CC BY
55
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 631.414
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВ: МЕТОДЫ ЛАЗЕРНОЙ ДИФРАКЦИИ И СЕДИМЕНТОМЕТРИИ, ИХ СРАВНЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
1Е.В. Шеин, д.б.н., 2А.И. Мади
1МГУ им. М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected] 2Университет Эйн Шамс, Каир, Египет, e-mail: [email protected]
Гранулометрический состав почв (ГСП) повсеместно используют и как базовое фундаментальное свойство, и как основной параметр для вычисления необходимых свойств почв в виде предиктора в педотрансферных функциях (ПТФ). Для его определения используют традиционные седиментометрические методы (метод пипетки, ареометрический) и новый метод лазерной дифракции. Целью исследования было сравнение ГСП, полученного разными методами, и оценка возможности использования результатов метода лазерной дифракции для расчета коэффициента фильтрации (Кф). Несмотря на то, что изучаемые методы дают в разных почвах систематические ошибки, дисперсия фракций ГСП, измеряемая обоими методами, незначительна и не меняла тип текстуры почвы. Результаты исследования ГСП методами лазерной дифракции и пипет-методом могут быть использованы для прогнозного расчета Кф с использованием ПТФ без каких-либо модификаций или пересчетов для суглинистых почв дерново-подзолистой типа почвообразования.
Ключевые слова: гранулометрический состав почв, метод лазерной дифракции, седименто-метрия, педотрансферные функции, коэффициент фильтрации.
GRANULOMETRIC COMPOSITION OF SOILS: METHODS OF LASER DIFRACTION AND SEDIMENTOMETRY, THEIR COMPARISON AND USE
1Dr.Sci. E.V. Shein, 2Ahmed Y.Mady
1Lomonosov Moscow State University, e-mail: [email protected] 2Ain Shams University, Cairo, Egypt, e-mail: [email protected]
The granulometric composition of soils (GCS) is widely used both as the basic fundamental property and as the main predictor to calculate the necessary soil properties in the form of a predictor in pedotransfer functions (PTF). Currently, the traditional sedimentometric methods (the pipette method, hydrometer) are used, and a new method of laser diffraction begins to be actively used. The aim of the study is to compare the GCS obtained by different methods and to estimate of the possibility of using the results by laser diffraction to calculate the filtration coefficient (Kf). Despite the fact that the methods give systematic errors in different soils, the dispersion of GCS fractions, measured by both methods, was insignificant and did not change the type of soil texture. The results of the investigation of GCS by laser diffraction methods and the pipette method can be used for the predictive calculation of Kf with the use of PTF, without any modifications or recalculations for loamy soils of soddy-podzolic soil formation.
Keywords: granulometric composition of soils, laser difraction method, sedimentometry, pedotransfer functions, filtration coefficient.
Распределение частиц по размерам (гранулометрический состав почв, ГСП) - важнейшее свойство почв, определяющее движение воды, питательных веществ и агрохимикатов. До настоящего времени определение ГСП проводили седиментометрически-ми методами, - т.е. методами, использующими законы осаждения, в частности, закон Стокса. Наиболее популярным в этой области методом в России является метод пипетки, за рубежом - ареометрический метод (метод гигрометра). В последние десятилетия
во всех странах стали использовать метод лазерной дифракции. В ряде работ [1, 2] сообщается, что методы седиментации дают более высокие значения илистых и глинистых фракций из-за неравномерного распределения плотности твердой фазы в разных гранулометрических фракциях. В тяжелых глинистых почвах с высоким содержанием органических веществ имеется существенная разница в плотности частиц разного размера, которая может вызвать серьезные расхождения в итоговом распределении ча-
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
стиц методами седиментометрии и лазерной дифракции. Последний метод имеет другой физический принцип определения размера частиц, его данные не зависят от плотности частиц, а определяются их отражательными свойствами и размерами. Кроме того, гранулометрический состав почв служит основным предиктором для расчета коэффициента фильтрации, когда по содержанию физической глины можно с помощью специальных функций (в частности, педо-трансферных функций, ПТФ) рассчитать коэффициент фильтрации и использовать его для мелиоративных и агротехнологических целей. Следует учитывать, что все ПТФ основаны на определении ГСП методами седиментометрии, и все базы данных содержат данные ГСП, полученные либо пипет-методом, либо гигрометром. В связи с этим встает вопрос, - возможно ли на современном этапе развития агротехнологий использовать данные по ГСП, полученные лазерным методом, для восстановления необходимых свойств почв по известным ПТФ.
