Примеры решения задач

Пример 19. Образец почвы был взят из верхнего горизонта влажной почвы. Из образца массой 50 г были экстрагированы 19-нитраты при помощи 200 мл 2 М КСl. Измеренная концентрация ионов NO составляла 6 мг/л. Содержание воды во влажной почве – 26 г/100 г абс. сухой почвы. Рассчитайте количество ионов NO в почве в миллиграммах на килограмм абс. сухой почвы (мг/кг). Какова концентрация нитрата в почвенном растворе? Рассчитайте количество ионов NO в верхнем слое почвы (2500 т/га) в килограммах на гектар (кг/га).

Решение. В качестве первого шага определим количество нитратов (m_NO), которое было экстрагировано:

m_NO=V_эС _NO,

где V_э – объем экстрагента, л;

С _NO – изморенная концентрация нитратов, г/л;

m_NO = 200 ^· 10^–3 – 6 ^· 10^–3 = 1,2 ^· 10^–3 (г).

Далее пересчитаем взятый образец влажной почвы на абсолютную сухую почву. Исходим из следующей пропорции:

126 г влажной почвы содержит 100 г абс. сухой почвы

50 г влажной почвы содержит X г абс. сухой почвы.

Таким образом, количество абсолютно сухой почвы в 50 г влажной почвы составит:

X =.

В 1кг абс. сухой почвы будет содержаться ионов NO:

.

0,030 (г /кг абс. сухой почвы) =

= 30 (мг /кг абс. сухой почвы).

Примем, что объем почвенного раствора равен объему воды, присутствующей во влажной почве. Таким образом, концентрация нитратов в почвенном растворе (С) составит:

С=,

где ρ – плотность почвенного раствора, для упрощения в этой задаче принятая равной 1 кг/л;

.

Общее количество нитратов М, содержащееся на 1 гапочвы, может быть определено следующим образом:

М=,

где М_почв – масса почвы на площади 1га;

m_обр – масса навески почвы (50г);

m – содержание нитратов в почве;

М=

Ответ: в 1кг абс. сухой почвы содержится 30 мг NO; содержание NO в почвенном растворе – 0,12 г/л; содержание NO в верхнем слое почвы – 60 кг/га.

10. Соединения фосфора в почве

Общее количество фосфора в верхнем слое почвы в среднем составляет около 1000 кг ^· га^–1. Главный источник его поступления – почвообразующие породы, некоторая незначительная часть поступает с атмосферными осадками. Ежегодно с урожаем сельскохозяйственных растений из почвы выносится от 10 до 40 кг ^· га^–1 фосфора. Поэтому значительные количества его соединений дополнительно вносятся в почву с органическими и минеральными удобрениями. Соединения фосфора в почве содержатся в почвенном растворе, находятся в адсорбированном состоянии на поверхности неорганических компонентов почвы, присутствуют в твердой фазе почв в виде аморфных и кристаллических минералов и входят в состав органических соединений почвы.

В зависимости от вида почв содержание фосфора в органических соединениях изменяется от 10-20% (дерново-подзолистые почвы) до 70-80% (черноземные почвы) от его общего содержания в почвенном слое. Основное количество (до 60%) органических соединений фосфора во многих почвах находится в виде инозитолфосфатов, которые представляют собой эфиры ортофосфорной кислоты и насыщенного шестиатомного циклического спирта – циклогексангексола, или инозита. В результате присоединения к инозиту шести молекул ортофосфорной кислоты образуется 12 – основная инозитгексафосфорная кислота. При неполном фосфорилировании возникают цента-, тетра-, три-, ди- и моноинозитолфосфаты.

В составе гуминовых и фульвокислот может находиться от 2-3 до 50-80% всего фосфора, содержащегося в органической части почв. Его концентрация в гуминовых кислотах колеблется от 0,03-0,05 до 0,3-0,5%. Часть этого фосфора представлена также инозитолфосфатами.

Около 1% фосфора органической части почв сосредоточено в липидах, 2-3% – в нуклеиновых кислотах. Помимо этих соединений в почве идентифицированы фосфопротеины, сахарофосфаты и фосфорилированные карбоновые кислоты. Фосфаты принимают участие и в образовании органоминеральных соединений в почве, в этом случае ортофосфаты, например, могут быть связаны с органическими соединениями через катионные мостики железа, алю­миния или кальция.

