3.1: Текстура та структура ґрунту
- Page ID
- 37892
Цілі навчання
- Диференціюйте три ґрунтові відокремлення (пісок, мул та глину) залежно від діаметрів розмірів частинок.
- Визначте відсотки піску, мулу та глини у вибраних зразках ґрунту, використовуючи дані, зібрані за допомогою методу ареометра аналізу розміру частинок.
- Оцініть текстурний клас за допомогою методу текстури за відчуттям на вибраних зразках ґрунту.
- Використовуйте фактурний трикутник для визначення фактурного класу ґрунту.
- Зрозумійте взаємозв'язок між розміром частинок та питомою площею поверхні.
Текстура і структура ґрунту вважаються «основними змінними», тобто текстура і структура безпосередньо впливають на велику кількість інших властивостей ґрунту. Наприклад, порівнюючи глинистий ґрунт та піщаний ґрунт, можна було б очікувати, що глинистий ґрунт матиме більшу питому площу поверхні, більшу ємність катіонічного обміну, більшу загальну пористість, меншу макропористість та більше органічних речовин, ніж піщаний грунт. Таким чином, просто знаючи текстуру ґрунту, можна зробити висновки щодо багатьох властивостей ґрунту. Тут текстура ґрунту буде визначена кількісно за допомогою методу ареометра та оцінюється за допомогою методу текстури за відчуттям. Також будуть спостерігатися різні типи структури грунту. Те, що ви дізнаєтеся про текстуру та структуру в цих заходах, буде використано пізніше під час польових поїздок з ґрунту для опису профілів ґрунту в полі.
Матеріали
- Три ґрунти відомих текстур
- Гексаметафосфат натрію
- Пляшки для бризок, наповнені водопровідною водою
- Лабораторні залишки з точністю до 0,01 г
- Циліндри для випробування ґрунту, об'ємом 1 л (пункт #200231000, Kimble™ Kimax™ Циліндри для випробування ґрунту)
- Ареометри калібровані в одиницях г/л (Артикул #13 -202-133 Fisherbrand™ Аналіз ґрунту ASTM Ареометр)
- Цифрові термометри з точністю до 0,1° C
- Міксери для молочного коктейлю та чашки міксера для молочного коктейлю з нержавіючої сталі (Hamilton Beach HMD400 120V Потрійний шпиндельний комерційний напій міксер, Гамільтон Біч, Глен Аллен, Вірджинія, США)
Рекомендоване читання
- Око на сільське господарство сьогодні: текстура грунту по відчуттю (KSRevideos, 2010)
- Профілювання ґрунту: структура (KSRVideos, 2011c)
- Оцінка текстури ґрунту за відчуттям (Преслі та Тієн, 2008)
Призначення передлабораторії
Використовуючи рекомендовані ресурси для читання та перегляду та введення в цю лабораторію, розглянемо наведені нижче питання. Ці визначення/питання нададуть стислий виклад основних концепцій, які будуть розглянуті в лабораторії. Вони також послужать основою для післялабораторної вікторини та є корисними навчальними записками до іспитів.
- Визначте та поясніть різницю між текстурою ґрунту та структурою ґрунту.
- Створіть таблицю, в якій перераховані розміри частинок піску, мулу та глини за критеріями USDA.
- Що таке фактурний трикутник?
- Що таке закон Сток і як він використовується в ґрунтознавстві?
- Визначте питому площу поверхні та поясніть її зв'язок з розмірами частинок ґрунту.
Вступ
Текстура грунту відноситься до пропорцій піску (2,0 — 0,05 мм в діаметрі), мулу (0,05 — 0,002 мм) і глини (менше 0,002 мм). Відносні пропорції визначають фактурний клас. Текстура ґрунту впливає майже на всі аспекти використання та управління ґрунтом. Багато фізико-хімічні властивості грунту залежать від того, наскільки дрібна (глиниста) або груба (піщана) грунт. Текстура ґрунту є постійною особливістю, якщо ґрунти не піддаються швидкій ерозії, осадженню або видаленню.
