Skład granulometryczny gleby – Malvern Mastersizer

Gleboznawstwo to badanie procesów chemicznych, fizycznych i biologicznych zachodzących w glebie. Zrozumienie tych procesów pozwala zoptymalizować wykorzystanie gleby w różnych obszarach, w tym rolnictwa, transportu, urbanizacji obszarów miejskich i rekreacji. Na przykład gleby piaszczyste są dobre do budowy dróg, ponieważ skutecznie odprowadzają wodę, podczas gdy w rolnictwie gleba musi być w stanie zatrzymać pewną ilość wilgoci i zawartych w niej składników odżywczych.

Wszystkie gleby składają się z materii organicznej, minerałów, wody i powietrza. Zawartość substancji stałych w glebie (skład granulometryczny gleby) zazwyczaj stanowi od połowy do dwóch trzecich całkowitej objętości. Z materii stałej proporcje materii organicznej i minerałów będą się różnić w zależności od lokalizacji i wykorzystania gleby. Minerały pochodzą z wietrzenia podłoża skalnego i są na ogół krzemianami w połączeniu z różnymi jonami metali.

Co to jest skład granulometryczny gleby (tekstura gleby)?

Szczególną właściwością gleby, która decyduje o jej przydatności do różnych zastosowań, jest tekstura. Te właściwości obejmują;

• Przesiąkliwość
• Napowietrzanie
• Podatność na erozję
• Zawartość materii organicznej
• Możliwość wymiany kationów
• Możliwość buforowania pH
• Tilth gleby

Skład granulometryczny gleby to inaczej tekstura gleby (zwany też układem gleby). Zależy od wielkości cząstek materii mineralnej w glebie. Na przykład gleby zawierające duże cząstki zapewnią lepsze odprowadzanie wody, podczas gdy gleby zawierające małe cząstki zatrzymają jej więcej. Przykładowo ma to znaczenie dla właściwego stosowania nawozów. W przypadku użycia zbyt dużej ilości nawozu na szybko osuszającej się glebie, nawóz może być wypłukiwany do wód gruntowych i spowodować szkody dla środowiska.

Jak mierzy się skład granulometryczny gleby (frakcje granulometryczne)?

Najprostszy tradycyjny sposób mierzenia składu granulometrycznego to pomiar w dłoni. Technika ta polega na zwilżeniu gleby i przetoczeniu w dłoni, przy użyciu dotyku ocenia się konsystencję gleby, w celu określenia tekstury gleby.

Teksturę gleby można również określić, mierząc rozmiar cząstek materii mineralnej w glebie. W szczególności tekstura jest związana ze względnymi proporcjami trzech frakcji lub udziałem w glebie: piasku, pyłu i iłu. Te trzy frakcje gleby różnią się rozmiarem ich cząstek. Najmniejszą frakcją jest ił, który stanowi frakcję cząstek mniejszych niż 2 μm. Cząstki w zakresie wielkości od 2 μm do 50 μm stanowią frakcję pyłu. Największymi cząsteczkami w glebie są cząstki piasku; frakcja ta obejmuje wszelkie cząstki większe niż 50 μm.

W związku z tym, że frakcja piasku to cząstki powyżej 50 μm, może ona stanowić duży udział objętościowy w glebie, stąd frakcja piasku dzielona jest bardziej szczegółowo, patrz tabela 1. Frakcja piasku rozciąga się do 2 mm, powyżej której materiał określa się jako żwir lub kamienie. Materiał większy niż 2 mm nie jest objęty definicją tekstury gleby.

Tabela 1: Wielkości frakcji gleby

W związku z powyższym, poprzez pomiar rozkładu wielkości cząstek można określić procentowy udział każdej z frakcji. Po poznaniu tych trzech frakcji można użyć trójkąta tekstury do określenia tekstury gleby. Dla przykładu gleba zawierająca 40% piasku, 56% pyłu i 4% iłu jest klasyfikowana jako pył gliniasty.

Ryc. 1: Trójkąt tekstury gleby według U.S. Department Agriculture 1975

Trójkąt tekstury dzieli regiony o różnych wartościach procentowych trzech frakcji na klasy tekstur. Ryc. 1 pokazuje trójkąt tekstury używany przez Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych. Jednak różne kraje lub regiony dzielą trójkąt tekstury nieco inaczej w zależności od występowania różnych rodzajów gleby.

