрывных работ, качества продуктов обогащения и учитывают при выборе типа и параметров технологического оборудования в карьерах, на шахтах, дробильно-сортировочных, обогатительных, окомковательных фабриках.
Гранулометрический состав почвы – метод определения, классификация, влияние и значение
Существует множество типов почв и каждый из них имеет разительные отличия от других разновидностей. Грунт состоит из разнообразных частиц любых величин, которые имеют название «механические элементы». Содержание данных компонентов позволяют определить гранулометрический состав почвы, который выражается в процентах к массе сухой земли. Механические элементы в свою очередь группируются по величине и образовывают фракции.
Распространенные фракции составляющих почвы
Выделяют несколько группировок механического состава, но наиболее распространенной классификацией считается следующая:
- камни;
- гравий;
- песок – подразделяется на крупный, средний и мелкий;
- ил – делится на грубый, тонкий и коллоиды;
- пыль – крупная, средняя и мелкая.
Другое разделение гранулометрического состава земли выглядит следующим образом: песок рыхлый, песок связной, суглинок легкий, средний и тяжелый, супесь, глина легкая, средняя и тяжелая. В каждой группе содержится определенный процент физ.глины.
Почва изменяется постоянно, как следствие этого процесса гранулометрический состав почв тоже не остается прежним (например, из-за подзолообразования ил переносится из верхних горизонтов в нижние). От составляющих грунта зависит структура и пористость земли, её теплоемкость и связность, проницаемость воздуха и влагоемкость.
Классификация почв по скелетности (по Н.А. Качинскому)
| Граничные значения, мм | Название фракции |
|---|---|
| <0,0001 | Коллоиды |
| 0,0001—0,0005 | Тонкий ил |
| 0,0005—0,001 | Грубый ил |
| 0,001—0,005 | Мелкая пыль |
| 0,005—0,01 | Средняя пыль |
| 0,01—0,05 | Крупная пыль |
| 0,05—0,25 | Тонкий песок |
| 0,25—0,5 | Средний песок |
| 0,5—1 | Крупный песок |
| 1—3 | Гравий |
| больше 3 | Каменистая часть почвы |
Особенности фракций механических элементов
Одна из основных групп, формирующих гранулометрический состав земли, является «камни». Она представляет собой обломки первичных минералов, имеет плохую проницаемость водой и довольно минимальную влагоемкость. Растения, произрастающие в данной земле не получают достаточные элементы для питания.
Второй по важности составляющей считается песок – это обломки минералов, в которых большую часть занимает кварц и полевые шпаты. Данный тип фракций можно охарактеризовать, как хорошо водопроницаемый с низкой водоподъемной способностью; влагоемкость равняется не более 3-10%.
Фракция ила содержит малое количество минералов, входящих в состав твердой фазы почв и в основном образована из гумусовых веществ и вторичных элементов. Она может коагулировать, является источником жизнедеятельности растений и богата оксидами алюминия и железа. Механический состав влагоемкий, проницаемость воды минимальная.
Пыль крупная относится к фракции песка, но отличается хорошими водными свойствами и не принимает участия в образовании почвы. Более того, после дождей в результате высыхания появляется корка на поверхности земли, которая негативно влияет на водно-воздушные свойства слоев. Из-за данной особенности некоторые растения могут погибнуть. Средняя и мелкая пыль имеет низкую проницаемость жидкостью и высокую влагоемкость; она не участвует в образовании грунта.
В гранулометрическом составе почв находятся крупные частицы (более 1 мм) – это камни и гравий, которые образуют скелетную часть и мелкие (менее 1 мм) – мелкозем. Каждая фракция отличается уникальными свойствами и особенностями. От сбалансированного количества элементов состава зависит плодородие почвы.
Важная роль механического состава земли
Механический состав грунта – один из важнейших показателей, на который следует ориентироваться агрономам. Именно он определяет плодородие грунта. Чем больше механических фракций в гранулированном составе почвы, тем она лучше, богаче и в огромных количествах содержит разнообразные минеральные элементы, необходимые для полноценного развития растений и их питания. Данная особенность влияет на процессы структурообразования.
Анализ размера частиц (для почв / отложений) — Департамент географии UCL
Все следующие методы и протоколы связаны с химическими и физическими свойствами почвы. Если не указано иное, методы в настоящее время используются в лаборатории и связаны с оценкой рисков. Если вы планируете проводить какие-либо работы в лаборатории, вы должны сначала прочитать и подписать Оценку рисков. За подробностями обращайтесь к супервайзеру лаборатории.
Не все минеральные частицы в почве или отложениях имеют одинаковый размер. Размер частиц осадка / почвы обычно определяется на основе их диаметра, и их можно классифицировать как специфическую седиментологию с использованием таких шкал, как Wentworth (1922). Гранулометрический состав определяет структуру почвы / отложений — преимущественно песчаные, суглинистые или глинистые.
