METHODS OF SOIL ANAL YSIS

Part 1

Physical and Mineralogical Methods

Second Edition

Arnold Klute, Editor

Editorial Committee

G. S. Campbell

R. D. Jackson

M. M. Mortland

D. R. Nielsen

A. Klute, chair

Senior Managing Editor: RICHARD C. DINAUER

Editor-in-Chief ASA Publications: DW A YNE R. BUXTON

Editor-in-Chief SSSA Publications: JOHN J. MORTVEDT

Number 9 (Part 1) in the series

AGRONOMY

American Society of Agronomy, lnc. Soil Science Society of America, lnc.

Publisher Madison, Wisconsin USA

1986

DEDICA TION . FOREWORD . PREFACE ... CONTRIBUTORS

CONTENTS

CONVERSION FACTORS FOR SI UNITS

1 Errors and Variability of Observations

OSCAR KEMPTHORNE ANO R. R. ALLMARAS

Page xvii xix xix xxi

XXV

1-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1-2 Classificaton of Measurement Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1-3 Scientific Validity of Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1-4 Characterization of V ariabili ty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1-5 The Estimation of Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1-6 Precision of Derived Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1-7 The Roles of Bias and Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1-8 How to Study Errors of Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1-9 Role of Errors of Observation in the Study of Relationships . . 26

1-10 A Note on Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1-11 Statistical Problems and Techniques in General............ . 29 1-12 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2 Sampling

R. G. PETERSEN ANO L. D. CAL VIN

2-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2-2 Variation of Soils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2-3 Sampling Plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2-4 Sources of Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2-5 Subsampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2-6 Composite Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2-7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3 Geostatistical Methods Applied to Soil Science

A. W. WARRICK, D. E. MYERS, ANO D. R. NIELSEN

3-1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3-2 Quantification of Spatial lnterdependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3-3 Punctual Kriging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3-4 Block Kriging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3-5 Sampling Strategies for Specified Estimation Error . . . . . . . . . . 72 3-6 Further Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3-7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3-8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

V

vi CONTENTS

4 Extraneous Values

W. J. DIXON

4-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4-2 The Problem ofEstimation (Use ofthe Median and Range) . . 84 4-3 Confidence Limits as Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4-4 The Problem ofDesignating Extraneous Values............. 87 4-5 Recommended Rules for Designating Extraneous Values . . . . . 88 4-6 Recommended Rules for Estimation in the Presence of Extra- 89

neous Values ........................................ . 4-7 Test ofHypotheses (Trimmed and Winsorized t-Tests)....... 89 4-8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

S Pretreatment for Mineralogical Analysis

G. W. KUNZE AND J. B. DIXON

5-1 General Introduction................................... 91 5-2 Removal of Soluble Salts and Carbonates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5-3 Removal of Organic Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5-4 Removal of Free Iron Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5-5 Particle-size Separations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5-6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

6 Oxides, Hydroxides, and Aluminosilicates

MARION L. JACKSON, CHIN H. LIM, AND LUCIAN W. ZELAZNY

6-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6-2 Quartz and Feldspars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6-3 Noncrystalline Aluminosilicates and Hydrous Oxides by Acid 113

Ammonium Oxalate in the Dark ........................ . 6-4 Free lron-Aluminum Oxides and Hydroxides . . . . . . . . . . . . . . 118 6-5 Poorly Crystalline Aluminosilicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6-6 Smectite, Vermiculite, and CEC Hysteresis................. 131 6-7 Rutile and Anatase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 6-8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

7 Thermal Analysis Techniques

K. H. TAN, B. F. HAJEK, AND l. BARSHAD

7-1 Introduction.......................................... 151 7-2 Principies of Reactions and Ana1ysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 7-3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

8 Petrographic Microscope Techniques

JOHN G. CADY, L. P. WILDING, AND L. R. DREES

8-1 General Introduction................................... 185 8-2 Grains. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 8-3 Thin Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

CONTENTS vü

8-4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8-5 Glossary ofMicromorphology Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8-6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