Минеральная часть твердой фазы почв представлена в основном ортофосфатами, преимущественно минералами апатитовой группы. Кроме них распространены минералы группы плюмбогумита РbАl₃Н(ОН)₆(РО₄)₂, на долю которых в некоторых видах почв приходится до 50% от всей массы минерального фосфора, вавеллита Аl(РО₄)₄(ОН)₆ ^· 5Н₂О и вивианита Fe₃(PO₄)₂ ^· 8H₂O. Все встречающиеся в почве ортофосфаты относятся к труднорастворимым соединениям (таблица 10).

Трансформация соединений фосфора в почве связана с протеканием процессов минерализации органических фосфорсодержащих веществ, а также процессов иммобилизации, фиксации и мобилизации его неорганических соединений.

Минерализация – процесс превращения органических соединений фосфора и минеральные. Этот процесс протекает в почве в результате деятельности микроорганизмов. При этом под воздействием различных ферментов, например, фитаз, происходит выделение из органических веществ остатков ортофосфорной кислоты. Последующие их превращения будут определяться свойствами почвенного раствора и составом твердой фазы почв.

Таблица 10. Основные представители ортофосфатов кальция в почвах

Вещество	Формула	рК = – lg К
Гидрофосфат кальция	СаНРО4	6,66
Фосфат кальция	-Са3(РО4)2	33,21
Ортофосфат кальция	Са3(РО4)23Н2О	146,9
Гидроксилапатит	Са10(РО4)6(ОН)2	113,7
Фторапатит	Ca10(PО4)6F2	18,4

Иммобилизация – превращение неорганических соединений фосфора в органические формы в процессе развития живых организмов. При этом фосфор переходит, например, в молекулы фосфолипидов или нуклеиновых кислот микробных клеток и в форме органических фосфорсодержащих соединений становится недоступным для других организмов.

Фиксация фосфора – переход растворимых фосфорных соединений в менее растворимое состояние за счет образования прочных связей с минеральными компонентами почвы. Фиксация протекает в результате образования труднорастворимых минералов и в процессе хемосорбции фосфат-ионов из почвенного раствора. Хемосорбция осуществляется в результате связывания фосфат-ионов с ионами Al, Fe или Са, которые находятся на поверхности минера­лов. В случае взаимодействия фосфат-ионов с катионами железа, алюминия или кальция, присутствующими в растворе, возможно образование и выпадение малорастворимых соединений.

Мобилизация – увеличение подвижности соединений фосфора, связанное с превращением труднорастворимых соединений в более растворимые, или переход их в почвенный раствор. Для большинства почв главный путь мобилизации связан с переходом соединений кальция из трикальцийфосфата в гидрофосфат или дигидро-фосфат кальция:

Са₃(РО₄)₂  СаНРО₄  Са(Н₂РО₄)₂. (28)

Эти превращения протекают в присутствии свободных кислот, образующихся, в частности, при трансформации компонентов почв. Для оценки возможного перехода фосфатов из твердой фазы почв в почвенный раствор на практике часто используют величину фосфатного потенциала почв (ФП). Фосфатный потенциал почв характеризует степень равновесности почвенного раствора по отношению к дигидрофосфату кальция:

ФП = –lg((29) или ФП = 0,5р(Са²⁺) + р(Н₂РО), (30)

где р(Са²⁺) = – lga_Ca²⁺), p(H₂PO) = –lg.

Сравнивая величину фосфатного потенциала с отрицательным логарифмом корня квадратного из произведения растворимости дигидрофосфата кальция, можно сделать вывод о вероятном поведении соединений фосфора. Так, если для почв соблюдается неравенство

0,5р(Са²⁺) + р(Н₂РО) > –lg (31)

то концентрация фосфат-ионов в растворе контролируется соединениями, более трудно растворимыми, чем Ca(H₂PO₄)₂. Если наблюдается равенство

0,5р(Са²⁺) + р(Н₂РО) = –lg, (32)

то растворяется преимущественно монокальцийфосфат. Чем выше фосфатный потенциал, тем труднее переходит фосфор в почвенный раствор, тем менее благоприятные условия создаются для питания растений фосфором.