Процедура определения доли минеральных частиц в каждом из этих классов называется гранулометрическим анализом или механическим анализом почвы.При анализе почвы соотношение гравия и более крупных частиц определяется путем сначала измельчения почвы для ее дезагрегирования, а затем ее пропускания через сито 2 мм. То, что остается в сите, взвешивается, и его пропорция рассчитывается как процент от всего образца почвы. Соотношение крупного, среднего и мелкого песка также определяется просеиванием, таким образом отделяя их от глинистой и илистой фракций почвы. Последние нельзя отделить друг от друга просеиванием. Вместо этого они разделяются процессом, известным как осаждение, который основан на том факте, что более крупные частицы проходят через воду быстрее, чем более мелкие.Таким образом, если суспензия состоит из глины и ила в воде, ил будет осаждаться быстрее, чем глина, и, измеряя скорость, с которой оседает суспензия в целом, можно определить распределение частиц по размерам. .
Здесь рассматриваются следующие методы анализа размера частиц …
Метод определения гранулометрического состава грунтов с гипсом
Основные моменты
- •
Предлагается метод гранулометрического анализа (PSA) грунтов, содержащих гипс
- •
Метод состоит из стандартных PSA на Разделение негипса, измерение песка всей почвы с гипсом и пересчет глины
- •
Дезагрегация частиц ультразвуком в воде: раствор этанола был эффективен без разрушения зерен гипса
- •
Соотношение свойств глины полученные с использованием процентного содержания глины по предлагаемому методу были более подходящими, чем стандартные соотношения метода
- •
Результаты предложенного метода хорошо согласуются с текстурой образца, оцененной на ощупь (От 1 до 40% гипса) почвы, по оценкам, составляют от 100 до 200 миллионов n га в мире, включая более 1 млн га в США.S. Более интенсивное землепользование на этих почвах привело к большему спросу на информацию о распределении, свойствах и поведении этих почв. Обычные лабораторные методы определения гранулометрического состава почвы включают предварительную обработку для удаления гипса и более растворимых солей, поскольку они мешают диспергированию образца и образованию стабильной глинистой суспензии. Таким образом, измерения размера частиц с использованием стандартных методов с предварительной обработкой для удаления гипса отражают только гранулометрический состав практически нерастворимых, преимущественно силикатных минералов, и не отражают гранулометрический состав всей почвы, включая гипс.Принуждение результатов к силикатно-минеральной основе в почвах с умеренным и высоким содержанием гипса может сильно исказить аналитические результаты. Целью этого проекта было разработать и оценить альтернативный метод измерения размера частиц для грунтов с гипсом, который включает распределение частиц гипса по размерам. Были оценены три метода дезагрегации для оценки общего количества песка и песчинок: 1) просеивание при сушке, 2) встряхивание в растворе этанол: вода 7: 3 и 3) обработка ультразвуком в растворе этанол: вода 7: 3.Оценка образцов с гипсом и без него показала, что метод обработки ультразвуком был наиболее эффективным для дезагрегации, о чем свидетельствуют распределение фракций песка и микроскопические оценки зерен. Применение этого метода к образцам от трех гипсовых педонов дало гранулометрические характеристики, которые лучше согласовывались с ручными оценками текстурного класса, чем традиционный анализ размера зерна стандартными методами, которые включали предварительную обработку для удаления гипса. Сравнение соотношений ЕКО / глина и 1500 кПа вода / глина для образцов между двумя методами также показало, что предложенный метод дает содержание глины, более согласованное с другими данными о свойствах для тех же горизонтов.Улучшенные оценки размера частиц для почв, содержащих гипс, особенно для почв с высоким содержанием гипса, улучшат понимание и способность интерпретировать и прогнозировать поведение этих уникальных почв.
Ключевые слова
Гипсоносные почвы
Гипсовые почвы
Текстура почвы
Аридизоли
Анализ почвы
Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)
Полный текстCopyright © 2014 Elsevier B.V. Опубликовано Elsevier B.V.V. Все права защищены.
Рекомендуемые статьи
Ссылки на статьи
Внедрение нового метода определения гранулометрического состава мелкозернистых почв
Основные моменты
- •
Был разработан новый метод определения градации мелкозернистых почв. представлен.
- •
Этот метод основан на концепциях седиментации и спектрофотометрии.
- •
Подчеркивается простота процедуры тестирования и ее расчета.
- •
Не требует сноровки и внимания экспериментатора.
- •
Этот метод сопоставим с ареометром и пипеткой.
Abstract
Распределение частиц по размерам определяется различными методами, такими как лазерное дифракционное рассеяние, подсчет изображений, просеивание и методы осаждения, ни один из которых не является совершенным и требует уточнения в области почвоведения и гражданского строительства.В этом исследовании была предпринята попытка разработать более точный метод градации мелкозернистых почв. Что касается концепции седиментации и спектрофотометрии, были проведены экспериментальные и теоретические исследования по измерению размера частиц семнадцати образцов мелкозернистой почвы. Диаметр частиц был определен на основе закона Стокса скорости осаждения для частиц в суспензии, помещенной в кювету, тогда как процентное содержание более мелких, чем эти диаметры, было определено по формуле, полученной здесь с использованием метода спектрофотометрии в рабочем диапазоне 900 –1000нм.Соотношения между значениями концентрации в каждый момент считывания и начальным значением были связаны с процентом проходящих частиц. Градационные кривые, полученные этим методом для образцов почвы в этом исследовании, соответствуют кривым микроскопического анализа изображений. По сравнению с другими методами данная процедура тестирования и связанные с ней расчеты весьма удобны.
Ключевые слова
Спектрофотометрия
Седиментация
Градация
Мелкозернистые почвы
Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)
Полный текст© 2018 Elsevier Ltd.Все права защищены.
