Мониторинг почвенного покрова

В почве протекают разнообразные биохимические и геохи­мические процессы. С одной стороны, почва наследует те хи­мические элементы, которые содержатся в почвообразующей породе в итоге геологического развития данного района. С дру­гой стороны, эти химические элементы энергично перераспре­деляются под влиянием факторов гипергенеза, в первую оче­редь под влиянием жизнедеятельности животных и раститель­ных организмов. Характерной особенностью почвы как особо­го природного образования является положение ее на месте совпадения большого (геологического) и малого (биологичес­кого) круговоротов веществ.

В результате почва представляет собой сложную многофаз­ную и многокомпонентную систему, содержащую в тех или иных количествах все химические элементы таблицы Менде­леева.

Некоторые химические элементы и их соединения независи­мо от количественного содержания особенно характерны как для почвы в целом, так и для ее основных типов. Например, кремний для процесса почвообразования имеет меньшее зна­чение, чем углерод, несмотря на то, что среднее содержание кремния в почвах составляет 33%, а углерода — 2,0%. Для формирования степных почв значительно большее значение имеет натрий, чем алюминий, хотя содержание алюминия в почвах более чем в 10 раз превышает содержание натрия. Различные химические элементы неодинаково ведут себя при почвообразовании. Содержание кальция и калия в почвах пла­неты в целом примерно одинаковое, но большая часть кальция активно участвует в почвообразовании, в то время как значи­тельная часть калия активное участие в этом процессе не принимает.

В качестве основных элементов питания растения поглоща­ют из почвы азот, фосфор, калий, кальций, магний, железо, серу. При этом многочисленными экспериментами установле­но, что нормальное развитие растений может совершаться только при достаточном количестве всех элементов питания, в том числе цинка, меди, бора, йода, фтора, кобальта и др. Мик­роэлементы необходимы растениям, так как они входят в со­став различных витаминов, ферментов и гормонов, без кото­рых нормальная физиологическая деятельность растений невозможна.

Для растений имеет значение не вся масса химических эле­ментов, содержащихся в почве, а лишь та наиболее подвижная их часть, которая может быть усвоена растениями. Обычно элементы питания содержатся в почве в таком количестве, ко­торое может на много лет вперед обеспечить высокие урожаи. Содержание подвижных форм элементов, доступных растени­ям, значительно меньше, поэтому для обеспечения нормального развития культурных растений и, следовательно, получения достаточных урожаев следует некоторые элементы питания в усвояемой форме вносить в почву дополнительно в виде удобрений.

При химическом анализе почвы основное внимание уделя­ется тем химическим элементам и их соединениям, которые играют существенную роль в почвообразовании и имеют важное значение для плодородия почвы.

В составе почвы можно выделить(помимо воды), во-первых, группу химических соединений, представляющих собой более или менее неизменные частицы почвообразующей породы — различные минералы и обломки пород. Во-вторых, выделяют­ся соединения, возникающие в процессе почвообразования.

К этой группе относятся специфические почвенные органичес­кие соединения (перегной, или гумус) и различные неоргани­ческие образования. Последние представлены преимуществен­но солями (карбонатами, сульфатами, хлоридами, нитратами, фосфатами) кальция, натрия, калия и магния, гидроксидами железа и марганца (отчасти кремния и алюминия) и вторич­ными силикатами. К этой же группе относятся химические элементы, не образующие самостоятельных соединений, а на­ходящиеся в почве в особом поглощенном состоянии. С части­цами почвообразующих пород в некоторой степени мы ознако­мились при изучении гранулометрического состава почвы, с новообразованными соединениями можно ознакомиться в про­цессе химического анализа.

