Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы почвенно-экологических исследований. Учебное пособие.pdf
концентрации; органические растворители (спирт, ацетон, бензол
и др.) – экстрагируют из почвы при контролируемых условиях взаимодействия какую-то определенную группу соединений интересующего исследователя элемента.
Инструментальные методы анализа химического состава
почв позволяют определить в почве в целом (и в отдельных ее компонентах – агрегатах, органическом веществе, илистой фракции,
в почвенных, грунтовых и наземных водах) многие макро- и микроэлементы, в том числе тяжелые металлы. Определение тяжелых металлов позволяет проводить мониторинг загрязнения почв.
Метод пламенной фотометрии. Им определяют K, Na, Ca, Mg
и другие элементы. Принцип данного метода состоит в сравнении
интенсивности спектров испускания элементов, содержащихся в исследуемом растворе, с интенсивностью спектров испускания этих
элементов в растворах с известной концентрацией. При введении
в пламя горелки с помощью распылителя анализируемого раствора происходит его быстрое испарение, а находящиеся в нем соли
диссоциируют на свободные атомы. Под воздействием температуры
пламени атомы переходят в возбужденное состояние (т. е. электроны
переходят на новые энергетические уровни). Возбужденное состояние атома очень неустойчиво и длится около 10–8 с, после чего атом
снова переходит в обычное состояние, выделяя избыток энергии
в виде кванта hν. При этом образуются спектральные линии, которые
выделяются с помощью светофильтров. Интенсивность излучения
спектра определяемого элемента находится в зависимости от концентрации этого элемента в растворе.
Недостатком метода является то, что наличие высоких концентраций других «мешающих» элементов в растворе может в несколько раз превышать концентрацию определяемого элемента.
Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС). Для определения химических элементов в почвах готовят различные вытяжки,
в которых можно определять до 70 элементов (как в почвах, так
и в растениях). Достоинством этого метода является простота выполнения анализов, избирательность, хорошая чувствительность.
Полярографический метод позволяет анализировать ионы металлов, многие анионы, органические вещества, способные к электрохимическому окислению или восстановлению.
31
Фотоколориметрический метод основан на том, что проходящее через раствор излучение видимой области спектра поглощается
веществом пропорционально его концентрации в растворе.
Фотоколориметр КФК-2 снабжен 11 цветными светофильтрами
с шириной полосы пропускания 20–40 нм. После того как фотоколориметр включают в сеть, с помощью ручки переключения длин
волн выбирают необходимый светофильтр. После 20-минутного
прогревания прибор готов к работе. В световой пучок помещают
кювету с растворителем или контрольным раствором, по которому
проводятся измерения, закрывают крышку кюветной камеры и ручками «чувствительность», «установка грубо» и «установка точно»
устанавливают отсчет по нижней шкале оптической плотности (D)
на «0». Затем в световой пучок вводят кювету с исследуемым раствором и снимают отсчет по шкале в единицах оптической плотности.
Построение калибровочного графика. Для построения графика готовят серию растворов определяемого вещества с известными
концентрациями, охватывающими всю область возможных изменений концентраций этого вещества в исследуемых растворах. Затем
измеряют оптические плотности всех растворов и строят график,
откладывая по оси абсцисс известные концентрации, а по оси ординат – соответствующие им значения оптической плотности.
По построенному графику определяют неизвестную концентрацию вещества в исследуемых растворах, соответствующую измеренному значению оптической плотности.
Электронно-микроскопический метод изучает минеральный
состав почв. Данный метод получил широкое распространение
в различных областях науки и техники, в том числе в почвоведении,
мелиорации, агрохимии. Для изучения микромира почв, исследования элементарных почвенных процессов весьма эффективно применять электронный микроскоп, позволяющий наблюдать и изучать
такие детали, которые невозможно выявить другим путем. Основной
характеристикой любого увеличительного оптического прибора является его разрешающая способность, т. е. способность давать раздельное изображение точек объекта, близко расположенных друг от
друга. Создание в середине 30-х годов XX в. электронных микроскопов с разрешающей способностью до 2Å (2·10–4 мкм) дало науке
возможность детально изучать микромир. Современные электрон-
32
ные микроскопы позволяют увидеть не только молекулы веществ
и микроорганизмы, но даже отдельные атомы тяжелых металлов.
Ренгенографический метод изучает минеральный состав илистой и коллоидной фракций. С помощью данного метода решается
несколько задач, но одна из важнейших заключается в определении
минералов, которые присутствуют в высокодисперсной части почв.
Сущность рентгенографического метода определения минералов
основана на том, что каждый минерал имеет свойственную только
ему кристаллическую решетку. В кристаллическом виде все атомы,
ионы и молекулы расположены упорядоченно и в целом образуют
пространственную решетку.