Doskonałą techniką  pomiaru rozkładu wielkości cząstek gleb ze względu na szeroki zakres rozmiarów obejmowanych tą metodą jest dyfrakcja laserowa. Analizator Malvern Mastersizer 3000 może mierzyć rozmiary cząstek w zakresie od 10 nm do 3,5 mm bez konieczności zmian w optyce, czy technik wspomagających (dla mniej wymagających użytkowników dostępny jest również granulometr Mastersizer 3000E). To z łatwością pokrywa wszystkie trzy frakcje gleby i pozwala określić teksturę gleby w jednym pomiarze w czasie kilkudziesięciu sekund. Inne techniki, takie jak przesiewanie, nie będą w stanie pokryć mniejszego materiału frakcją gliny i jako takie często wymagają połączenia wyników różnych technik.

Analizatory działające w oparciu o metodę dyfrakcji laserowej określają wielkość cząstek na podstawie ścisłej zależności, że duże cząstki rozpraszają światło pod małymi kątami, a małe cząstki rozpraszają światło pod dużymi kątami. Aparat mierzy rozproszoną energię światła w szerokim zakresie kątów (także światło rozpraszane do tyłu), a następnie przelicza ją na rozkład wielkości cząstek za pomocą matematycznego modelu rozpraszania światła i właściwości optycznych materiału.

W tej nocie aplikacyjnej na analizatorze Mastersizer 3000 firmy Malvern Panalytical zmierzono kilka różnych gleb, aby zademonstrować, w jaki sposób instrument można z jednej strony łatwo wykorzystywać do pomiaru rozkładu wielkości dowolnych cząstek, a z drugiej strony oprogramowanie można wykorzystać do tak specyficznego zadania jak określenie składu granulometrycznego gleby.

Wyniki składów granulometrycznych gleb przy wykorzystaniu analizatora wielkości cząstek metodą dyfrakcji laserowej

Rozkład wielkości cząstek czterech próbek gleby zmierzono za pomocą analizatora Mastersizer. Próbki te reprezentują różne rodzaje gleby, pobrane z różnych obszarów, a zatem powinny wykazywać różne właściwości teksturalne.

Ryc. 2: Rozkład wielkości cząstek dla 4 różnych rodzajów gleby.

Pierwszą próbką jest Acrisol, którą można zaklasyfikować jako gleba gliniasta. Takie gleby bogate w glinę występują zwykle w wilgotnych obszarach tropikalnych, sprzyjając zalesianiu danego obszaru. Rozkład wielkości cząstek w tej próbce pokazano na ryc. 2, na podstawie której można stwierdzić, że składa się ona z 73% pyłu, 26% iłu i 1% piasku, co nadaje jej teksturę gliny (wg klasyfikacji uziarnienia gleb i utworów mineralnych – PTG 2008 nazwanej iłem ciężkim). Gleby o strukturze gliny zatrzymują wilgoć i składniki odżywcze. Jednak gleby te mają niską przepuszczalność wody, łatwo nasycają się wodą, co utrudnia ich eksploatację, gdyż przy takiej glebie korzenie roślin są pozbawione tlenu.

Druga gleba to Phaeozem, gleby tego typu występują głównie w Ameryce Północnej i Południowej, a także w subtropikalnej Azji. Kompozycja charakteryzuje się bogatą w próchnicę warstwą powierzchniową, która w stanie naturalnym jest pokryta trawą lub roślinnością leśną. Wysoki udział materiału organicznego sprawia, że ​​ten typ gleby jest bardzo orny, zwykle stosowany do pszenicy, soi czy na pastwiska. Rozkład wielkości pokazano na ryc. 2, gdzie zawartość iłu wynosi 2%, zawartość pyłu wynosi 81%, a zawartość piasku wynosi 17%, co nadaje tej próbce teksturę pyłu zwykłego. Gleba o strukturze pyłu prawdopodobnie będzie miała dobre właściwości zatrzymywania składników odżywczych, ale lepsze oddawanie wody ze względu na nieco większy rozmiar cząstek.

