233

Мониторинг почвенного покрова

Методические указания по выполнению лабораторных работ

ОМСК - 2012

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Кафедра «Инженерная экология и химия»

Мониторинг почвенного покрова

Методические указания по выполнению лабораторных работ

Составители: В.Г.Еремеева, О.В.Плешакова,. А.Эмралиева

Омск Издательство СибАДИ

2012

2

УДК 577.4

Рецензент: начальник центра по мониторингу загрязнения окружающей среды (ЦМС) города Омска О.В.Деманова

Работа одобрена методической комиссией факультета АДМ в качестве методических указаний к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Методы и приборы контроля окуружающей среды» для студентов 3 курса специальности

330200.

Мониторинг почвенного покрова: Методические указания по выполнению лабораторных работ / Составители: В.Г.Еремеева, О.В.Плешакова, С.А.Эмралиева. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2012. – 23 с.

Работа предназначена для выполнения лабораторных работ по экологическому мониторингу, методам и приборам контроля студентами специальности 330200. Лабораторный практикум является практическим приложением теоретического материала курса и включает 12 лабораторные работы. В практикуме предлагается описание ряда аналитических работ, которые проводятся как отдельные элементы мониторинга. Выполнение этих работ даст возможность студентам достаточно полно ознакомиться с программами и характером мониторинга окружающей среды.

Табл. 3. Библиогр.: 7 назв.

Составители: В.Г.Еремеева, О.В.Плешакова, С.А. Эмралиева, 2012

3

ВВЕДЕНИЕ

Почва - биокосное образование биосферы, результат взаимодействия между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами. В почве постоянно и одновременно протекают химические, физические и биологические процессы.

Любую почву можно рассматривать как гетерогенную, многофазную систему, состоящую из твердой (минеральные и органические компоненты), жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух) фаз.

Минеральный состав почв складывается в основном из кварца (Si02) и алюмосиликатов – оксидов алюминия и кремния (Si02·А/2О3·Н2О) в различных соотношениях. Твердая фаза почв состоит из равномерных частиц - механических элементов. В зависимости от размеров частиц различают песчаные, суглинистые и глинистые почвы. От механического состава почв зависит в большой степени интенсивность переноса и накопления в почве органических и минеральных соединений.

Органический компонент почв представлен гумусовыми веществами, образующимися в результате превращений органических остатков, поступающих в почву после отмирания растений. Биологическая составляющая представлена зелеными растениями, микроорганизмами и животными. В формировании плодородия важная роль принадлежит почвенным микроорганизмам. Плодородие почв определяется содержанием в ней гумусовых веществ, химически и микробиологически устойчивых. Гумусовые вещества содержат водород (Н), углерод (С), кислород (О), а также серу (S) около 1 % и азот (N) - 2-5 %.

Антропогенные воздействия на почву обширней, чем на другие компоненты биосферы. Важным фактором антропогенного воздействия на почву является применение минеральных удобрений. Не все вводимые в

почву удобрения используются растениями, многое теряется, выносится в водную среду.

Особенно остро стоит проблема азотных удобрений. Избыточное содержание азотных удобрений в почве отрицательно воздействует на растения. Избыточный азот накапливается в почве обычно в форме нитратов. Так как в этой форме азот в почве не сорбируется, он легко вымывается почвенными водами, причем 20-40 % его поступают в грунтовые воды и близлежащие водоемы.

Сточные воды животноводческих комплексов, содержащие большое количество азота, являются основными загрязнителями почв и водных систем. Не контролируемый источник поступления соединений азота в почву - промышленность по производству азотных удобрений.

5

Перенасыщение почвы соединениями азота происходит и при многократных посевах сои и других бобовых культур, посевы которых часто применяются в качестве зеленых удобрений.

Повышение содержания нитратов в почве, в сельскохозяйственной продукции и питьевой воде приводит к отрицательным последствиям для здоровья человека. При использовании аммиачных форм азотных удобрений происходит потеря гумуса, возрастает его минерализация. Применение азотных удобрений вызывает повышенное содержание оксида азота N20 в атмосфере.

Наряду с этим происходит неконтролируемое загрязнение земель тяжелыми металлами, в основном соединениями ртути, свинца, кадмия. Это связано с тем, что эти металлы содержатся в золе, угле и нефти. При сжигании горючих ископаемых вместе с золой на поверхность Земли поступают миллионы тонн металлов.

Растет загрязнение почв пестицидами, которые всегда отрицательно влияют на живое население почв, поддерживающее почвенное плодородие. Пестициды вызывают депрессию процесса нитрификации, увеличивают эрозию почв. Влияют они и на насекомыхопылителей, на содержание микроэлементов и других биогенных веществ в растениях, на устойчивость сельскохозяйственной продукции к хранению, на вкусовые качества и пищевую ценность растений и на здоровье человека.