Картографический метод применяется для изображения на картах почвенного покрова отдельных территорий. Для его выполнения
используют методы топографии, сравнительно-географический,
сравнительно-аналитический, метод почвенных ключей, аэрокосмические методы с использованием аэро- и космических снимков.
Контрольные вопросы
1. Перечислите и охарактеризуйте существующие методы
исследования почв.
2. Дайте характеристику полевых методов исследования почв:
сравнительно-географического, профильного, морфологического.
3. Какие правила необходимо соблюдать при закладке почвен-
ных разрезов?
4. Расскажите о методах отбора и подготовке к анализу образ-
цов почв.
5. Назовите и дайте краткую характеристику инструменталь-
ных методов анализа.
6. Охарактеризуйте основные методы анализа почв.
2.1. Показатели и методы оценки вещественного состава почв
Элементный состав почвы позволяет получить представление об
общем содержании каждого из химических веществ в почве и оценить
итоги процессов почвообразования. Однако при исследовании механизмов почвенных процессов он становится малоинформативным,
33
потому что в химических реакциях участвуют конкретные молекулы,
ионы, функциональные группы. Они часто обуславливают и специфические свойства почв. Именно поэтому понимание природы процессов опирается не столько на элементный, сколько на вещественный
состав почвы. Вещественный состав характеризует набор и содержание в почве индивидуальных химических соединений. Разработаны
и широко используются приемы, позволяющие определить компоненты почвенного гумуса, карбонаты щелочно-земельных металлов,
гипс, содержание и состав легкорастворимых солей.
Оценка данных анализа минеральной части почвы
Данные валового анализа минеральной части почвы, вычисленные на безгумусную, безводную и бескарбонатную навеску, необходимо оценивать следующим образом.
1. По соотношению содержания SiO2 и R2O3 в почве и особенно в ее илистой фракции. Молярные отношения этих компонентов
дают представление о типе коры выветривания, на которых развита данная почва. Если это отношение меньше 2,0, то это аллитные
коры, 2,0–2,5 – ферралитные, более 3,0 – сиаллитные. Определенную информацию о почвообразующих породах дает и абсолютное
содержание отдельных элементов. Например, высокое содержание
SiO2 (до 95 %) свидетельствует о развитии почвы на песчаных породах с большим содержанием кварца, повышенное количество R2O3
(30–50 %) – о формировании почв на ферраллитных породах, при содержании карбонатов до 30-40 % и более – на развитие почв на известковых отложениях.
2. По распределению SiO2 и R2O3 (Al2O3 и Fe2O3) в профиле
почвы, что позволяет судить о наличии или отсутствии процессов
разрушения почвенных минералов. Дифференциация почвенного
профиля по этим компонентам может быть также следствием внутрипочвенного выветривания или развития лессиважа.
Чаще всего наблюдается два типа распределения валового содержания SiO2 и R2O3 по профилю почв, развитых на однородных
породах. Первый – равномерное, без какой-либо существенной
дифференциации. Такое распределение свойственно почвам типа
черноземов, каштановых. Их генезис связан с гумусово-аккумулятивным процессом и для них несвойственно разрушение почвенных минералов (за исключением солонцовых и осолоделых родов).
34
Второй – дифференцированный, с обеднением верхних горизонтов
R2O3 и обогащением их SiO2. Вниз по профилю содержание R2O3
возрастает, и в иллювиальной части профиля может наблюдаться их
максимум. Такое перераспределение отчетливо выражено в почвах,
образование которых связано с развитием процессов оподзоливания,
лессиважа, осолодения, солонцового и элювиально-глеевого процесса. Обогащение средней части профиля R2O3 может быть обусловлено также процессом внутрипочвенного выветривания (оглинения).
3. По валовому содержанию фосфора, серы, калия и других
элементов питания. Эти данные вместе с содержанием азота позволяют оценить потенциальное богатство почвы наиболее важными
элементами питания растений. Имея показатели плотности почвы,
можно вычислить абсолютные запасы элементов на любой глубине
профиля почвы или в отдельных горизонтах, что дает возможность
судить о потенциальном плодородии почв, процессах миграции и аккумуляции отдельных элементов.
4. По содержанию и распределению в почве карбонатов (СО2).
Глубина залегания карбонатов во многих почвах – основной диагностический показатель для определения подтипа (дерново-карбонатные типичные, дерново-карбонатные выщелоченные), рода (черноземы обыкновенные карбонатные и др.). Наличие карбонатов в профиле
почвы обуславливает определенную качественную направленность
почвообразовательного процесса – улучшение условий гумификации
и гумусонакопления, формирование нейтральной или слабощелочной
реакции, высокую насыщенность основаниями и др.