Рекомендуемые статьи
Цитирующие статьи
Протокол — Анализ размера частиц — Метод ареометра
Относительная доля песка, ила и глины в почве определяет структуру почвы и влияет на характеристики почвы, такие как удержание питательных веществ и выщелачивание, а также способность удерживать воду дренаж. Метод анализа размера частиц с помощью ареометра рассчитывает физические пропорции этих частиц почвы на основе скорости их осаждения в водном растворе и определяет три класса крупности: песок (2000-50 мкм), ил (50-2.0 мкм) и глина <2,0 мкм. В этом методе используется ареометр типа ASTM 152H, он основан на стандартной температуре 20 o ° C и плотности частиц 2,65 г / см -3 ; единицы выражаются в граммах почвы на литр.
Мы используем метод ареометра, как описано Gavlack, Horneck and Miller (2005). Основная процедура скопирована ниже; пожалуйста, просмотрите ссылку для потенциальных шагов предварительной обработки и процедурных комментариев. Как правило, этот метод имеет более низкую точность, чем методы пипетки или осаждения, имеет предел обнаружения 2.0% песка, ила и глины (в пересчете на сухое вещество) и, как правило, воспроизводимость с точностью до ± 8% (Gavlack et al., 2005).
Оборудование
- Аналитические весы: вместимость 100 г, разрешение ± 0,01 г.
- Стандартный ареометр, ASTM № 1. Тип 152H со шкалой Bouyoucos, г L -1 .
- Возвратно-поступательный горизонтальный механический шейкер со скоростью 180 колебаний в минуту.
- Отстойник с отметкой 1,0 л на расстоянии 36 ± 2 см от дна.
- Шейкерная бутылка 200 мл и крышка (полипропиленовая или стеклянная).
Реактивы
- Деионизированная вода, класс ASTM Тип I.
- Амиловый спирт.
- Гексаметафосфат натрия (HMP), 5% раствор для диспергирования. Растворите 50,0 г гексаметафосфата натрия в 1,0 л.
Процедура
- Взвесьте 40,0 ± 0,05 г высушенной на воздухе почвы, измельченной для пропускания через сито 10 меш (<2,0 мм) в контейнер на 200 мл. Определите влажность сухой почвы на 2-м образце почвы.
- Добавьте 100 мл раствора HMP, закройте крышку и поместите на возвратно-поступательный горизонтальный шейкер на 16 часов.
- Количественно перенесите суспензию в отстойник и добавьте деионизированную воду, чтобы довести конечный объем до 1,0 л.
- Дайте суспензии уравновеситься до комнатной температуры в течение 2 часов.
- Вставьте поршень и тщательно перемешайте содержимое, удаляя осадок со дна цилиндра. Завершите перемешивание двумя или тремя легкими взбиваниями. В качестве альтернативной процедуры смешивания закройте цилиндр и используйте встряхивание из стороны в сторону в течение 1 минуты. Добавьте 2 мл амилового спирта на поверхность суспензии, покрытой пеной.Повторите процесс и определите показания ареометра на холостом растворе и с точностью до ± 0,5 г л -1 как «RC1».
- Осторожно опустите ареометр в суспензию через 30 секунд, снимите показания через 40 секунд и запишите с точностью до ± 0,5 г L -1 как «R песок».
- Осторожно снимите ареометр, промойте и вытрите насухо.
- Через 6 часов запишите температуру суспензии с точностью до ± 1 o C. Используя значения поправки на температуру в Таблице 1, определите время оседания для 2.Размер фракции 0 мкм. В зависимости от времени, прошедшего после начала осаждения, осторожно снова вставьте ареометр, снимите показания и запишите как «R глина» с точностью до ± 0,5 г L -1 . Повторите процесс определения показаний ареометра на холостом растворе и запишите как «RC2» с точностью до ± 0,5 г л -1 .
Таблица 1: Влияние температуры суспензии на определение почвенной глины (2 мкм) ареометром на основе плотности частиц 2,65 г / см3 и плотности раствора 0.5 г L -1 .Температура o C Время отстаивания глины (часы и минуты) 18 8:09 19 7:57 20 7:45 21 7:35 23 7:13 24 7:03 25 6:53 26 6:44 7 28 6:27 Расчеты
Сообщать результаты с точностью до 0.Содержание 1%:
- Песок% = ((сухая масса почвы в печи) — (Rsand — RC1)) / (масса сухой почвы в печи) x 100
- % глины = (Rclay — RC2) / (сухая в печи масса почвы) x 100
- Ил% = 100 — (Песок% + Глина%)
Ссылка и ссылка на протокол
Гавлак Р., Д. Хорнек и Р. Миллер. 2005. Контрольные методы растений, почвы и воды для Западного региона. Публикация Western Regional Extension Publication (WREP) 125, Технический комитет WERA-103, http: // www.naptprogram.org/files/napt/western-states-method-manual-2005.pdf.
Важность распределения частиц по размерам подчеркнута в предлагаемых стандартах ASTM для грунтов и горных пород
Гранулометрический состав, также известный как градация, относится к пропорциям по сухой массе почвы, распределенным по определенным диапазонам размеров частиц. Градация используется для классификации почв для инженерных и сельскохозяйственных целей, поскольку размер частиц влияет на то, насколько быстро или медленно вода или другая жидкость движется через почву.Два предложенных новых стандарта ASTM предоставляют методы испытаний для определения размера частиц.