9 Magnetic Methods

M. B. MC BRIDE

9-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 9-2 Magnetic Susceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 9-3 Electron Spin Resonance (ESR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9-4 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9-5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

10 Electron Microprobe Analysis

B. L. SA WHNEY

10-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10-3 Instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 10-4 Specimen Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 10-5 Quantitative Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 10-6 Monte Cario Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 10-7 Applications in Soil Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 10-8 Reference Books . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 10-9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

11 Infrared Spectrometry

JOE L. WHITE AND CHARLES B. ROTH

11-1 General Introduction................................... 291 11-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 11-3 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 11-4 Functional-group and Qualitative Analysis of Organic 313

Compounds ......................................... . 11-5 Identification and Characterization of Amorphous and Crystal- 315

line Inorganic or Mineral Phases ........................ . 11-6 Quantitative Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 11-7 Spectral Data Collection and Manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . 325 11-8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

12 X-Ray Diffraction Techniques

L. D. WHITTIG AND W. R. ALLARDICE

12-1 General Introduction................................... 331 12-2 Principies of X-ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 12-3 Preparation of Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 12-4 X-ray Examination of Samples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 12-5 Criteria For Differentiation of Phyllosilicate Species . . . . . . . . . 351 12-6 Qualitative lnterpretation of Diffraction Pattems . . . . . . . . . . . . 354 12-7 Quantitative lnterpretation of Diffraction Pattems . . . . . . . . . . 356 12-8 References ............. , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

viii CONTENTS

13 Bulk Density

G. R. BLAKE AND K. H. HARTGE

13-1 General Introduction.......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 13-2 Core Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 13-3 Excavation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 13-4 Clod Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 71 13-5 Radiation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 13-6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

14 Particle Density

G. R. BLAKE AND K. H. HARTGE

14-l lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 14-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 14-3 Pycnometer Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 14-4 Submersion Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 14-5 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 14-6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

15 Particle-size Analysis

G. W. GEE AND J. W. BAUDER

15-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 15-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 15-3 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 15-4 Pipet Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 15-5 Hydrometer Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 15-6 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 15-7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

16 Specific Surface

D. L. CARTER, M. M. MORTLAND, AND W. D. KEMPER

16-1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 16-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 16-3 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 16-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

17 Aggregate Stability and Size Distribution

W. D. KEMPER AND R. C. ROSENAU

17-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 17-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 17-3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 1 7-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

CONTENTS ix

18 Porosity

R. E. DANIELSON AND P. L. SUTHERLAND

18-1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 18-2 Total Porosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 18-3 Pore Size Distribution.................................. 450 18-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

19 Penetrability

J. M. BRADFORD

19-1 Introduction.......................................... 463 19-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 19-3 Pocket Penetrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 19-4 Cone Penetrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 19-5 Small-diameter Friction-sleeve Cone Penetrometer . . . . . . . . . . 472 19-6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 77

20 Compressibility

J. M. BRADFORD AND S. C. GUPTA

20-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479 20-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 20-3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 20-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491

21 Water Content

WALTER H. GARDNER

21-1 General Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 21-2 Direct Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 21-3 Indirect Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 21-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541

22 Water Potential: Piezometry

R. C. REEVE

22-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 22-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 22-3 Methods of Installing Piezometers by Driving . . . . . . . . . . . . . . 550 22-4 Method of lnstalling Piezometers by Jetting . . . . . . . . . . . . . . . . 552 22-5 Method of Flushing and Testing Piezometers . . . . . . . . . . . . . . . 554 22-6 Method of Measuring Water Levels in Piezometers . . . . . . . . . . 556 22-7 Method oflnstalling Tensiometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 22-8 Interpretation of Hydraulic-head Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . 558 22-9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560

X CONTENTS

23 Water Potential: Tepsiometry

D. K. CASSEL AND A. KLUTE

23-1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 23-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 23-3 Field Tensiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570 23-4 Laboratory Tensiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587 23-5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594

