Топырақты жүйелендіру және жіктеу жүйелері

Кіріспе

Топырақтың жүйелі жіктелуі

Топырақ классификациясы – топырақтарды ерекшеленетін қасиеттері және қолданылуындағы таңдауды анықтайтын критерийлерге сүйене отырып, жүйелі түрде жіктеумен айналысады.

Шолу

Топырақты жіктеу – жүйе құрылымынан бастап, сыныптардың анықтамаларына және далада қолданылуына дейін үздіксіз дамып отыратын сала. Топырақты материал ретінде де, ресурс ретінде де қарастырып жіктеуге болады. Эдфудағы Горус ғибадатханасындағы жазулар Таненнің қандай жерге қандай ғибадатхана салу керектігін анықтау үшін қолданған топырақ жіктеуін көрсетеді. Ежелгі грек ғалымдары топырақтың әртүрлі қасиеттеріне сүйене отырып, бірнеше жіктелімдер жасаған.

Инженерлік

Геотехникалық инженерлер топырақты оның инженерлік қасиеттеріне сәйкес жіктейді, оларды негізді қолдауға немесе құрылыс материалы ретінде пайдалану үшін жіктеу мақсатында. Заманауи инженерлік жіктеу жүйелері далалық байқаулардан топырақтың инженерлік қасиеттері мен мінез-құлқының негізгі болжамдарын жасауға оңай көшуге мүмкіндік беру үшін жасалған. Солтүстік Америкада топырақты инженерлік жіктеудің ең көп тараған жүйесі – Бірыңғай Топырақ Жіктеу Жүйесі (USCS). USCS үш негізгі жіктеу тобын қамтиды: (1) ірі ұсақ топырақ (мысалы, құм және қиыршық тас); (2) ұсақ топырақ (мысалы, ұсақ топырақ және саз); және (3) жоғары органикалық топырақ (ол "торф" деп аталады). USCS үш негізгі топырақ класын нақтылау үшін одан әрі бөліп қарастырады. Ол құмды қиыршық тастан өлшемі бойынша ажыратады, кейбіреулерін "жақсы ұсатылған", ал қалғандарын "жаман ұсатылған" деп жіктейді. Ұсақ топырақ пен саз топырақтың Аттерберг шектері бойынша ажыратылады, осылайша топырақтар "жоғары пластикалық" және "төмен пластикалық" топырақтарға бөлінеді. Орташа органикалық топырақтар ұсақ топырақ пен саздың тармақтары болып саналады және олар органикалық емес топырақтардан олардың пластикалық қасиеттерінің (және Аттерберг шектерінің) құрғағанда өзгеруімен ерекшеленеді. Еуропалық топырақ жіктеу жүйесі (ISO 14688) өте ұқсас, негізінен кодтау және ұсақ топырақ пен саз үшін "орташа пластикалық" жіктемесін қосуда, сондай-ақ едәуір емес ерекшеліктерде ерекшеленеді. АҚШ-тағы басқа инженерлік топырақ жіктеу жүйелеріне AASHTO Топырақ Жіктеу Жүйесі кіреді, ол топырақтарды және агрегаттарды жол құрылысына сәйкестігіне қарай жіктейді, сондай-ақ USCS-ке ұқсас жұмыс істейтін, бірақ топырақтың әртүрлі қасиеттері үшін көбірек кодтауды қамтитын өзгертілген Бурмистер жүйесі кіреді. Топырақтың толық геотехникалық сипаттамасы топырақтың басқа да қасиеттерін қамтиды, оның ішінде түсі, орнындағы ылғалдылығы, орнындағы беріктігі және USCS кодында көрсетілгеннен гөрі топырақтың материалдық қасиеттері туралы толыққанды мәліметтер беріледі. USCS және қосымша инженерлік сипаттама ASTM D 2487 стандартында стандартталған.