Полный химический анализ почвы представляет собой до­вольно сложную и трудоемкую операцию, требующую специ­альных приборов и хорошо оборудованной лаборатории. Однако можно подобрать систему наиболее легко выполнимых химических определений, чтобы получить представление об общих особенностях химического состава почвы. Эта задача отчасти облегчается тем, что новообразованные почвенные со­единения менее устойчивы к воздействию химических реакти­вов, чем большая часть компонентов почвообразующих пород. Поэтому при химическом анализе почв широко применяют различные вытяжки — кислотные, щелочные, солевые и водные. Вытяжкой из почвы называют сумму соединений, рас­творимых в растворителе, которым воздействуют на почву. Растворителем может служить вода, а также растворы щело­чей, кислот и солей.

По степени растворимости можно выделить следующие группы химических соединений почвы:

1. Легкорастворимые соединения. К ним относятся хлори­ды натрия магния и кальция; бикорбонаты натрия, кальция и магния; карбонаты натрия; сульфаты натрия и магния; нитраты, нитриты и некоторые другие. Соединения этой группы легко растворяются в дистилли­рованной воде. Ниже приводятся данные о растворимос­ти некоторых распространенных в почве солей (табл. 3.1).

Кроме перечисленных минеральных солей, в воде растворя­ются некоторые органические соединения (водорастворимая часть гумуса).

2. Среднерастворимые соединения плохо растворяются в воде, но хорошо в слабых растворах кислот. К этой группе относятся карбонаты кальция и магния, сульфа­ты кальция и частично гидроксиды железа. Эти соеди­нения растворяются в воде в 1000 раз хуже раствори­мых соединений. Растворимость этих соединений не­много повышается от присутствия большого количества легкорастворимых солей, однако все равно остается очень низкой. Карбонаты кальция и магния и сульфат кальция хорошо растворяются в соляной кислоте (кон­центрация 5—10%); большая концентрация кислоты отрицательно сказывается на растворимости сульфата кальция.

Растворимость некоторых минеральных солей в воде при 20°С

Таблица 3.1

Некоторые химические соединения не растворяются ни и воде, ни в слабых кислотах, но хорошо растворяются в щелочах. Примеры подобных соединений — гуминовые кисло­ты и их соли (важные составные части почвенного гумуса), аморфная окись кремния и некоторые другие образования. Эти соединения обычно растворяются 10-процентным раство­ром Nа₂СОз (соды) или однонормальным раствором Nа(ОН) (едкого натрия).

Опыт 1. Качественное определение легко- и среднерастворимых форм некоторых химических элементов почвы

Присутствие легко- и среднерастворимых соединений в почве имеет важное значение. Содержание в верхней ча­сти почвенного профиля легкорастворимых солей в количест­ве, превышающем 0,2%, свидетельствуют о засоленности поч­вы. При содержании легкорастворимых солей в количестве более 1% почва относится к солончакам. Засоленные почвы, не подвергшиеся специальным мелиоративным мероприяти­ям, малопригодны для производственного использования. Отрицательное влияние легко- и среднерастворимых солей на плодородие почвы неодинаково. Наиболее вредными для растений солями являются сода (Nа₂СОз), хлориды (NаС1, особенно МgС1₂ и СаС1₂) и сульфат натрия (Nа₂CO₄), т. е. легкора­створимые соединения. Легкорастворимые соединения, повы­шающие плодородие почв, — нитраты. Из среднераствори­мых соединений безвредными солями являются карбонаты кальция и магния, а также сульфат кальция (гипс). Вредное влияние на растения оказывает закись железа; гидраты окиси безвредны.

Качественное определение карбонатов.

Из образца берут небольшое количество почвы, переносят в фарфоровую чашку. На почву из пипетки капают несколько капель 10-процентной соляной кислоты. При наличии карбонатов имеет место реакция::

СаСO₃ + 2НС1 = СаС1₂ + С0₂ + Н₂0.

Образующийся при реакции углекислый газ (С0₂) выделя­ется в виде пузырьков (почва "вскипает"). Кислоту добавляют до прекращения выделения пузырьков С0₂. По интенсивности выделения углекислого газа и по количеству израсходованной соляной кислоты судят о более или менее значительном содержании карбонатов.

Приготовление водной вытяжки.

Из образца отбирают методом квартования среднюю пробу. Материал тщательно растирают пестиком в фарфоровой ступ­ке.