2.1.1. Определение общего содержания азота методом Кьельдаля
Принцип метода. Метод основан на разложении органического
вещества почвы концентрированной серной кислотой в присутствии
катализатора. Образующийся при это аммиак связывается избытком
серной кислоты в сульфат аммония. Полученный после разложения
органического вещества раствор переносят в отгонную колбу Кьельдаля, где сульфат аммония разлагается щелочью до аммиака. Выделяющийся аммиак отгоняют и улавливают 2 %-м раствором борной
кислоты. Образующийся в растворе борной кислоты борат аммония
оттитровывают 0,02 М раствором серной кислоты. По количеству
35
пошедшей на титрование 0,02 М раствора серной кислоты вычисля-
( ) ( )
m
ют содержание азота в почве (%).
Ход определения.
0,3 г подготовленной почвы поместите в сухую коническую
колбу, добавьте 2,5 мл 10 %-го раствора бихромата калия и 5 мл концентрированной серной кислоты. Осторожно перемешайте содержимое колбы, закройте ее воронкой и кипятите в течение 10 мин до
явного позеленения жидкости. После озоления содержимое колбы
охладите и перелейте в перегонную колбу, тщательно обмывая воронку и стенки колбы 20–30 мл дистиллированной воды.
В перегонную колбу медленно по стенке прилейте 20 мл 50 %-го
раствора гидроксида натрия и отгоняйте аммиак в аппарате Кьельдаля в течение 30-40 мин. Полноту отгонки проверьте добавлением
реактива Несслера. Для поглощения аммиака в приемник поместите
20 мл 2 %-го раствора борной кислоты и 3-4 капли индикатора
Гроака. Аммиак оттитруйте 0,02 М раствором соляной кислоты до
перехода окраски из зеленой в красно-фиолетовую.
Для расчета общего содержания азота в почве используйте формулу 3:
HCl HCl 1,7
N ,% ,
С
( )
VC
=
(3)
где V(HC1) – объем раствора соляной кислоты, мл;
С(НС1) – концентрация раствора соляной кислоты, М;
т – масса почвы, г.
Контрольные вопросы
1. Назовите, какие формы азотных соединений доступны для
растений.
2. Какие трансформации происходят с азотными соединения-
ми в почве?
3. Назовите методы определения нитратной и аммонийной
форм азота в почве.
4. В чем заключается суть определения общего содержания
азота методом Кьельдаля?
36
2.2. Оценка гумусного состояния почвы
О содержании органического вещества можно судить по результатам двух видов анализа: определение потерь гумуса (в %)
от прокаливания, определение содержания гумуса. Потери от прокаливания принято определять в органогенных горизонтах. Потери
от прокаливания в таких горизонтах всегда больше 40–50 %. Низкие
значения указывают на сильную заиленность торфяных горизонтов.
В пахотных почвах и в минеральных горизонтах целинных почв
о содержании органического вещества судят по результатам определения гумуса, количество которого может колебаться в верхних
горизонтах от 0,5–1,0 до 10–15 %.
По количеству гумуса в верхних горизонтах выделяют почвы
с очень высоким содержанием гумуса (> 10 %) – черноземы, луговочерноземные и другие, высоким (6–10 %), средним (4–6 %), низким
(2–4 %) и очень низким (< 2 %) – подзолистые, бурые полупустынные, сероземы.
Распределение гумуса по профилю – важная генетическая характеристика почвы. Следует различать следующие типы гумусового профиля почв.
1. Постепенное уменьшение содержания гумуса с глубиной.
Такой тип гумусового профиля характерен для почв, в которых наблюдается глубокое проникновение корневых систем травянистой
растительности. Он выявлен на черноземных, каштановых и других
типах почв.
2. Резкое уменьшение содержания гумуса с глубиной. Такой
тип гумусового профиля наблюдается у подзолистых, дерново-подзолистых, то есть почвах, в которых на некоторой глубине создаются
неблагоприятные условия для развития корней растений.
3. В почвах отмечается два максимума в распределении гумуса: в верхнем горизонте, а затем после резкого снижения – на некоторой глубине. Второй максимум связан с процессами иллюирования
водорастворимых органических веществ из верхнего органогенного
горизонта. Такой тип гумусового профиля характерен для песчаных
и супесчаных подзолистых, дерново-подзолистых и болотно-подзолистых почв.
37
4. Относительно равномерное распределение гумуса по всему
профилю. Это характерно для некоторых мерзлотно-таежных потечно-гумусовых, а также для староорошаемых почв.