ASTM WK11776, Методы испытаний для гранулометрического состава (градации) мелкозернистых почв с использованием седиментационного (ареометрического) анализа, и ASTM WK38106, Испытательный метод для гранулометрического анализа почв, сочетающий методы сита и осаждения. Подкомитетом D18.03 по характеристикам текстуры, пластичности и плотности почв, частью комитета ASTM D18 по почвам и камням.
«Знание гранулометрического состава почвы важно по разным причинам и для множества применений», — говорит Кендра Адамс, старший инженер по обеспечению качества Fugro Consultants Inc. и член D18. «Результаты градации влияют на дизайн земляных дамб, дамб и свалок».
После утверждения предлагаемые стандарты будут полезны специалистам в нескольких областях:
• Инженеры-строители и инженеры-геотехники для оказания помощи в проектировании или выработке рекомендаций в отношении участка проекта, особенно в отношении отвода воды;
• Геологи в определении условий осадконакопления и происхождения;
• Агрономы для оказания помощи с дренажом или доставкой питательных веществ к посевам;
• Регулирующие органы и органы по аккредитации для согласованного и принятого метода оценки лабораторий; и
• Лаборатории для определенного метода выполнения теста.D18.03 приветствует участие в разработке стандартов всех заинтересованных сторон.
ASTM International приветствует участие в разработке своих стандартов. Для получения дополнительной информации о том, как стать членом ASTM, посетите www.astm.org/JOIN.
Чтобы узнать больше о новостях в этом секторе, посетите сайт www.astm.org/sn-environmental или подпишитесь на нас в Twitter @ASTMEnvironment.
Комитет ASTM D18 Следующее заседание: 22-25 июня 2014 г., июньская неделя комитета, Торонто, Онтарио, Канада
Контактное лицо по техническим вопросам: Кендра Адамс, Fugro Consultants Inc., Литтлтон, Колорадо, телефон: 636-357-4730; ksarocksu@yahoo.com
Контактное лицо персонала ASTM: Роберт Морган, телефон: 610-832-9732; rmorgan@astm.org
Контактное лицо по связям с общественностью ASTM: Барбара Шиндлер, телефон: 610-832-9603; bschindl@astm.orgВыпуск № 9575
Лог-кубический метод построения кривой распределения размеров частиц в почве
Распределение частиц по размерам (PSD) является фундаментальным физическим свойством почвы. Традиционно кривую PSD строили вручную из ограниченных данных анализа размера частиц, что является субъективным и может привести к значительной неопределенности в кривой PSD от руки и графически оцененных кумулятивных процентах частиц.Чтобы преодолеть эти проблемы, был предложен лог-кубический метод построения кривой PSD на основе метода монотонной кусочно-кубической интерполяции. Лог-кубический метод и обычно используемые логарифмически-линейные и логарифмически сплайновые методы были оценены методом перекрестной проверки с исключением по одному для 394 образцов почвы, извлеченных из базы данных ЮНСОДА. Средняя ошибка и среднеквадратичная ошибка перекрестной проверки показывают, что лог-кубический метод превосходит два других метода. Что еще более важно, кривая PSD, созданная лог-кубическим методом, удовлетворяет основным требованиям кривой PSD, то есть проходит через все измеренные данные и является как гладкой, так и монотонной.Предлагаемый лог-кубический метод обеспечивает объективный и надежный способ построения кривой PSD на основе ограниченных данных анализа почвенных частиц. Этот метод и полученная кривая PSD могут быть использованы для преобразования различных схем текстуры почвы, оценки структуры профилирования и оценки гидравлических параметров почвы и коэффициента эродируемости.
1. Введение
Гранулометрический состав (PSD) является фундаментальным физическим свойством почв, которое может быть описано кривой PSD совокупного процентного содержания частиц в зависимости от логарифма размера частиц.Кривая PSD предоставляет подробную информацию о почве, такую как образец сортировки и фракции песка, ила и глины для определения классов текстуры почвы [1]. Это также полезно для преобразования различных схем текстуры почвы [2]. Более того, эти текстурные фракции легче получить из анализа размера частиц или из существующей базы данных о почвах, поэтому они обычно используются в качестве основных исходных данных для оценки других свойств почвы, которые трудно получить, таких как гидравлические свойства [3–5] и коэффициент эродируемости почвы. [6, 7].
На практике анализа размера частиц доступны только ограниченные данные по совокупному процентному содержанию частиц в зависимости от размера частиц. Традиционно эти ограниченные данные наносились на график в полулогарифмических координатах, а затем эти точки плавно соединялись вручную для создания гладкой и монотонной кривой PSD. После создания кривой PSD совокупный процент при неизмеренном размере и характерный размер частиц, соответствующий заданному совокупному проценту, можно оценить по кривой графически.Однако предыдущие процессы являются субъективными, что может привести к значительной неопределенности в кривой PSD от руки и графической оценке совокупного процентного содержания частиц и характерного размера частиц [8]. Чтобы преодолеть субъективность кривой PSD от руки, были использованы методы регрессии и интерполяции, а также процедура подобия для оценки совокупного процентного содержания частиц при неизмеренных размерах частиц.
