9.3. Загальні кількісні характеристики ґрунту

Вологість визначають у повітряно-сухому ґрунті – це вміст гігроскопічної води. Метод ґрунтується на випаровуванні гігроскопічної вологи під час нагрівання наважки ґрунту до температури 105С. Висушування при вищій температурі може спричинити звуглювання органічних речовин і втрату маси не лише завдяки випаровуванню вологи.

Бюкси попередньо висушують при 105С до постійної маси. Беруть наважку проби ґрунту (5,0 г), поміщають у бюкс і разом з ним висушують при 100-105С протягом 5 год, охолоджують в ексикаторі, зважують. Повторюють процедуру до досягнення постійної маси. Якщо останній результат більший від попереднього, то це свідчить про окиснення органічних речовин і такий результат для обчислення не беруть. Визначають вологість ґрунту, як втрату маси при нагріванні до 105С:

де m(H₂O)– маса втраченої вологи, г; m(сухого) – маса висушеного ґрунту, г.

Вираховують вміст абсолютно сухого ґрунту:

де g – наважка повітряно-сухого ґрунту, г.

Для перерахунку даних аналізу повітряно-сухого ґрунту на абсолютно сухий визначають коефіцієнт вологості ґрунту К як співвідношення вмісту вологого (повітряно-сухого) ґрунту до абсолютно сухого, на який перемножують усі результати аналізу, що їх виконують з цією пробою:

Визначення вмісту водорозчинних речовин полягає у встановленні втрат при висушуванні та прожарюванні порції водної витяжки з ґрунту.

Якщо порцію водної витяжки випарити у попередньо доведеному до сталої маси тиглі та висушити при 105С і тигель з залишком довести до сталої маси, то маса залишку відповідає загальній масі рухомих форм неорганічних і стійких органічних речовин. Висушування триває щонайменше 3 год. Для засолених ґрунтів беруть 25-50 мл водної витяжки, а для незасолених – 100 мл.

Прожарюванням висушеного залишку при 450С (найвище до 600С) визначають вміст водорозчинних неорганічних (за масою залишку) та органічних речовин (за втратою маси). Прожарювання проводять теж декілька разів до досягнення сталої маси тигля з залишком. Для роботи використовують порцелянові тиглі або чашки, можна використовувати платинові тиглі.

Визначення здатності ґрунту до засолення – здатності поглинати іони Na⁺. Спочатку одержують водну витяжку ґрунту і визначають у ній вміст рухомих форм Na⁺, як описано далі. Наважку ґрунту (g) заливають 0,5 М розчином NaCl. При цьому іони макроелементів з ґрунтового поглинального комплексу (ГПК) обмінюються на іони натрію:

[ГПК](Ме²⁺)+2Na⁺ [ГПК](2Na⁺) +Me²⁺.

Обробку ґрунту розчином NaCl шляхом декантації повторюють до повного витіснення солей кальцію, використовуючи до 1 л розчину солі натрію. Насичений солями натрію ґрунт переносять на фільтр і промивають дистильованою водою.

Ґрунт після фільтрування, насичений солями натрію, висушують, переносять разом з фільтром в іншу колбу та розмочують у точно відомому об’ємі (200,0 мл) насиченого титрованого розчину CaSO₄, перемішують, залишають на 1-2 доби. Відбувається витиснення іонами кальцію іонів натрію з ґрунту:

[ГПК] (2Na⁺) + CaSO₄ [ГПК](Ca²⁺) + 2Na⁺ + SO₄^2-.

Одержану рідину відфільтровують, ґрунт промивають водою. У фільтраті визначають залишок CaSO₄, відтитрувавши його стандартним розчином ЕДТА.

З такої самої наважки ґрунту у водній витяжці попередньо визначають вміст іонів Na⁺ (N^'_Na+).

За даними титрування і визначеного попередньо вмісту натрію у ґрунті вираховують солонцюватість ґрунту:

.

Ступінь засоленості ґрунту вираховують як співвідношення вмісту обмінного натрію до ємності поглинання ґрунту. Якщо ця величина не перевищує 5%, то вважається, що ґрунт не є засоленим, якщо 5-10% – ґрунт слабко засолений, якщо 10-20% – солонцюватий, а для понад 20% – є солонцем.