До 80 % пестицидов адсорбируется почвенным гумусом, из-за чего время их пребывания в почве значительно возрастает. В этом состоянии они практически не подвергаются биоразложению. Испаряясь с поверхности почв, пестициды загрязняют атмосферу, при просачивании попадают в грунтовые воды.

Нормирование химического загрязнения почв устанавливается по предельно допустимым концентрациям (ПДКП). По своей величине ПДКП значительно отличаются от принятых допустимых концентраций для воды и воздуха. Это отличие объясняется тем, что поступление вредных веществ в организм человека из почвы происходит через контактирующие с почвой объекты (воздух, вода, растения).

ПДКП - это такая концентрация химического вещества (в мг на кг почвы в пахотном слое), которая не должна вызывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды и здоровье человека, а также на способность почвы к самоочищению. Существуют 4 разновидности ПДКП в зависимости от путей миграции химических веществ в сопредельные среды:

ТВ - транслокационный показатель, характеризующий переход вещества из почвы через корневую систему в зеленую массу и плоды растений;

6

МА - миграционный воздушный показатель, характеризующий переход химического вещества из почвы в атмосферу;

МВ - миграционный водный показатель, характеризующий переход химического вещества из почвы в подземные грунтовые воды и водоисточники;

ОС - общесанитарный показатель, характеризующий влияние химического вещества на способность почвы к самоочищению и на живое население почвы.

В случае применения новых химических соединений, для которых отсутствует ПДК, проводят расчет временно допустимых концентраций (ВДКП) по формуле

ВДКП = 1,23 + О,48ПДКПР ,

где ПДКПР - предельно допустимая концентрация для продуктов (овощные и плодовые культуры), мг/кг.

Отбор проб почвы для исследования проводят на участке площадью 25 м2 в 3…5 точках по диагонали с глубины 0,25 м, а при выяснении влияния загрязнений на грунтовые воды - с глубины 0,75…2 м. Масса каждой пробы должна составлять 0,2…1 кг.

Классификацию почв по степени загрязнения проводят по предельно допустимым количествам (ПДК) химических веществ и их фоновому загрязнению. По степени загрязнения почвы подразделяются на: 1) сильнозагрязненные; 2) среднезагрязненные; 3) слабозагрязненные.

Ксильнозагрязненным относят почвы, в которых содержание загрязняющих веществ в несколько раз превышает ПДК, имеющие низкую биологическую продуктивность, существенное изменение физикохимических, химических и биологических характеристик.

Ксреднезагрязненным относят почвы, в которых установлено превышение ПДК без существенных изменений в свойствах почв.

Кслабозагрязненным относят почвы, в которых содержание химических веществ не превышает ПДК, но выше естественного фона.

Коэффициент концентрации загрязнения почвы Нс вычисляется по формуле:

где С - общее содержание загрязняющих веществ; СФ-- среднее фоновое содержание загрязняющих веществ;

СПДК - предельнодопустимое содержание загрязняющих веществ.

7

1. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ВОДНОЙ ВЫТЯЖКИ ПОЧВЫ

Лабораторная работа 1.Определение рН

Реакция почвы - это свойство, характеризующее степень её кислотности или основности, которое оценивается по содержанию ионов H+ или ОН- в почвенном растворе, водной или солевой вытяжках из почв. Реакция почвы выражается величиной рН, представляющей собой отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов в растворе. По величине рН различают реакцию почв:

< 4,5 - сильнокислая, 4,6-5,5 - кислая, 5,6-6,5 - слабокислая, 6,6-7,0 - нейтральная, 7,1-7,5 - слабощелочная, 7,6-8,5 - щелочная, > 8,5 - сильнощелочная.

Кислотность почв вызывается водородными ионами, которые находятся в почвенном растворе в свободном состоянии или поглощены почвенными коллоидами. В последнем случае ионы водорода могут быть вытеснены из поглощенного состояния нейтральными солями (например, KCl). Наличие в почве поглощенного водорода значительно ухудшает ее свойства: почва теряет структурность, из нее легко вымываются необходимые растениям элементы питания, плодородие резко снижается.

Кислотность почвы определяют в водных и солевых вытяжках. В водных вытяжках определяют активную кислотность, которая обусловлена концентрацией водородных ионов в почвенном растворе, а в солевых - потенциальную (обменную) кислотность, обусловленную наличием в почве поглощенных ионов водорода, а иногда и алюминия.

Для определения реакции почвы в величинах рН необходим набор Алямовского или универсальная индикаторная бумага, но лучше всего рН-метр или иономер универсальный.