Метод регрессии был использован для аппроксимации кривой PSD с помощью различных эмпирических формул [9, 10], которые были оценены с данными измерений из разных частей мира [11–13].Эти эмпирические кривые PSD могут отражать тенденцию кумулятивного процентного содержания, изменяющегося в зависимости от размера частиц, и могут использоваться для оценки гидравлических свойств почвы [4, 14]. Однако подогнанные эмпирические кривые могут быть недостаточно гибкими для отображения PSD различных типов почв. Кроме того, они обычно не пропускают измеренные данные, что не соответствует основному требованию кривой PSD.
Процедура подобия для оценки совокупного процента при указанном неизмеренном размере образца почвы основана на сходстве PSD между рассматриваемым грунтом и набором внешних справочных данных [15], при условии, что данные, соответствующие указанному размеру частиц, были доступны из набора справочных данных.Следовательно, эта процедура не подходит для создания непрерывной кривой PSD. Кроме того, поскольку для поиска почв с аналогичными PSD требуется большой набор внешних справочных данных, эта процедура использовалась нечасто из-за отсутствия соответствующего набора справочных данных.
Метод интерполяции также использовался для аппроксимации PSD с помощью функции, проходящей через измеренные данные, что аналогично искусственно построенной кривой PSD. Основные методы интерполяции кривых PSD включают лог-линейную интерполяцию [15, 16] и кубический сплайн [8].Кривая лог-линейной интерполяции может гарантировать монотонность кривой PSD, но она не является гладкой. Кубический сплайн гладкий, но монотонный только в заданных условиях измеренных данных [17]. В некоторых случаях кубический сплайн может давать непрактичные результаты, которые можно преодолеть, изменив непрактичные результаты результатами регрессионного анализа или разделив весь диапазон размеров частиц на два сегмента и построив сплайн для каждого сегмента [8]. Однако эти изменения могут быть применимы только к определенным условиям.По-прежнему необходимо найти простой и надежный метод построения кривой PSD на основе ограниченных данных.
Основная цель этого исследования заключалась в том, чтобы предложить лог-кубический метод для создания кривой PSD на основе ограниченных данных анализа почвенных частиц, который основан на методе монотонной кусочно-кубической интерполяции [17]. Этот метод был оценен с использованием метода перекрестной проверки с исключением по одному для 394 образцов почвы, извлеченных из базы данных UNSODA [18].
2. Материалы и методы
2.1. Логико-кубический метод
Обычно кумулятивные проценты частиц доступны для ограниченных размеров на основе анализа размера частиц почвы. Предположим, что имеются точки (),, где — совокупный процент частиц, соответствующий размеру частиц. Поскольку кривая PSD является одновременно гладкой и монотонной, ее можно аппроксимировать с помощью метода монотонной кусочно-кубической интерполяции [17].
Учитывая, что размер частиц охватывает несколько порядков и кривая PSD построена в полулогарифмических координатах, при интерполяции использовался логарифм размера частиц ().Подобно лог-линейному методу, предложенный метод получил название лог-кубического метода. Лог-кубическая интерполяционная функция состоит из кубических полиномиальных сегментов, определенных в интервалах размера частиц, которые могут быть описаны с помощью (1) и (2): где — отрезок для интервала размеров частиц,,, и обозначают наклон в узлах и, соответственно. Уклон в узле можно оценить по длинам и первым разделенным разностям двух соседних интервалов [17, 19].Этот метод интерполяции использовался в нескольких областях почвенных и сельскохозяйственных наук [20–22].
Функция лог-кубической интерполяции, определенная в (1), проходит через все измеренные точки и является как гладкой, так и монотонной, что соответствует основным требованиям кривой PSD.
Для сравнения также использовались широко используемые методы логарифмической линейной [15, 16] и логарифмической сплайнов [8]. Функция лог-линейной интерполяции для PSD может быть описана как (3): где — отрезок лог-линейной интерполяционной функции,, для.
Лог-сплайн-метод для PSD основан на интерполяции кубическим сплайном versus, что можно описать как (4): где — сегмент функции интерполяции лог-сплайном,, для; — вторая производная в узле, которая может быть определена из условия непрерывности первой производной кубического сплайна [19].
Процедура интерполяции была выполнена функцией «interp1» пакета Matlab [19], как описано в (5): где и — размерные массивы логарифма измеренного размера и совокупного процента соответственно; представляет собой массив, представляющий желаемую классификацию логарифма размера частиц; — интерполированный совокупный процент, соответствующий lndc; и «метод» определяет методы интерполяции, где «линейный», «сплайн» и «кубический» относятся к кусочно-линейной интерполяции, кубической сплайн-интерполяции и монотонной кусочно-кубической интерполяции соответственно.
2.2. Оценка методов лог-кубической, лог-линейной и лог-сплайновой
Для оценки эффективности лог-кубических, лог-линейных и лог-сплайновых методов был проведен метод перекрестной проверки с исключением одного исключения. с использованием данных о размере частиц, извлеченных из базы данных UNSODA [18].
В процедуре перекрестной проверки данные одного размера частиц были исключены и интерполированы с оставшимися данными. Учитывая граничный эффект интерполяции, данные о первых двух и последних двух размерах частиц не были исключены в процессе проверки.Интерполированные значения сравнивались с пропущенными измеренными значениями для вычисления средней ошибки (ME) и среднеквадратичной ошибки (RMSE) с помощью (6), которые затем использовались для оценки эффективности методов интерполяции: где — номер степени крупности и — интерполированные значения совокупного процентного содержания частиц.