На технические весы берут навеску почвы в 25 г и переносят в колбу емкостью около 200 см³, куда наливают 50см³ дистил­лированной воды.

Колбу несколько раз взбалтывают. Содержимое отстаивают 5—10 мин и фильтруют через стеклянную воронку с бумаж­ным фильтром в колбу емкостью 100 см³. Фильтр готовят сле­дующим образом. Круглый бумажный фильтр, радиус которо­го превышает диаметр воронки, складывают вчетверо и вкла­дывают в стеклянную воронку. Фильтры можно вырезать из фильтровальной бумаги. Для этого из нее вырезают квадрат, сторона которого примерно вдвое больше диаметра воронки. Квадрат складывают вчетверо и обрезают ножницами.

Фильтр должен плотно прилегать к стенкам воронки и не­много не доходить до ее верхнего края. Затем фильтр слегка смачивают водой и воронку укрепляют в зажиме штатива над колбой. Фильтруемый раствор следует наливать немногим более чем до половины фильтра.

Качественное определение хлоридов

Из отфильтрованной жидкости (фильтрата) отливают около 5 см³ в пробирку, куда добавляют несколько капель 10-про­центного раствора азотной кислоты и по каплям прибавляют 0,1-нормальный раствор азотно-кислого серебра. Нормальный раствор содержит в литре число граммов растворенного веще­ства, равное молекулярному весу растворенного вещества.

Формула азотнокислого серебра — АgNОз.

Атомный вес элементов, входящих в это соединение, опре­деляем по таблице Менделеева: Аg — 108; N — 14; О - 16; три атома кислорода имеют вес: 16 • 3 = 48.

Вес молекулы: 108 + 14 + 48 = 170.

Следовательно, для приготовления нормального раствора надо 170 г азотно-кислого серебра растворить в 1 л дистиллированной воды, а для приготовления 0,1-нормального (деци-нормального) раствора — 17 г. Так как такого количества рас­твора не требуется, можно приготовить 100 см³ раствора. Для этого в 100 см³ дистиллированной воды надо растворить 1,7 г азотно-кислого серебра. Это соединение быстро разрушается на свету, поэтому его следует хранить в посуде, обернутой све­тонепроницаемой фотооберточной бумагой, и держать в тем­ном месте.

При наличии хлоридов азотно-кислое серебро реагирует с ними по схеме:

NaС1 + АgNO₃ = АgС1 + NаNOз.

Хлористое серебро выпадает в виде осадка. Реакция эта весьма чувствительна. Выпадение белого хлопьевидного осад­ка указывает на присутствие хлоридов в количестве десятых долей процента и более. При содержании хлоридов в количест­ве сотых долей процента осадка не выпадает, но наблюдается ясная опалесценция раствора. Появление слабой опалесценции указывает на незначительное присутствие в почве хлори­дов (тысячные доли процента).

Качественное определение сульфатов

Фильтрат водной вытяжки в количестве около 5 см³ отлива­ют в пробирку, добавляют несколько капель 100-процентной соляной кислоты и 2—3 см³ 20-процентного раствора хлорис­того бария. Раствор в пробирке нагревают до кипения. При на­личии сульфатов происходит реакция:

Nа₂SO₄ + ВаС1₂ = 2NаС1 + ВаSO₄.

Сульфат бария выпадает в виде белого мелкокристалличес­кого осадка. Образование ясно видного белого осадка свиде­тельствует о содержании сульфатов в количестве нескольких десятых процента и более. Сильная белая муть указывает на со­держание сульфатов в количестве сотых долей процента. Слабая муть, заметная лишь на черном фоне, образуется при содержании сульфатов в количестве тысячных долей процента.

Качественное определение нитратов

В пробирку переносят 5 см³ фильтрата водной вытяжки и по каплям добавляют раствор дифениламина в серной кислоте. При наличии нитратов раствор окрашивается в синий цвет.