Більш того, значна частина реакційної здатності ґрунтів пов'язана з кількістю наявної площі поверхні. У міру зменшення середнього розміру частинок площа поверхні на одиницю ваги збільшується (див. Таблицю 7.1).
| Окремий | Діаметр (мм) | Частинки/г | Питома площа поверхні (см ^ 2/г) |
|---|---|---|---|
| Дуже звичайно пісок | 2,00 - 1,00 | 90 | 11 |
| крупний пісок | 1,00 - 0,50 | 720 | 23 |
| Середній пісок | 0,50-0,25 | 5 700 | 45 |
| Дрібний пісок | 0,25-0,10 | 46 000 | 91 |
| Дуже дрібний пісок | 0,10-0,05 | 722 000 | 277 |
| мул | 0,05-0,002 | 5 776 000 | 454 |
| Глина | < 0,002 | 90 260 000 000 | 8 000 000 |
Практично будь-який тип землеустрою буде впливати на текстуру. У таблиці 7.2 наведено резюме факторів управління ґрунтом, пов'язаних з текстурою.
| водні відносини | Піщані грунти | суглинні грунти | глинисті грунти |
|---|---|---|---|
| Інфільтрація—потрапляння поверхневих вод у ґрунт. Протилежність потенціалу стоку |
Швидкий | Середній до повільного | Дуже швидко, якщо тріщини присутні; повільний, якщо немає тріщин |
| Перколяція — внутрішній водовідведення та вилуговування |
Надмірна | Добре | Справедливо-бідні |
| Зберігання води - доступне для використання на рослині | Дуже низький | Середній | Високі |
| Аерація — рух кисню в прикореневу зону |
Дуже добре | Помірний | Бідні |
| Обробіток ґрунту та ерозія Необхідна потужність обробітку грунту |
Низький | Середній | Високі |
| Оброблюваність — простота підготовки насіннєвого ложа | Легко | Середній | Складний |
| Еродивність Небезпека вітрової ерозії |
Високі | Низький | Середній |
| Небезпека водної ерозії | Низький | Високі | Низький до середнього |
| Хімічні відносини потенціал родючості (зберігання поживних речовин) |
Низький | Середній | Високі |
| Хімічні рекомендації - ставки на акр |
Низький | Середній | Високі |
Діяльність 1: Текстурний трикутник
Ґрунти з подібним розподілом піску, мулу та глини мають схожі властивості і тому групуються в один і той же ґрунтовий текстурний клас. Розпізнаються дванадцять текстурних класів, а їх композиції позначаються на фактурному трикутнику (рис. 7.1). Вивчіть розташування трикутника. Кожен кут являє собою 100% або піску, мулу або глини, і кожен представляє від 0 до 100% даної фракції. Пропорції піску, мулу та глини визначають дванадцять класів. На малюнку 7.1 зображений грунт з 20% піску, 25% мулу та 55% глини. Ці три лінії перетинаються в межах фактурного класу «Глина», тому грунт являє собою глинистий грунт.
Використовуючи ту саму процедуру, визначте текстурні назви класів для ґрунтів, описаних у таблиці 7.3, і побудуйте кожен результат на текстурному трикутнику на малюнку 7.2.
| % піску | % мулу | % Глина | Текстуральний клас | |
|---|---|---|---|---|
| 1. | 33 | 33 | 34 | |
| 2. | 55 | 30 | 15 | |
| 3. | 80 | 5 | 15 | |
| 4. | 25 | 60 | 15 | |
| 5. | - | 20 | 50 | |
| 6. | 60 | - | 30 | |
| 7. | 40 | 40 | - |
Діяльність 2: Оцінка текстури ґрунту за відчуттям
Грунтознавцю часто потрібно оцінити текстуру ґрунту, перебуваючи в полі або коли лабораторні дані про кількість піску, мулу та глини недоступні. З практикою ви можете навчитися оцінювати текстуру, просто відчуваючи або маніпулюючи вологим зразком.