С учетом требований к данным для интерполяции и перекрестной проверки были рассмотрены почвы с пятью или более градациями размера частиц. В результате из базы данных UNSODA [18] было доступно 394 образца почвы с размером частиц от 5 до 16, среди которых 94.2% имеет номер сорта от 6 до 9.
Среди этих образцов данные о размере частиц 353 образцов охватывают диапазон от 2 мкм м до 2000 мкм мкм, которые могут использоваться для определения глины (<2 мкм м), ил (2 ~ 50 мкм м) и песок (50 ~ 2000 мкм м) фракции напрямую или путем интерполяции. Гранулометрический состав этих 353 образцов почвы охватывает широкий диапазон текстуры почвы (рис. 1).
2.3. Создание кривой PSD
После того, как был выбран метод интерполяции кривой PSD, кривая PSD может быть автоматически сгенерирована из измеренных данных,,, с помощью следующей процедуры.(1) Определение размеров частиц для интерполяции. Каждый интервал размера частиц,,, делится на подинтервалы с конечными точками, определенными в (7): Следовательно, точки используются для интерполяции. Чтобы гарантировать гладкость кривой PSD, она должна быть не менее 50 и использовалась в этом исследовании. (2) Интерполяция совокупных процентных соотношений частиц (), соответствующих измеренным данным, с использованием соответствующего метода интерполяции. (3) Точки графика для измеренные данные анализа размера частиц,,, в полулогарифмических координатах.(4) Соедините интерполированные точки,,,, с отрезками поочередно в одних и тех же полулогарифмических координатах.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Оценка методов интерполяции
Монотонность и гладкость являются основными требованиями кривых PSD. Основываясь на принципах трех методов интерполяции, лог-линейный метод может гарантировать монотонность интерполированной кривой PSD, метод логарифмических сплайнов может гарантировать гладкость интерполированной кривой PSD, в то время как лог-кубический метод может гарантировать как монотонность, так и гладкость. интерполированной кривой PSD.Следовательно, лог-кубический метод существенно превосходит лог-линейный и лог-сплайн методы.
Лог-линейный, логарифмический сплайн и лог-кубический методы были оценены методом перекрестной проверки с исключением по одному для 394 образцов почвы, извлеченных из базы данных UNSODA [18]. Средние значения ME этих трех методов составляют -0,4%, -0,6% и -0,6% соответственно, что очень близко к идеальному значению 0. Средние значения RMSE составляют 8,6%, 6,8% и 6,3%. соответственно, что указывает на то, что лог-кубический метод превосходит два других метода в среднем смысле.
Децили ME и RMSE этих трех методов показаны на рисунке 2. Результаты показывают, что большинство децилей ME лог-кубического метода более близки к идеальному значению 0, чем те, которые используются для лог-линейных и лог-сплайнов. методы. Что касается ME, лог-кубический метод превосходит лог-линейный и лог-сплайновый методы для 75% и 50% образцов почвы соответственно. С другой стороны, все децили RMSE лог-кубического метода меньше, чем у лог-линейного метода, и меньше или немного больше, чем у лог-сплайнового метода.Что касается RMSE, лог-кубический метод превосходит лог-линейный и лог-сплайновый методы для 95% и 84% образцов почвы соответственно. Следовательно, лог-кубический метод превосходит лог-линейный и лог-сплайн методы для интерполяции PSD.
Nemes et al. (1999) [15] использовали четыре процедуры для оценки совокупного процента при неизмеренном размере частиц, включая методы лог-линейной и сплайн-интерполяции, метод регрессии кривой Гомперца и метод подобия. Их результаты перекрестной проверки показывают, что метод подобия является наиболее эффективным, который дал самый низкий RMSE в диапазоне от 2% до 11% для различных расстояний между пределами размеров частиц.Значение RMSE настоящего лог-кубического метода составляет 6,3%, что соответствует более низким или средним значениям RMSE метода подобия при меньших расстояниях между пределами размеров частиц [15]. Более того, лог-кубический метод не требует большого набора внешних эталонных данных и может использоваться для оценки совокупного процентного содержания частиц при любом размере в диапазоне PSD. Вычисление лог-кубического метода намного проще, чем вычисление метода подобия. Следовательно, лог-кубический метод подходит для оценки совокупного процента при неизмеренном размере частиц.
3.2. Сравнение сгенерированных кривых PSD
Используя логарифмически-линейные, логарифмически сплайновые и лог-кубические методы, совокупный процент частиц неизмеренных размеров можно оценить на основе измеренных данных и использовать для построения кривой PSD. На рисунке 3 показаны две кривые PSD для двух образцов почвы, полученные на основе 7 измеренных данных. Все сгенерированные кривые PSD проходят через измеренные данные, что является важным требованием методов интерполяции. Для лог-линейного метода полученные кривые PSD являются монотонными, но не гладкими.Для метода лог-сплайна сгенерированные кривые PSD являются гладкими, но не монотонными, поскольку интерполированный кубический сплайн является монотонным только в определенных условиях измеренных данных [17]. Непрактичные колебания в этих кривых PSD показывают, что сам по себе метод логарифмических сплайнов не подходит для создания кривой PSD, если он не изменен каким-либо образом [8]. В то время как для лог-кубического метода сгенерированные кривые PSD являются как гладкими, так и монотонными, что соответствует основным требованиям кривой PSD. Кривые PSD других почв, полученные с помощью лог-кубического метода, соответствуют этим основным требованиям.Эти символы такие же, как у традиционных кривых PSD от руки, но настоящий результат является объективным и не зависит от лиц, участвующих в нем.