Цель исследования - сравнение ГСП, полученного разными методами (лазерной дифракции и пипет-метода), и оценка возможности использования результатов методом лазерной дифракции для расчета коэффициента фильтрации. Задачи работы: (1) определение ГСП указанными методами; (2) сравнительный анализ результатов ГСП, полученного указанными методами; (3) определение Кф традиционным экспериментальным методом; (4) оценка погрешностей расчета Кф, возникающих при использовании ГСП указанными методами.
Объекты и методы. Исследовали суглинистые агродерново-подзолистые (Umbric Albeluvisols Ab-г^й^ WRB, 2006) почвы (Московская область, Россия, Зеленоградская опытная станция Почвенного института им. В.В. Докучаева), которые подробно описаны [3]. Представлены результаты изучения ГСП горизонтов А (0-30) см, EL (30-40) и В1 (40-50 см). Распределение частиц по размерам измеряли методом лазерной дифракции (ЛД) и пипет-методом (ПМ) по Качинскому (седиментационный метод). Определение ГСП лазерным методом проводили с использованием гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм в качестве источника света с использованием Апа^ейе-22 [2, 4]. ПМ использовали в классическом варианте с 4% раствором пирофосфата натрия в качестве диспергирующего агента [5]. Применяли международную классификацию: песок (> 0,05 мм), пыль (0,002-0,05 мм) и глина (< 0,002 мм). Кф определяли согласно метода Клюта [6], используя постоянный гидравлический напор. Эту величину также рассчитывали по программе Rosetta [7] на основе данных ГСП, измеренных ПМ и ЛД методами.
Величины Кф экспериментально определяли для различных горизонтов почвы. Для этих же горизонтов определяли ГСП методами ЛД и ПМ. Далее, с помощью специализированной программы Rosetta,
на основе гранулометрического состава в качестве предиктора рассчитывали Кф. В итоге получали экспериментальные значения Кф и 2 значения Кф, восстановленных по ГСП, полученных лазерным (Кф_лд) и пипет-методом (Кф_пм). Используя статистические параметры, такие как коэффициент корреляции и средняя статистическая ошибка (RMSE), а также значения дисперсии, можно было проанализировать, какие из методов-предикторов дают более надежные, т.е. близкие к экспериментальным, значения Кф.
Результаты и обсуждение. На рисунке 1 показаны некоторые статистики фракций песка, пыли и глины, измеренных ПМ и ЛД. Установлено, что средние значения фракций, измеренные ПМ, составили 4,56%, 68,65 и 26,79%. В то время как средние значения для показателей ГСП, измеренных ЛД, составляли соответственно 2,94%, 82,33 и 14,73%. Относительная погрешность для фракций песка, пыли и глины по указанным методам составляла соответственно 1,62%, 13,68 и 12,06%. Доля песка, измеренная ПМ, относительно близка к измеренной ЛД, в то время как фракция глины, измеренная ЛД, была ниже, чем измеренная ПМ. С другой стороны, доля пыли, полученная ЛД, была выше, чем полученная ПМ. Наибольшее значение коэффициента корреляции между двумя методами для фракции песка составляло 0,854. Хотя значение коэффициента корреляции было ниже для фракций пыли и глины, однако и они были достоверны и равны соответственно 0,48 и 0,75. Более того наименьшее значение средней квадратической ошибки для фракции песка составляло 2,24%, а для фракций пыли и глины достигало соответственно 13,8 и 12,4%.