Geotechnical engineers classify soils according to their engineering properties as they relate to use for foundation support or building material. Modern engineering classification systems are designed to allow an easy transition from field observations to basic predictions of soil engineering properties and behaviors. The most common engineering classification system for soils in North America is the Unified Soil Classification System (USCS). The USCS has three major classification groups: (1) coarse grained soils (e. g. sands and gravels); (2) fine grained soils (e. g. silts and clays); and (3) highly organic soils (referred to as "peat"). The USCS further subdivides the three major soil classes for clarification. It distinguishes sands from gravels by grain size, classifying some as "well graded" and the rest as "poorly graded". Silts and clays are distinguished by the soils' Atterberg limits, and thus the soils are separated into "high plasticity" and "low plasticity" soils. Moderately organic soils are considered subdivisions of silts and clays and are distinguished from inorganic soils by changes in their plasticity properties (and Atterberg limits) on drying. The European soil classification system (ISO 14688) is very similar, differing primarily in coding and in adding an "intermediate plasticity" classification for silts and clays, and in minor details. Other engineering soil classification systems in the United States include the AASHTO Soil Classification System, which classifies soils and aggregates relative to their suitability for pavement construction, and the Modified Burmister system, which works similarly to the USCS but includes more coding for various soil properties. A full geotechnical engineering soil description will also include other properties of the soil including color, in situ moisture content, in situ strength, and somewhat more detail about the material properties of the soil than is provided by the USCS code. The USCS and additional engineering description is standardized in ASTM D 2487.

Топырақ туралы ғылым

Топырақ ресурстары үшін тәжірибе көрсеткендей, табиғи жүйелік тәсілмен жіктеу, яғни топырақты оның ішкі қасиеттері (топырақтың морфологиясы), мінез-құлқы немесе генезисі бойынша топтастыру, көптеген алуантүрлі қолданулар үшін түсіндірілетін сыныптарға әкеледі. Педогенездің әртүрлі түсініктері және түрлі жер пайдалану үшін морфологиялық белгілердің маңыздылығындағы айырмашылықтар жіктеу тәсіліне әсер етуі мүмкін. Осы айырмашылықтарға қарамастан, жақсы құрылған жүйеде жіктеу критерийлері ұқсас ұғымдарды топтастырады, сондықтан түсіндірмелер тым көп өзгешеленбейді. Бұл топырақты жіктеудің техникалық жүйелік тәсілінен өзгеше, онда топырақтар белгілі бір қолдануға жарамдылығы және едафикалық сипаттамаларына сәйкес топтастырылады. Топырақты жіктеудің табиғи жүйелік тәсілдері, мысалы, француз топырақ анықтама жүйесі (Référentiel pédologique français) топырақтың генезисіне негізделген. USDA топырақ таксономиясы және Топырақ ресурстарының әлемдік анықтамалық базасы сияқты жүйелер дамыды, олар иерархиялық сыныптарды ақпараттандыру және жетілдіру үшін топырақ морфологиясы мен зертханалық сынақтарды қамтитын таксономиялық критерийлерді қолданады. Тағы бір тәсіл – сандық жіктеу, сондай-ақ ординация деп те аталады, онда топырақ үлгілері кластерлік талдау сияқты көпөлшемді статистикалық әдістермен топтастырылады. Бұл топырақ генезі туралы қорытынды жасамай, табиғи топтастыруды қамтамасыз етеді. Топырақ зерттеуде, АҚШ-та қабылданғандай, топырақты жіктеу әдетте топырақ морфологиясына негізделген критерийлерді білдіреді, сонымен қатар топырақ қалыптасу кезінде дамыған сипаттамаларды да қамтиды. Критерийлер жерді пайдалану және топырақ басқарудағы таңдауларды бағыттауға арналған. Жоғарыда айтылғандай, бұл табиғи және объективті критерийлердің қосындысынан тұратын иерархиялық жүйе. USDA топырақ таксономиясы топырақ картасының бөлімдерін ажырату үшін негізгі критерийлерді ұсынады. Бұл 1938 жылғы USDA топырақ таксономиясының маңызды қайта қаралуы, ол қатаң табиғи жүйе болған. USDA жіктемесін бастапқыда АҚШ Ауыл шаруашылығы министрлігінің топырақ зерттеулерінің директоры Гай Дональд Смит әзірлеген. USDA топырақ таксономиясына негізделген топырақ картасының бөлімдері техникалық жіктеу жүйелеріне сәйкес сыныптарға қосымша сұрыпталады. Жердің сыйымдылық кластары, сулы топырақтар және ең жақсы егістік жерлер – осыған мысалдар. Еуропалық Одақ Топырақ ресурстарының әлемдік анықтамалық базасын (WRB) қолданады, қазіргі уақытта төртінші басылымы қолданыста. "Еуропалық Одақтың топырақтары" атты буклет бұрынғы Қоршаған орта және тұрақтылық институты (қазіргі: Жер ресурстары бөлімі, Еуропалық топырақ деректері орталығы/ESDAC) тарапынан жарияланды. Ғылыми топырақ жіктеу жүйелерінен басқа, халықтық топырақ жіктеу жүйелері де бар. Халықтық таксономиялар мыңжылдықтар бойы қолданылып келеді, ал ғылыми негізделген жүйелер салыстырмалы түрде жақында дамыды. Топырақтардың кеңістіктегі таралуы туралы білім едәуір артты. SoilGrids – топырақ профильдері мен қоршаған ортаның ковариативті деректерін пайдалана отырып құрылған модельдерге негізделген топырақтың автоматтандырылған картасын жасау жүйесі. Әлемдік масштабта карталар 1,00–0,25 км кеңістіктік ажыратымдылықпен қамтамасыз етіледі. Жер ресурстарын басқарудың басты мақсаты тұрақтылық болса, бұл жаңа жетістіктер зерттелген топырақтарды жіктеуді және оларға ат беруді қажет етеді.