Визначення ємності поглинання ґрунту – загальної кількості поглинутих ґрунтом катіонів. За акад. К.К.Гедройцем обмінна здатність ґрунту полягає у здатності обмінювати катіони з ґрунтового поглинального комплексу на катіони нейтральних розчинів солей або на іони гідроксонію кислот. Є декілька основних закономірностей іонного обміну.

• Будь-який поглинутий ґрунтом катіон може бути витиснений іншим катіоном.

• Обмін катіонів відбувається швидко і в еквівалентних кількостях.

• При підвищенні концентрації розчину солі катіона-витискувача кількість витиснених з ґрунту катіонів зростає, але не пропорційно до зростання концентрації розчину.

• За здатністю до поглинання ґрунтом катіони утворюють ряд:

Fe³⁺>Al³⁺>H⁺>>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺>NH₄⁺>Na⁺.

Ґрунти з більшою ємністю міцніше зв’язують токсичні речовини.

Визначення ємності поглинання полягає в заміщенні всіх катіонів у ґрунтовому поглинальному комплексі (ГПК), здатних до обміну, на один, не притаманний ґрунту – Ва²⁺, після чого визначають кількість цього катіону. На здатність до обміну впливає величина рН ґрунтової рідини, тому визначення проводять у нейтральному середовищі.

Беруть точну наважку ґрунту та підготовляють його до аналізу.

Якщо ґрунт карбонатний, то руйнують карбонати дією 0,3 М HCl.

Гіпс видаляють промиванням ґрунту 0,2 М розчином HCl до від'ємної реакції на SO₄^2-.

Легкорозчинні солі вимивають з ґрунту дистильованою водою до від'ємної реакції на іони Cl^- i SO₄^2-.

Підготовлену пробу ґрунту заливають 0,0500 М титрованим розчином BaCl₂ при рН 6,5 і одержують витяжку, в яку переходять всі обмінні катіони разом з іонами гідроксонію та алюмінію:

[ГПК](Меⁿ⁺, H⁺)+ Ba²⁺+ Н₂О [ГПК](Ba²⁺) + Меⁿ⁺+ H₃О⁺.

Визначають вміст заміщеного Ba²⁺. Для цього витісняють поглинуті іони барію, промиваючи ґрунт на фільтрі нагрітим до 40С 0,5 М розчином HCl до від’ємної реакції на Ba²⁺:

[ГПК](Ba²⁺) + 2H₃O⁺ [ГПК](2H⁺) + Ba²⁺ +2H₂O.

Одержаний фільтрат нагрівають до кипіння, доливають до нього 5 мл гарячого 1 М розчину H₂SO₄ і осаджують барій сульфат:

BaCl₂+H₂SO₄ = BaSO₄ +2HCl.

Осад відстоюють 2-3 год та фільтрують.

Фільтр з осадом висушують. Осад разом з фільтром поміщають у попередньо доведений до сталої маси порцеляновий тигель і на відкритому полум’ї спалюють фільтр, потім осад у тиглі прожарюють при 800С до сталої маси. За масою осаду обчислюють ємність поглинання ґрунту (Х):

,

де m(BaSO₄) – маса осаду, г; g – наважка повітряно сухого ґрунту, г;

К – коефіцієнт вологості ґрунту.

Визначення суми поглинутих основ. Найсильніше ґрунти поглинають іони лужноземельних та важких металів, гірше – іони лужних металів. Поглинуті метали визначають витисненням їх з ґрунту, причому різними реагентами для різних типів ґрунтів.

Карбонатні та вапновані ґрунти заливають відомим об’ємом титрованого розчину (0,0050 М) HCl:

[ГПК](CaСО₃,MgСО₃)+ 4H⁺ [ГПК](2H⁺) + Ca²⁺+Mg²⁺+ 2НСО₃^–.

В розчині визначають вміст солей кальцію та магнію або їхній сумарний вміст за оберненим титруванням надлишку розчину хлоридної кислоти.