Учитывая высокую дисперсию и невысокие значения средних квадратических ошибок результатов ГСП можно утверждать, что существенных различий между ГСП, полученных ЛД и ПМ методами нет, не существует и уникальной взаимосвязи. Более того различная минералогия и форма частиц могут сильно влиять на различия между этими двумя методами. Однако вопрос о применении ГСП, полученного различными методами для восстановления других свойств, - т.е. использование ПТФ с предиктором в виде ГСП (по ЛД и ПМ методам), остается. На рисунке 2 в виде Box&Whiskeг приведены данные по Кф, полученные экспериментально и рассчитанные по ПТФ на основании предикторов в виде ГСП по ПМ и ЛД методам. Изменения измеренных Кф были от 0 до 89 см/сут при среднем 29,09 см/сут и дисперсии 31,56 см/сут для суглинков и иловатых суглинков для слоев почвы 0-10 и 40-50 см. Хотя вариации расчетных значений Кф_пм были от до 39 см/сут, а для Кф_лд от 2 до 52 см/сут для иловатого суглинка, средние значение расчетного Кф_лд были близки при некотором превышении среднего значения расчетного Кф_лд величин Кф_пм они составля-
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Глина_ЛД Пыль_ЛД Песок_ЛД
Глина ПМ Пыль ПМ Песок ПМ
Mean
Mean±SD
Mean±1,96*SD
Рис. 1. Статистики фракций песка, пыли и глины, измеренных ПМ и ЛД
100
80
60
-в-
40
20
Mean
Mean±SD
Mean±1,96*SD
Кф_эксп Кф_пм
Кф_лд
Рис. 2. Статистики экспериментальной насыщенной гидравлической проводимости (Кф_эксп) и рассчитанных из данных ГСП по ПМ (Кф_пм) и ЛД (Кф_лд) с использованием программы Rosette
ли соответственно 26,13 и 18,26 см/сут. Это связано с тем, что доля пыли, измеренная ЛД методом, была выше, чем измеренная ПМ, что и увеличивало расчетный Кф_лд. Рассчитанный R2 между измеренным Кф и расчетным Кф_пм составлял 0,94, что было выше, чем между измеренными Кф, а с расчетным Кф_лд (0,855), хотя различия при данных повторностях экспериментов недостоверны. Кроме того, значение средней квадратической ошибки расчетного Кф_лд было ниже расчетного Кф_пм. Это указывает на то, что ЛД метод при его невысоких ошибках измерения вполне может быть использован для прогнозирования гидрологических свойств почв с исполь-
зованием ПТФ, основанных на использовании фракций гранулометрического состава по программе Rosetta [7].
Таким образом, метод лазерной дифракции (ЛД) более эффективен для измерения фракции песка и пыли по сравнению с пипет-методом (ПМ). Оба метода дают в разных почвах систематические ошибки. Однако дисперсия фракций ГСП, измеряемая ПМ или ЛД, была незначительной и не меняла тип текстуры почвы. Результаты анализов ГСП в виде ЛД или ПМ могут быть использованы в качестве предикторов для прогнозного расчета насыщенной гидравлической проводимости по педотрансферным функциям (ПТФ), без каких-либо модификаций или пересчетов для суглинистых почв дерново-подзолистого типа почвообразования.
Литература
1. Шеин Е.В. Гранулометрический состав почв: проблемы методов исследования, интерпретации результатов и классификаций // Почвоведение, 2009, № 3. -С. 309-317.
2. Eshel G., Levy G.J., Mingelgrin U., Singer M.J. Critical evaluation of the use of laser diffraction for particle size distribution analysis // Soil Science Society of America Journal, 2004, Vol. 68. - РР. 736-743.
3. Шеин Е.В., Скворцова Е.Б., Панина С.С., Умарова А.Б., Романенко К.А. Гидродепозитарные и гидропроводящие свойства при моделировании влагопереноса в дерново-подзолистых почвах с помощью физически обоснованных моделей // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева, 2015, Вып. 80. - С. 71-82.
4. Buurman P., Pape Th., Reijneveld J.A., de Jong F., van Gelder E. Laser-diffraction and pipette-method grain sizing of Dutch sediments: correlations for fine fractions of marine, fluvial and loess samples // Netherlands Journal of Geosciences, 2001, 80. - РР. 49-57.
5. Теории и методы физики почв. Под ред. Е.В. Шеина и Л.О. Карпачевского. -М.: Гриф и Ко, 2007. - 616 с.
6. Klute A., Dirksen C. Hydraulic conductivity of saturated soils / In: Klute, A. (Ed.), Methods of Soil Analysis. ASA & SSSA, Madison, Wisconsin, USA, 1986. -РР. 694-700.
7. Schaap M.G., Leij F.J., van Genuchten M.T. ROSETTA: a computer program for Estimating soil hydraulic parameters with hierarchical pedotransfer functions // Journal of Hydrology, 2001, 251. - РР. 163-176.
0