For soil resources, experience has shown that a natural system approach to classification, i. e. grouping soils by their intrinsic property (soil morphology), behaviour, or genesis, results in classes that can be interpreted for many diverse uses. Differing concepts of pedogenesis, and differences in the significance of morphological features to various land uses can affect the classification approach. Despite these differences, in a well constructed system, classification criteria group similar concepts so that interpretations do not vary widely. This is in contrast to a technical system approach to soil classification, where soils are grouped according to their fitness for a specific use and their edaphic characteristics. Natural system approaches to soil classification, such as the French Soil Reference System (Référentiel pédologique français) are based on presumed soil genesis. Systems have developed, such as USDA soil taxonomy and the World Reference Base for Soil Resources, which use taxonomic criteria involving soil morphology and laboratory tests to inform and refine hierarchical classes. Another approach is numerical classification, also called ordination, where soil individuals are grouped by multivariate statistical methods such as cluster analysis. This produces natural groupings without requiring any inference about soil genesis. In soil survey, as practiced in the United States, soil classification usually means criteria based on soil morphology in addition to characteristics developed during soil formation. Criteria are designed to guide choices in land use and soil management. As indicated, this is a hierarchical system that is a hybrid of both natural and objective criteria. USDA soil taxonomy provides the core criteria for differentiating soil map units. This is a substantial revision of the 1938 USDA soil taxonomy which was a strictly natural system. The USDA classification was originally developed by Guy Donald Smith, director of the U. S. Department of Agriculture's soil survey investigations. Soil taxonomy based soil map units are additionally sorted into classes based on technical classification systems. Land Capability Classes, hydric soil, and prime farmland are some examples. The European Union uses the World Reference Base for Soil Resources (WRB), currently the fourth edition is valid. the booklet "Soils of the European Union" was published by the former Institute of Environment and Sustainability (now: Land Resources Unit, European Soil Data Centre/ESDAC). In addition to scientific soil classification systems, there are also vernacular soil classification systems. Folk taxonomies have been used for millennia, while scientifically based systems are relatively recent developments. Knowledge on the spatial distribution of soils has increased dramatically. SoilGrids is a system for automated soil mapping based on models fitted using soil profiles and environmental covariate data. On a global scale, it provides maps at 1.00–0.25 km spatial resolution. Whether sustainability might be the ultimate goal for managing the global soil resources, these new developments require studied soils to be classified and given its own name.