По сравнению с другими методами построения кривой PSD, лог-кубический метод превосходит метод произвольной формы по своей объективности, превосходит лог-линейный метод по гладкости и точности интерполированной кривой PSD и превосходит логарифмический метод. -сплайновый метод в монотонности интерполированной кривой PSD. Следовательно, предлагаемый лог-кубический метод обеспечивает объективный и надежный способ создания кривой PSD на основе ограниченных данных анализа почвенных частиц с удовлетворительной точностью.
3.3. Применение лог-кубического метода
Лог-кубический метод и полученные кривые PSD могут использоваться для оценки совокупного процента частиц при неизмеренных размерах и для оценки характерных размеров частиц, соответствующих заданным совокупным процентам частиц. Эти результаты могут быть использованы в дальнейшем для преобразования различных схем текстуры почвы, оценки структуры сортировки и оценки гидравлических параметров почвы и коэффициента эродируемости.
3.3.1. Оценка кумулятивного процента частиц при неизмеренном размере
Одним из способов прямого использования лог-кубического метода и созданной кривой PSD является оценка совокупного процента частиц при неизмеренных размерах, что необходимо при преобразовании различных схем текстуры почвы.
Существуют различные схемы классификации размера частиц почвы в разных странах и в разных областях [1], такие как схемы Международного общества почвоведов (ISSS), Министерства сельского хозяйства США (USDA).Несовместимость разных схем может вызвать значительные затруднения и неудобства, и необходимо преобразовать разные схемы классификации в желаемую [2, 15]. Это преобразование важно для достижения совместимости между различными схемами классификации [15]. Кроме того, это также полезно для оценки гидравлических параметров почвы и коэффициента эродируемости [8] на основе имеющихся функций педотрансфера, когда используются различные схемы классификации. Например, в программе ROSETTA для оценки гидравлических параметров почвы с функциями педотрансфера [3] гидравлические параметры почвы оценивались по текстурным фракциям почвы на основе схемы USDA и другим физическим свойствам.Когда программа ROSETTA используется для почв с текстурными фракциями почв других классификационных схем, требуется преобразование имеющейся схемы в схему USDA.
В этом процессе преобразования можно использовать лог-кубический метод, который позже был проиллюстрирован на двух образцах почвы, показанных на рисунке 3.
Для почвы № 1010, показанной на рисунке 3 (а), глина (<2 мкм м), ил (2 ~ 50 мкм м) и песок (50 ~ 2000 мкм м) схемы USDA могут быть определены непосредственно из данных измерений, которые составляют 3%, 14% и 83%, соответственно.Текстура почвы классифицируется как супесчаный песок по схеме USDA. Однако текстурные фракции недоступны для схемы ISSS, где предел между илом и песком составляет 20 мкм м. Совокупный процент частиц при 20 мкм м можно оценить с помощью лог-кубического метода, который составляет 10,7%. Следовательно, фракции глины (<2 мкм м), ила (2 ~ 20 мкм м) и песка (20 ~ 2000 мкм м) схемы ISSS могут быть оценены как 3%, 7,7%, и 89,3% соответственно, а текстура почвы относится к песку.
Напротив, текстурные фракции почвы по схеме ISSS могут быть определены непосредственно из данных измерений для почвы №. 1490 (рис. 3 (b)), что составляет 15,8%, 27,3% и 56,9% для частиц глины, ила и песка, соответственно. По механическому составу почвы относятся к супесчаным суглинкам. Совокупный процент частиц при 50 мкм м можно оценить с помощью лог-кубического метода, который составляет 90,0%. Тогда фракции глины, ила и песка по схеме USDA могут быть оценены как 15,8%, 74,2% и 10.0%, соответственно, и структура почвы классифицируется как илистый суглинок в схеме USDA.
3.3.2. Оценка характерных размеров частиц, соответствующих указанным кумулятивным процентам частиц
Характерные размеры частиц — это размеры, соответствующие указанным кумулятивным процентам частиц, например,,, и соответствующие кумулятивным процентам частиц 10, 30, 50 и 60 соответственно. Эти характерные размеры частиц являются важными данными при оценке структуры сортировки почвы с индексом однородности, определяемым как и при оценке гидравлических свойств почвы по эмпирическим или полуэмпирическим формулам [23, 24].Однако эти размеры частиц не могут быть получены непосредственно из результатов анализа размера частиц. Обычно они определялись графически по кривой PSD от руки, которая является субъективной и подверженной ошибкам. Эта проблема может быть решена путем обратной интерполяции кривой PSD.
В процессе создания кривой PSD были доступны плотные точки размера частиц по сравнению с совокупным процентным содержанием частиц с использованием лог-кубического метода, а именно,,. Эти точки можно использовать в обратной интерполяции для оценки характерных размеров частиц аналогично (5), как описано в (8): где и относятся к и,, соответственно; представляет собой желаемое совокупное процентное содержание частиц, такое как 10, 30, 50 и 60; — интерполированные характерные размеры частиц, соответствующие.
