Систематическая классификация почв

Введение

Систематическое разделение почв на категории

Классификация почв занимается систематическим разделением почв на категории на основе их отличительных признаков, а также критериев, определяющих выбор их использования.

Обзор

Классификация почв – это динамично развивающаяся область, охватывающая структуру системы, определения классов и практическое применение. К классификации почв можно подходить, рассматривая почву как материал и как ресурс. Надписи в храме Гора в Эдфу описывают систему классификации почв, использовавшуюся Таненом для определения типа храма, подходящего для конкретного места. Древнегреческие ученые разработали несколько классификаций, основанных на различных свойствах почвы.

Инженерная

Геотехнические инженеры классифицируют почвы в соответствии с их инженерными свойствами, исходя из их пригодности для использования в качестве основания или строительного материала. Современные системы инженерной классификации разработаны для обеспечения плавного перехода от полевых наблюдений к базовым прогнозам инженерных свойств и поведения грунтов. Наиболее распространенной системой инженерной классификации грунтов в Северной Америке является Унифицированная система классификации грунтов (USCS). USCS включает три основные группы классификации: (1) крупнозернистые грунты (например, пески и гравий); (2) мелкозернистые грунты (например, илы и глины); и (3) сильно органические грунты (именуемые "торфом"). Для уточнения USCS дополнительно подразделяет три основных класса грунтов. Пески отличаются от гравия по размеру зерен, при этом некоторые классифицируются как "хорошо сортированные", а остальные – как "плохо сортированные". Илы и глины различаются по пределам Аттерберга, что позволяет разделить их на грунты "высокой пластичности" и "низкой пластичности". Умеренно органические грунты рассматриваются как подразделения илов и глин и отличаются от неорганических грунтов изменением их пластических свойств (и пределов Аттерберга) при высыхании. Европейская система классификации грунтов (ISO 14688) очень похожа, отличаясь в основном системой кодирования и добавлением классификации "средней пластичности" для илов и глин, а также незначительными деталями. Другие системы инженерной классификации грунтов, используемые в США, включают систему классификации грунтов AASHTO, которая классифицирует грунты и заполнители в зависимости от их пригодности для строительства дорожных покрытий, и модифицированную систему Бурмистера, которая работает аналогично USCS, но включает более подробную кодировку различных свойств грунта. Полное геотехническое описание грунта также включает другие его свойства, такие как цвет, естественная влажность, прочность в естественном залегании и более детальную информацию о материальных свойствах грунта, чем предоставляет кодировка USCS. USCS и дополнительное инженерное описание стандартизированы в ASTM D 2487.

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.