OSHA

АҚШ Еңбек қауіпсіздігі және денсаулық сақтау басқармасы (OSHA) қазбалар мен траншеяларда жұмыс істеген кезде жұмысшыларды жарақаттан қорғау үшін топырақтарды жіктеуді талап етеді. OSHA негізінен беріктікке, сондай-ақ кесу беткейлерінің тұрақтылығына әсер ететін басқа факторларға сүйене отырып, топырақтар үшін үш жіктеме және тас үшін біреуін қолданады:

: тік қабырғаларымен қазылғанда да тұрақты болатын табиғи қатты минералдық зат. 1.5 тонна/квадрат фут (tsf) (144 кПа) жоғары жайылмаған қысымға төзімділігі бар, пластикалық топырақтар және бірнеше басқа талаптарға сай келеді (бұл теріс қысымды 25 фунт/квадрат фут/фут тереңдікке дейін тудырады).
0.5 tsf (48 кПа) мен 1.5 tsf (144 кПа) арасындағы жайылмаған қысымға төзімділігі бар пластикалық топырақтар, немесе тұрақсыз құрғақ тас, немесе әйтпесе А типіне жататын топырақтар (теріс қысым 45 фунт/квадрат фут/фут тереңдікке дейін).

Әрбір топырақ жіктемесі қазба қалай жасалуы керек екеніне немесе жұмысшыларды қазылған беткейдің құлауынан қорғау үшін қамтамасыз етілуі тиіс қорғау шараларына (беткейлеу, тіреу, қоршау, т.б.) әсер етеді.

Қазіргі халықаралық жүйе

Буол, С. В., Саузард, Р. Ж., Грэм, Р. С. және МакДэниел, П. А. (2003). Топырақ генезисі және жіктелуі, 5-ші басылым. Айова штатының баспасөз қызметі, Блэкуэлл, Эймс, Айова штаты. Дрисен, П., Декерс, Дж., Спааргарен, О., және Нахтергейле, Ф. (ред.). (2001). Әлемнің негізгі топырақтары туралы лекциялық материалдар. Рим: FAO. В. Зех, П. Шад, Г. Хинтермайер Эрхард: Әлем топырақтары. Спрингер, Берлин 2022. IUSS жұмыс тобы WRB: Топырақ ресурстарының әлемдік анықтамалық базасы, төртінші басылым. Халықаралық топырақ ғылымдары одағы, Вена 2022. П. Шад: Топырақ ресурстарының әлемдік анықтамалық базасы – төртінші басылымы және оның тарихы. In: Journal of Plant Nutrition and Soil Science 186, 2023, 151–163 б. doi: 10.1002/jpln.202200417.

Қазіргі ұлттық жүйелер

Ауыл шаруашылығы Канаданың топырақ зерттеу жөніндегі сарапшылар комитеті. (1987). Топырақты жіктеудің канадалық жүйесі (2-ші басылым). Оттава: Канада мемлекеттік баспа орталығы. Эвери, Б. В. (1980). Англия мен Уэльстегі топырақтардың жіктелуі: жоғары санаттар. Крэнфилд, Англия: Крэнфилд университеті, Топырақ зерттеу және жер ресурстарын зерттеу орталығы/Ұлттық топырақ ресурстары институты. Байз, Д., және Жирар, М. С. (Ред.). (1995). Педологиялық анықтамалық 1995. Париж: Ұлттық агрономиялық зерттеу институты. Байз, Д., және Жирар, М. С. (Ред.). (1998). Топырақтар туралы сенімді анықтамалық база: "Référentiel Pédologique" (Ағылшын тіліне Ходжсон Дж. М., Эскенази Н. Р. және Байз Д. аударған). Париж: Ұлттық агрономиялық зерттеу институты. Байз, Д., және Жирар, М. С. (Ред.). (2008). Педологиялық анықтамалық, үшінші басылым. Француз топырақтану қоғамы (Afes). Версаль, Франция. Хьюит, А. Е. (1992). Жаңа Зеландиядағы топырақ жіктелуі: мұра және сабақтар. Австралия топырақ зерттеу журналы, 30, 843–854. Хьюит, А. Е. (2010). Жаңа Зеландия топырақ классификациясы, үшінші басылым. Manaaki Whenua Landcare Research. Линкольн, Кентербери, Жаңа Зеландия. Исбелл, Р. Ф. және Топырақ және жер бедері жөніндегі ұлттық комитет. (2016). Австралия топырақ классификациясы, екінші басылым. CSIRO. Клейтон-Саут, Виктория, Австралия. Топырақ жіктелу жұмыс тобы. (2018). Топырақ классификациясы: Оңтүстік Африка үшін табиғи және антропогендік жүйе, үшінші басылым. Ауыл шаруашылығы зерттеулер кеңесі; Топырақ, климат және су институты. Претория, ОАР. Топырақ зерттеу тобы. (1999). Топырақ таксономиясы: топырақ зерттеулерін жүргізу және түсіндіру үшін топырақ классификациясының негізгі жүйесі (2-ші басылым). Вашингтон, округ: АҚШ Ауыл шаруашылығы министрлігінің топырақтарды сақтау қызметі.