Щоб навчитися цій техніці, розглянемо спрощений і узагальнений варіант фактурного трикутника (рис.5.3). Цей модифікований трикутник складається з трьох ярусів на основі приблизного вмісту глини. Глини дуже згуртовані, пластичні і легко піддаються формуванню. Глиняні суглинки є проміжними за змістом глини, згуртованості та легкості формування. Суглинки - це ґрунти, досить низькі за вмістом глини, щоб мати невелику згуртованість і їх важче формувати. Піски не утворюють стійких форм при формуванні.
Використовуючи процедуру, викладену на малюнку 7.4, визначають текстуру на зразках, наданих в лабораторії. Робота зразка при належній вологості дуже важлива. Зразок повинен бути зволожений на всьому протязі. Досягнення правильного стану вологи може зайняти кілька хвилин. Після зволоження та перемішування грунту до належної консистенції виконайте стрічковий тест, тест на зернистість та тест на гладкість, як описано на схемі. Спробуйте оцінити текстуру зразків, після чого перевірте надані відповіді. Після того, як ви відкалібрували пальці на практичних зразках, визначте текстуру для непізнаних наданих зразків і введіть свою оцінку в таблицю 7.3.
Для непізнаних зразків запишіть довжину стрічки, переважне вологе відчуття (гладке, зернисте, ні) та текстурні назви класів, визначені методом відчуття, показаним у таблиці 7.3.
| Чи робить це м'яч? | Це робить стрічку? | Довжина стрічки | Переважають вологе відчуття | Текстуральний клас | |
|---|---|---|---|---|---|
| 1. | |||||
| 2. | |||||
| 3. |
Діяльність 3: Аналіз розміру частинок за допомогою ареометра
Аналіз розміру частинок заснований на принципі, що частинки різного розміру потрапляють через рідину з різною швидкістю.
Частка, що потрапляє в рідину, піддається 3 силам: гравітації, плавучості і тертю (рис. 7.5). Сили тяжіння та плавучості постійні, але сила тертя збільшується зі збільшенням швидкості (як сила опору на літаку збільшується, оскільки вона йде швидше). Через цю зростаючу силу тертя частка в кінцевому підсумку досягає постійної швидкості (кінцевої швидкості). Постійна швидкість виникає, коли сума сил, що діють на частку, дорівнює нулю, або прискорення дорівнює нулю.
Закон Стока виводиться шляхом встановлення рівняння, що містить три сили, що діють на частинку, коли прискорення дорівнює нулю:
\[\text{Force of gravity }=\text{ force of buoyancy }+\text{ force of friction}\]Ці сили визначаються з наступних співвідношень:
Сила тяжіння
\[\text{Force of gravity }=\text{ mass of particle }\times\text{ acceleration of gravity}\] \[\text{Mass of particle }=\text{ Volume of particle }\times\text{ density of particle}\]Тому,
\[\text{Force of gravity }=\text{ volume of particle }\times\text{ density of particle}\times\text{ acceleration of gravity}\]Сила плавучості
\[\text{Force of buoyancy }=\text{ mass of water displaced by particle }\times\text{ acceleration of gravity}\] \[\text{Mass of displaced water }=\text{ volume of particle }\times\text{ density of water}\]Тому,
\[\text{Force of buoyancy }=\text{ volume of particle }\times\text{ density of water}\times\text{ acceleration of gravity}\]Сила тертя
Сила тертя - це функція розміру частинки, швидкості частинки та в'язкості води.
\[\text{Friction force }=6π\times\text{ viscosity }\times\text{ radius of particles}\times\text{ velocity}\]Після підстановки відповідних складових сил в рівняння його можна вирішити для кінцевої швидкості:
\[\text{Velocity }=\frac{\text{ particle diameter}^2\times\text{ acceleration due to gravity}\times(\text{ particle density}-\text{ liquid density})}{18\times\text{viscosity of liquid}}\]Врахуйте, що чим більше діаметр частинки, тим швидше вона осідає (піщинки осідуть швидше мулових частинок, які осядуть швидше глинистих частинок). Також щільність і в'язкість води змінюються в залежності від температури, тому на швидкість осідання буде впливати температура води (рис. 7.6).