Важную дополнительную генетическую характеристику почв
по их органической части дают результаты качественного анализа
гумуса. Совместный анализ данных по содержанию гумуса, его распределению по профилю в совокупности с оценкой качественного
состава позволяет получить обширную информацию о генетических
особенностях почв. Содержание гумуса, мощность гумусированного
слоя и состав гумуса – важнейшие показатели потенциального плодородия почв. Чем выше содержание гумуса, тем больше в почве
азота, фосфора, микроэлементов, тем благоприятнее ее физические
свойства. В среднем азот составляет около 1/20 содержания гумуса.
В хорошо гумусированных черноземных и близких к ним по гумусированности почвах в верхнем горизонте содержится 0,25–0,50 %
азота, в бедных органическим веществом подзолистых, сероземных
и других почвах – 0,12–0,15 %.
2.2.1. Определение общего содержания гумуса в почве
методом Тюрина в модификации Никитина.
Расчет показателей гумусного состояния почвы
Принцип метода. Метод основан на окислении гумуса почвы
раствором бихромата калия в серной кислоте с последующим фотоколориметрическим определением трехвалентного хрома, эквивалентного содержанию гумуса.
Ход определения.
1. Определить общее содержание углерода в почве.
Подготовленную почву массой 0,2000 г поместить в колбу на
50 мл, прилить 20 мл хромовой смеси. Содержимое колбы осторожно перемешать и нагреть в сушильном шкафу 20 мин при температуре 150–160 °С. Колбу охладить и содержимое разбавить до 50 мл
дистиллированной водой. Через 1 ч раствор над осадком осторожно
слить и провести его фотометрирование при длине волны 590 нм,
l = 1 см по отношению к раствору сравнения. Раствор сравнения
готовится следующим образом: 20 мл хромовой смеси помещается
в колбу вместимостью 50–100 мл, и проводится эксперимент, следуя
описанной методике.
38
Определение содержания органического углерода осуществля-
С% ,
10
А
bm
ется по градуировочному графику. Для его построения в ряд колб
последовательно приливается 2,5; 5,0; 7,5; 10,0; 15,0; 20,0 мл стандартного раствора глюкозы с содержанием углерода 1 г/л. Содержимое колб выпаривается досуха на водяной бане и далее проводится анализ, следуя описанной методике. Результаты представляются
в указанной форме (табл. 8).
Таблица 8 – Зависимость оптической плотности от содержания
углерода
№ колбы С углерода, мг/50 мл Оптическая плотность (А)
Используя метод регрессионного анализа, рассчитайте параметры линейного градуировочного графика.
Для расчета общего содержания органического углерода (С, %)
используйте формулу:
=
(4)
где А – оптическая плотность фотометрируемого раствора;
b – тангенс угла наклона градуировочного графика;
т – масса почвы, г.
Сделайте расчет на содержание гумуса, используя эмпирический коэффициент 1,724.
Пользуясь классификацией Гришиной и Орлова (приложение 1),
оцените уровень содержания гумуса в выданных образцах почвы.
2. Расчет показателей гумусного состояния почвы.
Для расчета показателей гумусного состояния почвы используйте исходные данные фракционирования гумуса (приложение 2).
Результаты расчетов представьте в форме таблицы 9. Для расчета показателей гумусного состояния почвы используйте формулы:
Cгк = C
гк1
+ C
39
гк2
+ C
; (5)
гк3
Cфк = C
;
С
фк1
+ C
фк2
+ C
; (6)
фк3
Cно = 100·(Cгк + Cфк); (7)
гк
общ
гк
(8)
фк
(9)
:CCCC=
гк фк
= ⋅
СГ 100 %.
С
Таблица 9 – Показатели гумусного состояния почвы
СгкСфкС
№
% от С
общ
но
фракции
% 1
ГК от
С
гк
% 2
фракции
ГК от
С
гк
% 3
фракции
ГК от
С
гк
Сгк:С
фк
Степень
гумифи-
кации
(СГ, %)
C:N
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятия «гумус», «специфические гуму-
совые вещества», «неспецифические гумусовые вещества».
2. Охарактеризуйте методы определения общего содержания
углерода в почве.
3. Каковы достоинства и недостатки метода Тюрина (озоление
хромой смесью), метода сухого озоления с последующим определением на экспресс-анализаторе?
4. Какие методы фракционирования органического вещества
используются наиболее часто на практике?
5. Какова экологическая роль гумуса почвы?
6. Что характеризует соотношение Сгк:Сфк? Соотношение С:N?
2.3. Интерпретация данных анализа водной вытяжки
К важнейшим физико-химическим свойствам почвы, которые
характеризуются аналитическими показателями, относятся: емкость
поглощения, сумма и состав обменных оснований, содержание поглощенных водорода и алюминия, гидролитическая кислотность,
40