Қазіргі техникалық жүйелер

Техникалық топырақ жіктеу жүйелері тікелей педогенетикалық жіктеуге емес, топырақтың нақты бір қырына немесе қасиетіне бағытталған. Мұндай техникалық жіктемелер топырақ пен су арақатынастары, жер сапасын бағалау немесе геотехникалық инженерия сияқты нақты қолданыстарды ескере отырып жасалады. Боурман, Д. Б., Холлис, Дж. М. және Лилли, А. (1995). Топырақ түрлерінің гидрологиясы: Ұлыбритания топырақтарының гидрологиялық негіздегі жіктемесі (№ 126): Ұлыбритания гидрология институты. Клингебиел, А. А., және Монтгомери, П. Х. (1961). Жер мүмкіндіктерін жіктеу. Вашингтон, округ Колумбия: АҚШ Үкіметтік баспа кеңсесі. Санчес, П. А., Палм, К. А., және Буол, С. В. (2003). Топырақтың құнарлылық деңгейін жіктеу: тропиктік аймақтардағы топырақтың сапасын бағалауға көмектесетін құрал. Геодерма, 114(3–4), 157–185. Американдық сынақ және материалдар қоғамы, 1985, D 2487–83, Инженерлік мақсаттарға арналған топырақ жіктемесі: ASTM стандарттарының жылдық кітабы. 04.08 том, 395–408 беттер.

Тарихи қызығушылыққа ие ертедегі жүйелер

Болдуин, М., Келлог, С. Е., және Торп, Дж. (1938). Топырақ жіктелуі. Топырақ және адамдар: Ауыл шаруашылығы жылнамасы (979–1001 беттер). Вашингтон, округ Колумбия: АҚШ Ауыл шаруашылығы департаменті. Симонсон, Р. В. (1989). Топырақ зерттеуі мен топырақ жіктелуінің тарихи аспектілері, әсіресе АҚШ, 1899–1970 жылдар. Вагенинген, Нидерланды: Халықаралық топырақ анықтама және ақпарат орталығы (ISRIC).

Негізгі қағидалар

Эсуарн, Х., Райс, Т., Аренс, Р. және Стюарт, Б. А. (ред.). (2002). Топырақ жіктелуі: әлемдік анықтамалық. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. Батлер, Б. Е. (1980). Топырақ зерттеуі үшін топырақ жіктемесі. Оксфорд: Оксфорд ғылыми басылымдары. Ғылым, 96.
Клайн, М. Г. (1949). Топырақ жіктемесінің негізгі принциптері. Топырақ ғылымы, 67(2), 81–91. Клайн, М. Г. (1963). Топырақ жіктемесінің жаңа жүйесінің логикасы. Топырақ, 17–22. Вебстер, Р. (1968). 7-ші жақындасуға қарсы негізгі шағымдар. Топырақ ғылымы журналы, 19, 354–366. Терзаги, Карл (1924). Инженерлік тәжірибеде топырақ механикасы. Wiley Interscience; 3-ші басылым (1996 жылғы қаңтар). Кевин Харт (1923) құрды.

Сандық жіктеу

МакБратни, А. Б., & де Груйтер, Дж. Дж. (1992). Экстраградтармен модификацияланған көмескі k-орташасы арқылы топырақты жіктеуге үздіксіз тәсіл. Топырақ ғылымы журналы, 43(1), 159–175.