Закон Стока можна спростити, вказавши температуру води:
\[\text{Velocity }(\text{cm s}^2)=\text{K}\times(\text{diameter of particle in cm})^2\]Де K (см -1 с -1) - постійна, що включає щільність води і в'язкість і прискорення за рахунок сили тяжіння. Оскільки швидкість - це відстань/час, це рівняння може бути вирішено для часу, необхідного для того, щоб частка заданого діаметра впала на задану відстань.
\[\text{Velocity }=\frac{\text{distance}}{\text{time}}=\text{K}\times(\text{diameter})^2\]Тому,
\[\text{Time}=\frac{\text{distance}}{\text{K}\times(\text{diameter})^2}\]Таким чином, для частинки заданого діаметра можна розрахувати час, необхідний для того, щоб частка випала на задану відстань.
Розглянемо цей приклад: Скільки часу знадобиться 0,05-мм частинка, щоб впасти 10 см у воду при 25° C?
При 25°C К = 10000 см -1 с -1. Підставляючи це значення та діаметр (0,005 см) у вищевказане рівняння, виходить:
\[\text{Time}=\frac{10\text{ cm}}{10000\text{ cm}^{-1}\text{ s}^{-1}\times(0.005\text{ cm})^2}=\frac{10}{0.25\text{ cm s}^{-1}}=40\text{s}\]Таким чином, через 40 секунд верхні 10 см грунтово-водної суспензії повністю звільняються від всіх частинок 0,05 мм і більше, тому вона вільна від піску і містить тільки мул і глину.
Давайте зробимо такий же розрахунок для частинки 0,002-мм, яка є верхньою межею діапазону глини.
\[\text{Time}=\frac{10\text{ cm}}{10000\text{ cm}^{-1}\text{ s}^{-1}\times(0.002\text{ cm})^2}=\frac{10}{0.0004\text{ cm s}^{-1}}=6.94\text{hr}\]Так, через 6 годин 56 хвилин верхні 10 см грунтово-водної суспензії звільняються від всіх частинок 0,002 мм і більше (піску і мулу), тому в ній містяться тільки глинисті частинки.
Як бачимо, Закон Стокса можна використовувати для визначення того, коли обсяг грунтово-водної суспензії буде позбавлений частинок грунту більше заданого розміру. Потім ми можемо виміряти концентрацію грунту, що залишилася в цьому обсязі. Наприклад, через 40 секунд ми можемо виміряти концентрацію грунту в суспензії у верхніх 10 см суспензії і таким чином визначити, скільки глини+мулу присутній.
У природних умовах частинки піску, мулу та глини зв'язуються між собою в заповнювачі. Ці агрегати повинні бути розбиті, щоб частинки грунту діяли незалежно один від одного. Наприклад, сукупність глиняних частинок поводиться як мулова частинка, явища, якого ми хочемо уникнути.
Дисперсія - це двоступеневий, хімічний/механічний процес. Спочатку в грунтово-водну суспензію додають гексаметафосфат натрію (як і засіб для миття посуду «Калгон®») для підвищення електронегативності грунтових глин; він викликає силу відштовхування між глинистими частинками. Потім суспензію енергійно перемішують (міксером молочного коктейлю або блендером), щоб забезпечити повну дисперсію. Відштовхуючі сили, породжені хімічною обробкою, мають тенденцію стабілізувати дисперсний стан. Дисперсія таким чином гарантує, що агреговані частинки глини не поводяться як частинки розміром з мул або пісок.
Грунтова органіка є важливим в'яжучим речовиною, тому її спочатку необхідно видалити шляхом окислення (використовуючи, наприклад, перекис водню). У грунтах з дуже низьким вмістом органіки цей крок часто опускають. Він не буде використовуватися в цій вправі.
Після належного диспергування пісок, мул та глину можна відокремити та кількісно визначити, дозволяючи частинкам осідати у воді. (ПРИМІТКА: сито зазвичай використовується для кількісної оцінки вмісту піску в зразку ґрунту, а потім ареометр для кількісної оцінки вмісту мулу та глини решти частинок. Ми будемо використовувати ареометр для всіх трьох розмірів частинок у цій лабораторній діяльності.)