Наука о почвах

Опыт показывает, что для классификации почвенных ресурсов естественный системный подход, то есть группировка почв по их внутренним свойствам (морфологии почвы), поведению или генезису, приводит к классам, которые могут быть интерпретированы для множества различных целей. Различные концепции педогенеза и различия в значимости морфологических признаков для различных видов землепользования могут влиять на подход к классификации. Несмотря на эти различия, в хорошо выстроенной системе критерии классификации объединяют схожие концепции, обеспечивая непротиворечивость интерпретаций. Это отличается от технического системного подхода к классификации почв, где почвы группируются в соответствии с их пригодностью для конкретного использования и эдафическими характеристиками. Естественные системные подходы к классификации почв, такие как французская система почвенных референций (Référentiel pédologique français), основаны на предполагаемом генезисе почв. Разработаны системы, такие как таксономия почв USDA и Всемирная справочная база по почвенным ресурсам (WRB), которые используют таксономические критерии, включающие морфологию почв и лабораторные анализы, для формирования и уточнения иерархических классов. Другой подход – числовая классификация, также называемая ординацией, при которой отдельные образцы почв группируются с использованием многомерных статистических методов, таких как кластерный анализ. Это создает естественные группировки без необходимости делать предположения о генезисе почв. При почвенных обследованиях, как это практикуется в Соединенных Штатах, классификация почв обычно подразумевает критерии, основанные на морфологии почвы, в дополнение к характеристикам, сформировавшимся в процессе почвообразования. Критерии предназначены для определения оптимального выбора в области землепользования и управления почвами. Как уже отмечалось, это иерархическая система, сочетающая в себе как естественные, так и объективные критерии. Таксономия почв USDA предоставляет основные критерии для дифференциации картографических единиц почв. Это существенная переработка таксономии почв USDA 1938 года, которая представляла собой строго естественную систему. Классификация USDA была первоначально разработана Гаем Дональдом Смитом, директором исследований почвенных обследований Министерства сельского хозяйства США. Картографические единицы почв, основанные на таксономии почв, дополнительно сортируются по классам на основе технических систем классификации. Классы пригодности земель, гидрические почвы и земли сельскохозяйственного назначения высшего качества – вот некоторые примеры. Европейский Союз использует Всемирную справочную базу по почвенным ресурсам (WRB), в настоящее время действует четвертое издание. Брошюра «Почвы Европейского Союза» была опубликована бывшим Институтом окружающей среды и устойчивого развития (ныне: Отдел земельных ресурсов, Европейский центр почвенных данных/ESDAC). Помимо научных систем классификации почв, существуют также народные системы классификации почв. Народные таксономии использовались на протяжении тысячелетий, в то время как научно обоснованные системы – относительно недавние разработки. Знания о пространственном распределении почв значительно расширились. SoilGrids – это система автоматизированного картографирования почв, основанная на моделях, построенных с использованием профилей почв и данных об окружающей среде. В глобальном масштабе она предоставляет карты с пространственным разрешением от 1,00 до 0,25 км. Независимо от того, является ли устойчивость конечной целью управления глобальными почвенными ресурсами, эти новые разработки требуют классификации изученных почв и присвоения им собственного наименования.

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.

Управление по охране труда

Управление по охране труда и гигиене труда США (OSHA) требует классификации грунтов для защиты работников от травм при работе в котлованах и траншеях. OSHA использует три классификации грунтов и одну для скальных пород, основанных главным образом на прочности, но также и на других факторах, влияющих на устойчивость откосов:

: естественный твердый минеральный материал, который можно вынимать вертикальными стенками и который остается устойчивым на открытом воздухе. Связные, пластичные грунты с пределом прочности при одноосном сжатии более 1,5 тонны на квадратный фут (tsf) (144 кПа), соответствующие нескольким другим требованиям (которые создают боковое давление грунта 25 psf на фут глубины).
Связные грунты с пределом прочности при одноосном сжатии от 0,5 tsf (48 кПа) до 1,5 tsf (144 кПа), или неустойчивые сухие скальные породы, или грунты, которые в противном случае относились бы к типу А (боковое давление грунта 45 psf на фут глубины).

Каждая классификация грунта влияет на способ проведения работ в котловане или на меры защиты (откосы, крепления, экранирование и т.д.), которые необходимо принять для защиты работников от обрушения стенок котлована.

Текущая международная система

Буол, С. В., Саутард, Р. Дж., Грэм, Р. С., и Макдэниел, П. А. (2003). Генезис и классификация почв, 5-е издание. Iowa State Press, Blackwell, Ames, IA. Дрисен, П., Декерс, Дж., Спааргарен, О., и Нахтергейле, Ф. (ред.). (2001). Лекционные материалы по основным почвам мира. Рим: ФАО. W. Zech, P. Schad, G. Hintermaier Erhard: Почвы мира. Springer, Berlin, 2022. Рабочая группа IUSS WRB: Всемирная справочная база по почвенным ресурсам, четвертое издание. Международный союз почвенных наук, Вена, 2022. П. Шад: Всемирная справочная база по почвенным ресурсам – четвертое издание и ее история. В: Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 186, 2023, S. 151–163. doi: 10.1002/jpln.202200417.