Некарбонатні ґрунти заливають титрованим (0,0500 М) BaCl₂:

[ГПК](Ca²⁺,Mg²⁺) +Ba²⁺ [ГПК](2Ba²⁺) + Ca²⁺+Mg²⁺.

Залишок BaCl₂ відтитровують розчином ЕДТА. Різниця початкового та залишкового вмісту BaCl₂ відповідає кількості поглинутих основ.

Кислі ґрунти заливають титрованим розчином (0,0500 М) HCl:

[ГПК](Ca²⁺,Mg²⁺Al³⁺,H⁺)+7H⁺ [ГПК](8H⁺,Al³⁺) + Ca²⁺+Mg²⁺.

Залишок кислоти у розчині відтитровують стандартизованим розчином лугу і обчислюють суму поглинутих основ:

,

де g – наважка повітряно-сухого ґрунту, г.

Після визначення суми поглинутих основ обчислюють ступінь насичення ґрунтів основами:

.

Використовують інші методи визначення суми поглинутих основ. Зокрема, іони натрію, калію, кальцію та магнію обмінюють розчином NH₄Cl або CH₃COONH₄. В одержаній витяжці визначають окремо вміст Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, а їхня сумарна кількість відповідає сумі поглинутих основ.

Визначення вмісту сполук фосфору

Загальний вміст фосфору визначають після кислотного руйнування органічних речовин ґрунту та розчинення важкорозчинних неорганічних речовин дією суміші кислот: H₂SO₄+HClO₄, HNO₃+HClO_4. Для цього невелику наважку проби ґрунту (0,5 г) обзолюють при повільному кипінні в колбі К’єльдаля, поки не одержать прозорий безбарвний розчин. Після охолодження та розбавляння з розчину осаджують Fe³⁺ дією K₄[Fe(CN)₆], надлишок останнього зв’язують дією MgSO₄.

Одержаний фосфат осаджують молібденовою рідиною, визначення проводять фотометрично (розділ 10) в присутності відновника SnCl₂.

Рухливі форми фосфору визначають з різних ґрунтових витяжок для різних типів ґрунтів:

0,2 М HCl (1:5), яка руйнує AlPO₄ застосовують для кислих ґрунтів;

0,5 М СН₃СООН (1:25) або 1% (NH₄)₂CO₃ (1:20), які руйнують Са₃(РО₄)₂ – для некарбонатних чорноземних та для сірих лісових ґрунтів;

лактат-ацетат-амонійна витяжка з рН 3,7 (1:20) – для некарбонатних ґрунтів;

0,05 М H₂SO₄ (1:25) – для червоноземів, жовтоземів субтропіків.

Використовують також інші витяжки, кожна з яких розчиняє окремий фосфат. Так можна розділити сполуки фосфору на 200 фракцій. У табл. 9.2 наведена схема розділення сполук фосфору на окремі фракції у слаболужних та лужних ґрунтах.

Таблиця 9.2. Розділення різних форм фосфору на окремі фракції

Ґрунтова витяжка	Форми сполук фосфору
1M NH4Cl	Частина водорозчинних фосфатів
0,5 M NH4F (pH 8,5)	AlPO4, частково CaHPO4, MgHPO4, фосфати Fe(ІІІ), частково органічні сполуки фосфору.
0,1 M NaOH	AlPO4, частково FePO4, важкогідролізовані фосфатно-гумусові комплекси, органічні сполуки фосфору.
0,25 M H2SO4	AlPO4, FePO4, Ca3(PO4)2, Mg3(PO4)2, органічні сполуки фосфору
0,1 M Na3C6H5O7+ 1M NaHCO3+ 0,1M NaOH	Оклюдовані фосфати феруму (ІІ), покриті оксидною плівкою.

Визначення вмісту рухомих форм алюмінію. Сполуки алюмінію в кислих ґрунтах з рН5 здатні легко переходити в розчинний стан і є токсичними для рослин та багатьох мікроорганізмів.