Одним із методів визначення концентрації грунту в суспензії є використання ареометра для вимірювання щільності суспензії. Ареометр зазвичай використовується в польових лабораторіях. У цій вправі ми будемо використовувати ареометр, відкалібрований для читання безпосередньо в г/л суспензії.
Спрощена процедура ареометра
Хімічна дисперсія (виконується в попередній лабораторії)
- Зважте 30,0 г сухого грунту (припустимо, сухий в духовці) в колбу Ерленмейера об'ємом 250 мл.
- Промити боки колби дистильованою водою з пляшки для миття.
- Додайте 100 мл дистильованої води за допомогою градуйованого циліндра, і додайте 10 мл розчину гексаметафосфату натрію (500 г/л) з дозатора на флаконі гексаметафосфату натрію.
- Вихор перемішати.
- Промити боки колби дистильованою водою з пляшки для миття.
- Накрийте колбу параплівкою і позначте колбу з вашим лабораторним розділом та номером столу, а також типом ґрунту. Зберігайте колби в місці, зазначеному інструктором, до наступного лабораторного періоду.
Після хімічної дисперсії
- Кількісно перенесіть дисперсний зразок у металеву дисперсійну чашку (чашку міксера молочного коктейлю), заповніть до половини повної дистильованою водою та перемішайте протягом 5 хвилин відповідно до вказівок інструктора. («Кількісно перенесення» означає передати всі зразки.)
- Кількісно перенесіть пробу в 1-літровий відстійний балон.
- Наповніть балон до позначки 1000-мл дистильованою водою.
- Підвішують всі частинки грунту в осадочному циліндрі одним з наступних способів:
- Метод плунжера: Обережно вставте поршень перемішування і перемістіть вгору і вниз по всій довжині циліндра протягом 30 секунд, гарантуючи, що всі частинки ретельно перемішуються. Міцно тримайте основу циліндра іншою рукою.
- Метод пробки: Помістіть гумову пробку (один належного розміру для осадочних циліндрів) у верхню частину циліндра, і утримуючи як нижню частину циліндра, так і верхню частину пробки, енергійно перемішайте розчин, перевертаючи циліндр і повернувши його правою стороною вгору протягом 30 секунд.
- Рекордний час, коли перемішування припиняється і знімається плунжер, або коли закупорений циліндр повертається (швидко, але обережно) праворуч вгору на лабораторний стенд.
- Відразу ж вставляємо ареометр повільно і обережно. Прочитайте ареометр (верх меніска) рівно через 40 секунд після припинення перемішування або повернення циліндра на лавку. (Примітка: якщо ґрунт має багато органічних речовин, які не були видалені перед початком цього експерименту, на поверхні утворюються бульбашки. Щоб розігнати бульбашки, додайте три-п'ять крапель спирту на поверхню розчину відразу після введення ареометра.
- Повторюйте кроки з 4 по 6, поки показання не виявляться в межах 0,5 одиниць один від одного. Запишіть читання на техпаспорті.
- Визначаємо температуру суспензії і робимо поправки на температуру і на заготовку, як описано в таблиці 7.4:
- Для кожного ступеня вище 20° C додайте 0,36 до показань ареометра.
- Для кожного ступеня нижче 20° C відніміть 0,36 від показань ареометра.
- Оскільки ґрунтова суспензія також містить гексаметафосфат натрію, кожне показання ареометра необхідно коригувати, щоб врахувати вплив гексаметафосфату натрію на щільність. Встановлено «порожній» циліндр, що містить лише воду та гексаметафосфат натрію. Запишіть показання ареометра з цього циліндра і відніміть це значення з усіх показань ареометра.
- Ваш інструктор лабораторії провів вимірювання для 7-годинного читання і надасть вам дані для завершення визначення текстури ґрунту.