Действующие национальные системы

Комитет экспертов по изучению почв Министерства сельского хозяйства Канады. (1987). Канадская система классификации почв (2-е изд.). Оттава: Канадский правительственный издательский центр. Эйвери, Б. В. (1980). Классификация почв для Англии и Уэльса: высшие категории. Кранфилд, Англия: Кранфилдский университет, Центр почвенных исследований и земельных ресурсов/Национальный институт почвенных ресурсов. Байз, Д., и Жирар, М. К. (ред.). (1995). Référentiel pédologique 1995. Париж: Национальный институт агрономических исследований. Байз, Д., и Жирар, М. К. (ред.). (1998). Надежная справочная база для почв: "Référentiel Pédologique" (английский перевод Ходжсона Дж. М., Эскенази Н. Р., и Байзе Д., ред.). Париж: Национальный институт агрономических исследований. Байз, Д., и Жирар, М. К. (ред.). (2008). Référentiel pédologique, третье издание. Ассоциация française pour l’étude du sol (Afes). Версаль, Франция. Хьюит, А. Э. (1992). Классификация почв в Новой Зеландии: наследие и уроки. Австралийский журнал исследований почв, 30, 843–854. Хьюит, А. Э. (2010). Классификация почв Новой Зеландии, третье издание. Manaaki Whenua Landcare Research. Линкольн, Кентербери, Новая Зеландия. Исбелл, Р. Ф. и Национальный комитет по почвам и рельефу. (2016). Австралийская классификация почв, второе издание. CSIRO. Клейтон Саут, Виктория, Австралия. Рабочая группа по классификации почв. (2018). Классификация почв: естественная и антропогенная система для Южной Африки, третье издание. Совет по сельскохозяйственным исследованиям; Институт почв, климата и воды. Претория, ЮАР. Штаб по почвенным обследованиям. (1999). Таксономия почв: базовая система классификации почв для проведения и интерпретации почвенных обследований (2-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Служба охраны почв Министерства сельского хозяйства США.

Текущие технические системы

Технические системы классификации почв ориентированы на представление конкретной стороны или свойства почвы, а не на прямую педогенетическую классификацию. Такие технические классификации разрабатываются с учетом конкретных областей применения, таких как взаимосвязь почвы и воды, оценка качества земель или геотехническая инженерия. Boorman, D. B., Hollis, J. M., & Lilly, A. (1995). Гидрология типов почв: гидрологически обоснованная классификация почв Соединенного Королевства (No. 126): Институт гидрологии Великобритании. Klingebiel, A. A., & Montgomery, P. H. (1961). Классификация пригодности земель для использования. Вашингтон, округ Колумбия: Государственная типография США. Sanchez, P. A., Palm, C. A., & Buol, S. W. (2003). Классификация почв по потенциальной плодородности: инструмент для оценки качества почв в тропиках. Geoderma, 114(3–4), 157–185. American Society for Testing and Materials, 1985, D 2487–83, Классификация почв для инженерных целей: Ежегодник стандартов ASTM. Том 04.08, стр. 395–408.

Предыдущие системы, представляющие исторический интерес

Болдуин, М., Келлог, С. Е., и Торп, Дж. (1938). Классификация почв. В книге: Почвы и люди: Ежегодник сельского хозяйства (с. 979–1001). Вашингтон, округ Колумбия: Министерство сельского хозяйства США. Симонсон, Р. В. (1989). Исторические аспекты почвенных обследований и классификации почв с акцентом на Соединенные Штаты, 1899–1970. Вагенген, Нидерланды: Международный центр почвенной информации и документации (ISRIC).

Принципы

Эсваран, Х., Райс, Т., Аренс, Р., и Стюарт, Б. А. (ред.). (2002). Классификация почв: глобальный настольный справочник. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. Батлер, Б. Э. (1980). Классификация почв для почвенных обследований. Оксфорд: Oxford Science Publications. Science, 96,
Клайн, М. Г. (1949). Основные принципы классификации почв. Почвоведение, 67(2), 81–91. Клайн, М. Г. (1963). Логика новой системы классификации почв. Почва, 17–22. Вебстер, Р. (1968). Основные возражения к седьмой аппроксимации. Журнал почвоведения, 19, 354–366. Терзаги, Карл (1924). Механика почв в инженерной практике. Wiley Interscience; 3-е издание (январь 1996).
Кевин Харт (1923) основал её.

Цифровая классификация

МакБратни, А. Б., & де Грюйте́р, Й. Й. (1992). Континуальный подход к классификации почв с использованием модифицированных нечетких k-средних с экстраградами. Журнал почвоведения, 43(1), 159–175.