Рухливі форми алюмінію одержують у витяжці 1М KCl (1:2,5), при цьому в розчин переходить також кислота. Визначення проводять протолітометричним титруванням виділеної кислоти розчином лугу в двох аліквотах витяжки, причому в одній відразу титрують кислоту, а до другої додають NaF для зв’язування алюмінію у комплекс Na₃[AlF₆], а тоді титрують. Різниця результатів двох титрувань відповідає вмісту алюмінію. Детальніше аналіз описаний у розділі 9.4 і стосується визначення обмінної кислотності ґрунту.

Визначення вмісту органічних речовин

Карбон у ґрунті є в складі органічних речовин та у формі карбонатів металів. Гумус у ґрунті зв’язує речовини, причому чим більший вміст гумусу, тим більша ємність поглинання ґрунту. Тому вміст гумусу в ґрунті є його важливою характеристикою.

Оскільки карбонати лужноземельних металів термічно стійкі (розкладаються близько 1000С), то карбон органічних речовин можна визначити, прожарюючи пробу ґрунту при 450-600С. Сухим (термічним) обзоленням визначають загальний вміст органічних речовин, як це було описано у розділі 7.

Часто застосовують мокре (кислотне) обзолення ґрунту. Для цього органічні речовини у ґрунті (проба масою 0,1-0,5 г) окиснюють дихроматом у присутності концентрованої сульфатної кислоти при кип’ятінні зі зворотним холодильником протягом 5 хв. За іншим способом 1 г ґрунту кип’ятять з 10,00 мл 0,400 М титрованого розчину K₂Cr₂O₇ i H₂SO₄ (1:1) протягом 5 хв при 140-180С. Відбувається окиснення більшості органічних речовин за схемою:

3C_xH_yO_z+2K₂Cr₂O₇+8H₂SO₄=3CO₂ +4Cr₂(SO₄)₃ +2K₂SO₄ +8H₂O.

Після охолодження суміші залишок дихромату відтитровують стандартним розчином солі феруму (ІІ):

6Fe²⁺ + Cr₂O₇^2- + 14H⁺ = 6Fe³⁺ + 2Cr³⁺ + 7H₂O.

Кількість органічних речовин, які в цих умовах окиснюються, еквівалентна до кількості дихромату, що провзаємодіяв. Обчислюють вміст карбону органічних речовин:

,

де С_Е – молярна концентрація еквівалента розчину, моль/л;

V – об’єм розчину, мл; g – наважка повітряно-сухого ґрунту, г;

К – коефіцієнт вологості ґрунту.

Визначенню заважають іони Cl^-. Аналіз виконується швидко, хоча є менш точним, бо окиснюється 85-90% органічних речовин. Таким методом не можна визначати вміст гумусу в засолених ґрунтах та в ґрунтах, які містять багато Fe(II) і Mn.

Різновидом є руйнування гумусу дихроматом при температурі 150С протягом 20 хв (метод Б.А.Нікітіна). Інший варіант – окиснення проби ґрунту дихроматом у сульфатнокислому середовищі при кімнатній температурі під час взаємодії без нагрівання протягом 24 год.

Визначення вмісту гумусових речовин

Після того, як визначено загальний вміст органічних речовин, можна визначити вміст окремих фракцій гумусу. Визначення описане у розділі 13.2.

З проби ґрунту одержують витяжку 0,1М розчином NaOH, у результаті чого в лужний розчин переходять вільні гумусові кислоти (гумінові та фульвокислоти) та зв’язані з макроелементами. В одержаному розчині окисненням дихроматом визначають вміст цієї групи гумусових кислот.

До такої самої витяжки додають розбавлену (0,5 М) сульфатну кислоту і нагрівають до 70-80С, після чого фільтрують. Залишок на фільтрі розчиняють 0,1 М NaOH і окисненням дихроматом визначають вміст фульвокислот. За різницею вираховують вміст добре розчинних кислот.

У випадку торф’яних ґрунтів іноді визначають вміст бітумів та воскосмол екстракцією їх з проби ґрунту сумішшю спирту та бензолу. Органічний розчинник випаровують з екстракту, залишок висушують і визначають вміст бітумів гравіметрично. Є описані методики послідовного розділення гумусових речовин на окремі фракції. Такий аналіз виконують під час агрохімічних та геохімічних досліджень ґрунту.