- Розрахунки:
Пам'ятайте, що дані показання ареометра знаходяться в г/л Оскільки обсяг в балоні становить один літр, показання дають кількість грунту в балоні. Наприклад, 7-годинне показання вказує на кількість глини (г) в циліндрі. Тому відсоток глини становить
\[\text{Percent clay}=\frac{\text{corrected 7 hr reading}}{\text{mass of dry sample}}\times100%\]40-секундне показання використовується для обчислення відсотків мулу + глини:
\[\text{Percent silt }+\text{ clay}=\frac{\text{corrected 40 s reading}}{\text{mass of dry sample}}\times100%\]Потім можна визначити відсотки мулу і піску.
\[\text{Percent silt }=(\text{percent silt}+\text{percent clay})-\text{percent clay}\] \[\text{Percent sand }=100-(\text{percent silt}+\text{percent clay})\]Використовуйте таблицю 7.4, щоб допомогти визначити текстурний клас ваших зразків. Позначте всі результати у відповідних одиницях.
Таблиця 7.5. Текстура ґрунту за даними методу ареометра.
| Ряд | Формула | Грунт А | Грунт B | Грунт С | |
|---|---|---|---|---|---|
| a | Суха маса грунту, г | ||||
| б | Середнє значення показань ареометра 40 секунд | ||||
| c | Показання ареометра з заготовки | ||||
| d | б-с | Показання ареометра виправлено для порожніх | |||
| е | Температура суспензії, перші показання | ||||
| f | д + [(е - 20) х 0,36] | 40-секундне показання ареометра з поправкою на температуру |
|||
| г | 7-годинне зчитування ареометра | ||||
| ч | Показання ареометра з заготовки | ||||
| я | г-ч | Показання ареометра виправлено для порожніх | |||
| j | Температура суспензії, друге читання | ||||
| к | i + [(j - 20) х 0,36] | 7-годинне показання ареометра з поправкою на температуру |
|||
| л | f ÷ а х 100 | Відсоток мулу+глина | |||
| м | k ÷ а х 100 | Відсоток глини | |||
| п | л-м | Відсоток мулу | |||
| o | 100 - м - п | Відсоток піску | |||
| Текстуральний клас (від трикутника) |
Таблиця адаптована з King et al. (2003)
Розрахунки текстури ґрунту методом ареометра
Діяльність 4: Структура ґрунту
Таблиця 7.6. Короткий зміст типів структури ґрунтів, описаних у мінеральних ґрунтах.
| Тип структури | Сукупний опис | Звичайне розташування |
|---|---|---|
| Гранульований | Щодо непористі, дрібні та сферичні педи; не пристосовані до суміжних агрегатів |
Горизонт |
| Платі | Агрегати пластинчасті. Плити часто перекриваються і погіршують проникність. |
E горизонт |
| Кутовий блоковий | Блокоподібні педи обмежені іншими агрегатами, гострі кутові грані яких утворюють лиття для педа. Агрегати часто розбиваються на менші блокові педи. |
B горизонт |
| Підкутові блокові | Блокоподібні педи обмежені іншими агрегатами, округлі підкутові грані яких утворюють лиття для педа. |
B горизонт |
| Призматичний | Колоноподібні ніжки без закруглених ковпачків. Інші призматичні агрегати утворюють лиття для педа. Деякі призматичні агрегати розбиваються на більш дрібні блокові педи. |
B горизонт |
| Стовпчастий | Колоноподібні педи із закругленими ковпачками, обмеженими збоку іншими стовпчастими агрегатами, які утворюють лиття для педів. |
B горизонт в лужних грунтах |
Уважно вивчіть різні типи структури, перераховані в таблиці 7.6 і показані на малюнку 7.7, а потім дайте відповідь на наступні питання.
Як блокова структура впливає на проникність глинистих ґрунтів?
Як би безструктурний масивний стан вплине на проникність?
Як маніпуляції (наприклад, обробіток грунту) вологим глинистим ґрунтом вплинуть на структуру?
Завдання: Онлайн-вікторина
Вікторина буде доступна в режимі онлайн. Будь ласка, перейдіть до нього відповідно до вказівок вашого інструктора.