Качественное определение кальция

Фильтрат водной вытяжки в количестве около 10 см³ нали­вают в пробирку, подкисляют одной-двумя каплями 10-про­центной соляной кислоты и добавляют 5 см³ 4-процентного раствора щавелевокислого аммония (оксалата аммония). При наличии кальция протекает реакция:

СаС1₂ + (NН₄)₂С₂O₄ = СаС₂O₄ +2NH₄С1.

Выпадающий белый осадок щавелевокислого кальция сви­детельствует о содержании кальция в количестве десятых до­лей и единиц процента. При содержании кальция в количестве сотых и тысячных долей процента наблюдается не осадок, а легкое помутнение раствора.

Качественный анализ соляно-кислой вытяжки

Остаток на фильтре от фильтрования водной вытяжки стек­лянной палочкой переносят в колбу, где находится исходная навеска. В колбу наливают 50 см³ 10-процентной соляной кис­лоты. Содержимое колбы несколько раз взбалтывают в тече­ние 30 минут и затем отстаивают 5 минут.

Качественное определение окисида железа (II) и окисида
железа (III).

Через воронку с фильтром в пробирку отфильтровывают 5-6 см³ соляно-кислой вытяжки.

Фильтрат из пробирки наливают в две фарфоровые чашки (около 5 см в диаметре) по 1-2 см³ в каждую. В первую чашку бросают кристаллик красной кровяной соли. Появляющееся синеватое окрашивание (образование турнбулевой сини) ука­зывает на присутствие окисида железа (II).

Во вторую чашку добавляют несколько капель 10-процент­ного раствора роданистого калия. При наличии окисиды. железа (III) раствор окрашивается в красный цвет. По интенсивности окрашивания можно судить о количестве окиси железа (III).

Качественное определение сульфатов и кальция.

Оставшуюся в колбе соляно-кислую вытяжку отфильтровы­вают в колбу через воронку с бумажным фильтром. Из общей массы фильтрата отбирают в одну пробирку 5 см³ фильтрата, а в другую — 10 см³ и производят качественное определение сульфатов и кальция, как это было описано выше.

Результаты качественного анализа записывают в рабочую тетрадь по предлагаемой схеме (табл. 3.2). Присутствие какого-либо компонента отмечают знаком плюс (+), а отсутствие - ми­нус (-).

Таблица 3.2

Результаты качественного анализа растворимых соединений почвы

Оборудование: фарфоровая ступка с пестиком, тех­нические весы с разновесами, фильтры или фильтровальная бумага, стеклянные воронки, колбы емкостью 200 см³ (1 шт.) и 100 см³ (2 шт.), железный штатив, пробирки (6 шт.) в дере­вянном или пластмассовом штативе, фарфоровые чашки диа­метром около 5 см (3 шт.).

Реактивы: 10-процентная азотная кислота, 0,1-нор-мальный раствор азотно-кислого серебра, 10-процентная соляная кислота, 20-процентный раствор хлористого ба­рия, раствор дифениламина в серной кислоте, 4-процент­ный раствор щавелевокислого аммония, красная кровяная соль (кристаллическая), 10-процентный раствор роданис­того калия.

Опыт 2. Определение засоленности почв городских улиц по сухому остатку

Для борьбы с гололедом на городских улицах очень часто применяют поваренную соль (NaCl). Под действием соли лед тает, делается пористым и нескользким. Однако образующийся рассол разъедает металлические части автомашин, портит шины. В самой же почве увеличивается концентрация почвенного раствора (особенно у почв с хорошим поглощающим комплексом: черноземы, глинистые почвы), что приводит к дефициту доступной для растений влаги, нарушает их водных режим. Особенно ярко это проявляется у лип, растущих вдоль дорог. Хлорозы и некрозы листовой пластинки у лип под действием солей наблюдается чаще всего во второй половине лета и начинаются с края листа, постепенно распространяясь на всю листовую пластинку. Живая ткань постепенно отмирает и листья преждевременно опадают. Однако это явление не специфично и может наблюдаться и под влиянием других факторов (газовое загрязнение воздуха, ухудшение водного режима почв и растений).