24 Water Potential: Thermocouple Psychrometry

STEPHEN L. RA WLINS AND GA YLON S. CAMPBELL

24-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597 24-2 Principies of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598 24-3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604 24-4 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616 24-5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617

25 Water Potential: Miscellaneous Methods

GA YLON S. CAMPBELL AND GLENDON W. GEE

25-1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619 25-2 Water Potential Measurements With Electrical Resistance 620

Sensors ............................................. . 25-3 Water Potential Measurement With Heat Dissipation Sensors 625 25-4 Water Potential Measurement Using the Filter Paper 628

Technique .......................................... . 25-5 Water Potential Measurement Using Vapor Equilibration . . . . 631 25-6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632

26 Water Retention: Laboratory Methods

A. KLUTE

26-1 General Introduction.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635 26-2 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641 26-3 Wetting Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643 26-4 Wetting of Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643 26-5 Temperature Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 26-6 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 26-7 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651 26-8 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657 26-9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660

27 Water Retention: Field Methods

R. R. BRUCE AND R. J. LUXMOORE

27-1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 27-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664 27-3 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 667 27-4 Data Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675 27-5 Error Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680

CONTENTS xi

27-6 Spatial Heterogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681 27-7 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683 27-8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684

28 Hydraulic Conductivity and Diffusivity: Laboratory Methods

A. KLUTE AND C. DIRKSEN

28-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687 28-2 General Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688 28-3 Samples and Test Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691 28-4 Hydraulic Conductivity of Saturated Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . 694 28-5 Conductivity and Diffusivity of Unsaturated Soils........... 703 28-6 Alternative Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729 28-7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732

29 Hydraulic Conductivity of Saturated Soils: Field Methods

A. AMOOZEGAR AND A. W. WARRICK

29-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735 29-2 Shallow Water Table Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735 29-3 Deep Water Table Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752 29-4 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767 29-5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768

30 Hydraulic Conductivity, Diffusivity, and Sorptivity of Unsaturated Soils: Field Methods

R. E. GREEN, L. R. AHUJA, AND S. K. CHONG

30-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771 30-2 Unsteady Drainage-flux Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772 30-3 Simplified Unsteady Drainage-flux Method................ 780 30-4 Crust-lmposed Steady Flux Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785 30-5 Sprinkler-imposed Steady Flux Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789 30-6 Sorptivity by Ponded Infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 791 30-7 Sorptivity by Infiltration at Negative Matric Pressure . . . . . . . . 793 30-8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796

31 Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils: Prediction and Formulas

YECHEZKEL MUALEM

31-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 799 31-2 Theory and Computation Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 800 31-3 Recommendations..................................... 819 31-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 821

32 Intake Rate: Cylinder Infiltrometer

HERMAN BOUWER

32-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825 32-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 826

xii CONTENTS

32-3 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834 32-4 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 840 32-5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843

33 lntake Rate: Sprinkler Infiltrometer

ARTHUR E. PETERSON AND GARY D. BUBENZER

33-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845 33-2 Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846 33-3 Simulator Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 849 33-4 A Recommended Sprinkling Infiltration System . . . . . . . . . . . . 857 33-5 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864 33-6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867 33-7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867

34 lntake Rate: Border and Furrow

D. C. KINCAID

34-1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871 34-2 The Volume Balance Advance Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872 34-3 The Inflow-outflow Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 880 34-4 Recirculating Aow Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884 34-5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886

35 Evaporation from Bare Soil Measured with High Spatial Resolution

C. W. BOAST

35-1 lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889 35-2 First-stage Evaporimeter Method......................... 891 35-3 Microlysimeter Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893 35-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 899

36 Field Capacity and Available Water Capacity

D. K. CASSEL AND D. R. NIELSEN

36-1 General lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 1 36-2 Field Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902 36-3 Container Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915 36-4 Permanent Wilting Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 918 36-5 Available Water Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922 36-6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924