Реактивы:

1)10 % азотная кислота (HNO3);

2)10 % соляная кислота (HCl);

3)0,1 н. раствор нитрата серебра (AgNO3);

4)20 % раствор хлорида бария (BaCl2);

5)4 % раствор оксалата аммония ((NH4)2C2O4);

6)10 % раствор роданида калия (KCNS);

7)красная кровяная соль (кристаллическая) (K3[Fe(CN)6]).

8

Оборудование и приборы:

1)колбы ёмкостью 100 и 250 мл - 2 шт.;

2)фильтры, воронки - 1 шт.;

3)чашки фарфоровые - 2 шт.;

4)палочки стеклянные -1 шт.;

5)весы;

6)фарфоровая ступка с пестиком;

7)пробирки (6 шт.).

Из образца отбирают методом квартования среднюю пробу, тщательно растирают пестиком в фарфоровой ступке. На весах берут навеску почвы 10 г и переносят в колбу ёмкостью 250 мл, куда наливают 50 мл дистиллированной воды. Колбу несколько раз взбалтывают. Содержимое отстаивают 5-10 мин и фильтруют по палочке через воронку с бумажным фильтром в колбу ёмкостью 100 мл. Фильтр должен плотно прилегать к стенкам воронки и немного не доходить до ее верхнего края.

Фильтруемый раствор следует наливать немногим более чем до половины фильтра. Колбу с оставшейся после фильтрования почвой используют в дальнейшем для солянокислой вытяжки.

Вместо фильтрования можно использовать центрифугу. Для солонцов и солонцеватых почв приемлемо только центрифугирование, так как большое количество гидрофильных коллоидов в этих почвах мешает фильтрованию.

Лабораторная работа 2. Определение хлоридов (Сl-)

Из отфильтрованной жидкости (фильтрата) пипеткой берут 5 мл в пробирку, куда добавляют 3…4 капли 10 % - ной азотной кислоты и по каплям добавляют 0,1 н. раствор нитрата серебра.

При наличии хлоридов нитрат серебра реагирует с ними по схеме: NaCl + AgNO3 = AgCl↓ + NaNO3.

Хлорид серебра выпадает в виде осадка. Реакция эта часто 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 осадок не выпадает, но наблюдается ясная опалесценция раствора. Появление

слабой опалесценции указывает на незначительное присутствие в почве хлоридов (тысячные доли процента). Ионы СГ образуют с любыми катионами токсичные соли.

9

Лабораторная работа 3. Определение сульфатов (SО42-)

Пипеткой берут 3 мл водной вытяжки в пробирку, добавляют 3…4 капли 10 % -ной соляной кислоты и 2 мл 20 %-ного раствора хлорида бария. Раствор в пробирке медленно нагревают до кипения. При наличии сульфатов происходит реакция:

Na2SO4 + BaCl = 2 NaCl + BaSO4↓.

Сульфат бария выпадает в виде белого мелкокристаллического осадка. Образование ясно видимого белого осадка свидетельствует о содержании сульфатов в количестве нескольких десятых долей процента и более. Сильная 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. Ионы SO42- могут быть связаны с токсичными солями Na2SO4, MgSO4.

Лабораторная работа 4. Определение ионов кальция (Ca2+)

В пробирку наливают 5 мл фильтрата водной вытяжки, подкисляют 1…2 каплями 10 %- ной соляной кислоты и добавляют 2 мл 4 %-ного раствора оксалата аммония. При наличии кальция протекает реакция:

CaCl2 + (NH4)2C2O4 = 2NH4Cl + CaC2O4↓.

Выпадающий белый осадок оксалата кальция свидетельствует о содержании кальция в количестве десятых долей и единиц процента. При содержании кальция в количестве сотых долей процента наблюдается не осадок, а легкое помутнение раствора. Ионы Са2+ могут быть связаны с токсичной солью CaCl2 и нетоксичными солями Ca(NO3)2 , Ca(HCO3)2.

2. Качественный анализ солянокислой вытяжки почвы

Остаток на фильтре от фильтрования водной вытяжки стеклянной палочкой переносят в колбу, где находилась исходная навеска. В колбу наливают 50 мл 10 %-ной соляной кислоты. Содержимое колбы несколько раз взбалтывают в течение 30 мин и затем отстаивают 5 мин. После этого фильтруют в колбу емкостью 100 мл.

В солянокислую почвенную вытяжку переходят подвижные формы железа. В почвенном растворе железо находится в форме свободных ионов и в составе комплексов с органическими и неорганическими (OH-, F-, Сl2-, CO32-, HPO42-) лигандами. Присутствие в растворе фульвокислот ведет к повышению концентрации Fe на порядок и выше. В кислых почвах с избыточным увлажнением в составе подвижных соединений преобладает Fe2+, оказывающее токсичное действие на растения (нарушаются

10