Оборудование, реактивы, материалы

1)весы технохимические или аналитические; 2) колбы на 500 мл; 3) воронки; 4) стеклянные палочки; 5) ступки; 6) сито с ячейкой 1 мм; 7) выпаривательные чашки; 8) водяная баня; 9) фильтры; 10) сушильный шкаф; 11) дистиллированная вода, не содержащая СО₂. Для освобождения от СО₂ берут 2-3 л дистиллированной воды. Кипятят 30 мин., охлаждают.

Ход работы

А. Приготовление почвенной вытяжки

Навеску почвы 100 или 50 г помещают в сухую колбу емкостью 500-750 мл и приливают 5-кратное количество дистиллированной воды, не содержащей углекислоты (250-500 г). Колбу с навеской закрывают резиновой пробкой и взбалтывают 5 мин., после чего вытяжку фильтруют через сухой складчатый фильтр. Фильтр помещают в воронку диаметром 15-20 см так, чтобы он лежал на 0,5-1 см ниже края воронки. Нельзя допускать, чтобы фильтр был выше воронки, так как в этом случае по краю фильтра образуются «выцветы» солей и концентрация их в фильтрате снижается.

Перед тем, как вылить вытяжку в фильтр, содержимое колбы встряхивают, чтобы взмутить навеску, и на фильтр стараются перенести по возможности всю почву. Это необходимо для того, чтобы частички почвы закольматировали поры фильтра, что способствует увеличению прозрачности фильтрата. При выливании суспензии струю направляют на боковую стенку фильтра, чтобы он не прорвался. Вытяжку профильтровывают до тех пор, пока фильтрат не стане прозрачным. Анализ водной вытяжки начинают после того, как она полностью отфильтруется. Ее количество измеряют мерным цилиндром. Водные вытяжки анализируют сразу же после их получения, так как под влиянием микробиологической деятельности может изменяться их состав. Хранят вытяжку в колбе с закрытой пробкой.

Б. Определение сухого остатка вытяжки

Сухой остаток водной вытяжки дает представление об общем содержании в почве растворимых в воде органических и минеральных соединений. По величине сухого остатка определяют степень засоленности почв.

50-100 мл водной вытяжки помещают в фарфоровую выпаривательную чашку диаметром 7-10 см (предварительно высушенную и взвешенную). Выпаривают, постепенно добавляя новые порции вытяжки. По окончании выпаривания чашку с сухим остатком вытирают снаружи фильтровальной бумагой и высушивают в сушильном шкафу при 105 ºС в течение трех часов, охлаждают, взвешивают. Можно высушивание провести на слабо нагретой электроплитке, избегая только прокаливания остатка. Содержание растворимых веществ характеризуется величиной сухого остатка, выраженной в процентах:

А · 100

Сухой остаток, % = --------------,

Р

где: А – масса остатка, г;

Р – навеска почвы, соответствующая взятому объему вытяжки, г.

Для того, чтобы удалить из сухого остатка растворимые органические вещества, пробы в чашках прокаливают в муфеле при 600 ºС до белого цвета: 10-15 мин с момента достижения указанной температуры. Если озоление не произошло, то чашку охлаждают, добавляют несколько капель дистиллированной воды и снова прокаливают.

Содержание водорастворимых солей в большинстве почв колеблется от сотых до десятых долей процента. Засоленные считаются почвы с содержанием солей более 0,2 %. Если в почвах содержание солей не превышает 1%, то их относят к солончакам.

Контрольные вопросы

1. В чем особенности химического состава почв?
2. Какие соединения относятся к легкорастворимым?
3. Какие соединения относятся к среднерастворимым?
4. В чем причины засоления почв городских улиц и каковы его последствия?
5. Поясните ход анализа при определении сухого остатка почвенной вытяжки.
6. Как рассчитывается сухой остаток?
7. Как проводится качественное определение хлоридов?
8. Как проводится качественное определение сульфатов?
9. Как проводится качественное определение кальция и нитратов?