37 Temperature

STERLING A. TAYLOR AND RAY D. JACKSON

37-1 General Introduction................................... 927 37-2 Kinds of Thermometers U sed in Soils Work . . . . . . . . . . . . . . . 928 37-3 Calibration of Thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932 37-4 Field Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936 37-5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 939

CONTENTS xiii

38 Heat Capacity and Specific Heat

STERLING A. TAYLOR AND RAY D. JACKSON

38-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941 38-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941 38-3 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 942 38-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944

39 Thermal Conductivity and Diffusivity

RA Y D. JACKSON AND STERLING A. TA YLOR

39-1 General Introduction................................... 945 39-2 General Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947 39-3 Thermal Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947 39-4 Thermal Diffusivity.................................... 952 39-5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955

40 Heat Flux

M. FUCHS

40-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 957 40-2 Calorimetric Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 958 40-3 The Gradient Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 961 40-4 The Combination Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962 40-5 Soil Heat Flux Plate Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964 40-6 Further Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 967 40-7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 967

41 Heat of Immersion

D. M. ANDERSON

41-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 969 41-2 Principies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971 41-3 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976 41-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984

42 Solute Content

J. D. RHOADES AND J. D. OSTER

42-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985 42-2 Collection of Soil Water Samples Using In Situ Samplers . . . . . 986 42-3 Measuring Soluble Salts With In Situ or Remote Monitors . . . 990 42-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004

43 Solute Diffusivity

W. D. KEMPER

43-1 Introduction: Solutes in Water ........................... 1007 43-2 Diffusion Concepts .................................... 1008

xiv CONTENTS

43-3 Steady-state Method ................................... 1014 43-4 Transient-state Methods ................................ 1017 43-5 Radial Transient Conditions ............................ 1021 43-6 General Comments .................................... 1023 43-7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023

44 Solute Dispersion Coefficients and Retardation Factors

M. Th. VAN GENUCHTEN ANO P. J. WIERENGA

44-1 Introduction .......................................... 1025 44-2 Theoretical Principies .................................. 1026 44-3 Experimental Principies ................................ 1036 44-4 Method 1: Trial and Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 039 44-5 Method 11: From the Slope of an Eflluent Curve ............ 1040 44-6 Method III: From A Log-normal Plot ofthe Eflluent Curve ... 1042 44-7 Method IV: Least-square Analysis of the Eflluent Curve . . . . . . 1049 44-8 Method V: From Concentration-distance Curves ............ 1050 44-9 Other Transport Mode1s ................................ 1050 44-10 General Comments .................................... 1051 44-11 Appendix ............................................ 1052 44-12 References ........................................... 1053

45 Water and Solute Flux

R. J. WAGENET

45-1 General Introduction ................................... 1055 45-2 Water Flux ........................................... 1056 45-3 Solute Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1067 45-4 Summary ............................................ 1084 45-5 References ........................................... 1085

46 Gas Dift'usivity

D. E. ROLSTON

46-1 Introduction .......................................... 1089 46-2 Laboratory Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1090 46-3 Field Method ......................................... 1098 46-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102

47 Gas Flux

D. E. ROLSTON

47-1 lntroduction .......................................... 1103 47-2 Flux Calculated From Fick's Law ........................ 1104 47-3 Cosed Chamber Method ............................... 1108 47-4 Flow-through Chamber Method .......................... 1112 47-5 Comments on Mechanisms Causing Mass Flow ............. 1117 47-6 References ........................................... 1118

CONTENTS XV

48 Air Permeability

A. T. COREY

48-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1121 48-2 Principies ............................................ 1122 48-3 Methods ............................................. 1123 48-4 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135 48-5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136

49 Oxygen Eiectrode Measurement

C. J. PHENE

49-1 Introduction ...................... , .................... 1137 49-2 Piatinum Eiectrode Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1138 49-3 Membrane Eiectrode Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1150 49-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1158

50 Air Pressure Measurement

H. FLÜHLER, A. J. PECK, AND L. H. STOLZY

50-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1161 50-2 Principies ............................................ 1163 50-3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1170 50-4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1171

SUBJECT INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173