Trzecia próbka to Luvisol. Luvisole zwykle występują w płaskich lub nieco opadających krajobrazach od chłodnego klimatu umiarkowanego do ciepłego klimatu śródziemnomorskiego. Pod względem składu Luvisole mają mieszaną mineralogię, wysoką zawartość składników odżywczych i dobre odwadnianie, dzięki czemu nadają się do wielu rodzajów rolnictwa, od zbóż po winnice. Rozkład wielkości cząstek próbki Luvisol zawiera około 2% iłu, 71% pyłu i 27% piasku; definiuje to teksturę jako pył gliniasty. Grubsza tekstura tej gleby zapewnia dalsze lepsze odwodnienie w porównaniu do Phaeozem, co również ułatwia eksploatowanie gleby.

Ostatnią zbadaną próbką jest Cambisol, druga pod względem popularności gleba obejmująca 12% całkowitej powierzchni lądów kontynentalnych. Cambisole na ogół mają większy rozmiar cząstek, dając teksturę gliniastego piasku lub grubszego. Materiał ten zawiera mniej niż 35% skały macierzystej lub objętościowo gruboziarnistej i może charakteryzować się brakiem nagromadzonej gliny. Struktura i wysoka zawartość minerałów sprawiają, że Cambisols są odpowiednie dla rolnictwa. Rozkład wielkości ziaren dla Cambisolu przedstawiony na ryc. 2, który pokazuje skład 1% iłu, 22% pyłu i 77% piasku, nadając tej próbce teksturę piasku gliniastego. Grubsza tekstura tej gleby oznacza, że gleba będzie bardziej odwodniona, ale oznacza to, że będzie gorzej przyjmować składniki odżywcze i wymaga rozważnego nawożenia, aby zapobiec spływaniu i zanieczyszczeniu środowiska.

Badanie czułości

Oprócz użycia Mastersizera do pomiaru ogólnej tekstury gleby możemy również przyjrzeć się czułości systemu na zmiany w rozkładzie. Można to osiągnąć, patrząc na próbki złożone ze znanych mieszanin pyłu i piasku. Rozkłady wielkości dla oddzielnych frakcji piasku i pyłu pokazano na rycinie 3. Badane próbki zawierają mieszaninę piasku i pyłu w proporcji 50:50, a także mieszanki masowe piasku i pyłu 5:95 i 25:75 i vice versa. Rozkłady wielkości dla tych mieszanych próbek pokazano na rycinie 4. Te rozkłady wielkości można następnie wykorzystać do przetestowania, jak dokładnie Mastersizer pokazuje względne proporcje każdej frakcji.

Ryc 3: Rozkład wielkości cząstek próbki pyłu i frakcji piasku

W celu sprawdzenia proporcji piasku i pyłu w każdej próbce zastosowano procent materiału większy niż 105 μm (-6,7 Phi) jako punkt odcięcia między dwiema frakcjami. Rycina 5 pokazuje procent materiału większy niż 105 μm wykreślony w stosunku do masy piasku dodanego do każdej mieszaniny. Zastosowanie liniowego dopasowania do tych danych pokazuje doskonałą zgodność między % objętości powyżej 105 μm, a masą piasku dodanego do mieszanki. Wskazuje na to gradient 0,99 dla dopasowania liniowego i wartość R² wynosząca 0,99. Dlatego Mastersizer dokładnie raportuje objętość materiału w każdej frakcji, pokazując czułość na małe ilości zarówno grubych, jak i drobnych frakcji.

Ryc. 4: PSD dla mieszanin pyłu i piasku

Ryc. 5: Frakcja piasku a% objętości powyżej 105 µm

Wnioski

W tej nocie aplikacyjnej zastosowano dyfrakcję laserową do pomiaru rozkładu wielkości cząstek, a tym samym do określenia składu granulometrycznego czterech różnych rodzajów gleby. Zakres dynamiczny Mastersizera jest szczególnie odpowiedni do analizy gleby, ponieważ obejmuje szeroki zakres wielkości cząstek spotykany w naturalnych glebach, od submikronowej gliny po milimetrowy piasek.

Ponadto zmierzono także kilka próbek składających się z mieszanin piasku i pyłu w celu przetestowania wrażliwości układu na małe ilości gruboziarnistych i drobnych frakcji. Zaobserwowano doskonałą zgodność między dodaną masą piasku a% materiału powyżej 105 μm zmierzonym przez Mastersizera.

Bibliografia

1. Światowa baza odniesienia dla zasobów glebowych, FAO, Rzym 1998
2. Nota aplikacyjna Malvern Panalytical
3. Klasyfikacji uziarnienia gleb i utworów mineralnych – PTG 2008