Например,,, и почвы №. 1010, показанные на рисунке 3 (а), оцениваются с использованием метода лог-кубической интерполяции, которые составляют 17,8 мкм м, 114,0 мкм м, 164,5 мкм м и 192,0 мкм м соответственно. Тогда индекс однородности можно оценить как 10,8, что указывает на хорошо сортированную почву.
Следует подчеркнуть два момента в отношении ранее упомянутого процесса обратной интерполяции. Во-первых, желаемый совокупный процент частиц должен находиться в диапазоне измеренных значений, поскольку результаты экстраполяции могут оказаться непрактичными.Например, для почвы нет. 1490 (рис. 3 (b)) не может быть оценен удовлетворительно с использованием ранее упомянутого метода обратной интерполяции или других подобных методов. Во-вторых, значения кумулятивного процентного содержания частиц должны быть разными, что требуется для методов интерполяции. Например, значения кумулятивного процентного содержания частиц для почвы № 1490 (рис. 3 (b)) сохраняются постоянными в диапазоне размеров частиц от 630 мкм мкм до 2000 мкм мкм, которые следует опустить при обратной интерполяции.Используя данные от 2 мкм м до 630 мкм м,,, и этого грунта оцениваются в 10,3 мкм м, 24,2 мкм м и 29,2 мкм м, соответственно.
Учитывая удовлетворительную точность лог-кубического метода, этот метод обеспечивает объективный и надежный способ преобразования различных схем текстуры почвы и оценки характерных размеров частиц.
4. Выводы
Чтобы преодолеть субъективность и неопределенность кривой PSD от руки, полученной на основе ограниченных данных анализа размеров частиц, был предложен лог-кубический метод интерполяции совокупного процентного содержания частиц при неизмеренных размерах для автоматического создания кривой PSD .Сгенерированная кривая PSD проходит через все измеренные данные и является как гладкой, так и монотонной, что соответствует основным требованиям кривой PSD. Результаты перекрестной проверки с исключением по одному с использованием 394 образцов почвы показывают, что точность интерполяции лог-кубического метода является удовлетворительной по сравнению с другими методами.
Предлагаемый лог-кубический метод обеспечивает объективный и надежный способ построения кривой PSD на основе ограниченных данных анализа почвенных частиц. Этот метод и сгенерированная кривая PSD могут использоваться для оценки совокупного процентного содержания частиц при неизмеренных размерах и для оценки характерных размеров частиц, соответствующих заданным совокупным процентным содержаниям частиц, которые могут быть в дальнейшем использованы при преобразовании различных схем текстуры почвы, оценке структуры сортировки, и оценка гидравлических параметров почвы и коэффициента эродируемости.
Благодарности
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 51279077) и Национальной программой исследований и разработок в области ключевых технологий Китая (грант № 2011BAD25B05).
Применимость метода лазерной дифракции для анализа гранулометрического состава почв пяти порядков в районе водной эрозии Китая
Abstract
Гранулометрический состав почвенных частиц (PSD) является критическим параметром для оценки потерь почвы во многих моделях водной эрозии.В последние десятилетия для определения PSD почвы все шире применяется метод лазерной дифракции (LDM), и его применимость и надежность требуют систематических исследований. Задача заключалась в оценке эффективности LDM для определения PSD пяти порядков почв в регионе водной эрозии Китая по сравнению с традиционным методом сита-пипетки (SPM). В общей сложности было отобрано 465 образцов почвы в пяти субрегионах водной эрозии Китая, которые соответствуют пяти категориям почв моллисолей, альфисолей, энтисолей, инцептизолей и оксисолей.Все образцы были проанализированы с помощью LDM для четырех фракций размера, широко используемых в моделях водной эрозии (т. Е. От 100 до 2000, от 53 до 100, от 2 до 53 и <2 мкм), и соответствующие результаты сравнивались с результатами, полученными с помощью SPM. . Сравнение показывает разные результаты между LDM и SPM для содержания песка или двух фракций песка размером от 100 до 2000 и от 53 до 100 мкм. LDM постоянно переоценивал содержание ила и недооценивал глинистую фракцию, однако величина переоценки или недооценки варьировалась в зависимости от порядков почвы.Расхождения PSD сместили текстурные классы с 44,8% до 96,2% образцов почвы и, в среднем, увеличили эродируемость почвы K фактор на 0,010–0,034 т MJ –1 h мм –1 для разных почвенных порядков . Оптимальные границы глины / ила и ила / песка LDM были получены для соответствия фракциям размера, измеренным с помощью SPM. Тем не менее, за исключением границы ил / песок в 58,2 мкм для одного порядка почвы, каждая из других пороговых границ содержала коэффициент корреляции согласования Лина меньше 0.8, предполагая умеренное или плохое согласие между LDM и SPM. Также были созданы модели линейной регрессии для преобразования четырех размерных фракций между двумя методами для всех образцов, а также для каждого порядка почвы. Однако не все модели конверсии были статистически значимыми на уровне 0,05. Те, которые были значительными, варьировались среди почвенных порядков для каждой фракции размера. Эти результаты имеют важное практическое значение для определения PSD почвы и моделирования водной эрозии в Китае и других странах.
