Показатели и методы оценки вещественного состава почв.

Контрольные вопросы.

7. Задачи, решаемые определением минерального состава почв.

8. Способы разложения почв, достоинства и недостатки каждого из них.

9. Методы определения содержания кремния, полуторных окислов, кальция, магния.

 

Лекция 10

Вещественный состав характеризует набор и содержание в почве индивидуальных химических соединений, которые обуславливают специфические свойства почв. Он позволяет классифицировать почвы и исследовать механизмы почвообразования.

 

Карбонаты щелочно-земельных металлов и методы их определения.

Основную массу карбонатов в твердых фазах почвы составляют карбонаты кальция и магния. В почвах щелочного характера могут присутствовать также легкорастворимые карбонаты натрия.

Содержание и распределение карбонатов по почвенному профилю используют в качестве диагностических показателей в классификациях почв. От содержания карбонатов зависят химические и физические свойства, их плодородие и мелиоративность. Например, карбонат кальция при содержании 10 -15%, способствует образованию стабильных крупнопористых почвенных агрегатов, а увеличение его до 20 -255 приводит к уменьшению диффузивности почвенной влаги в связи с осаждением СаСО₃ внутри капилляров.

Методы определения карбонатов основаны главным образом на измерении масс, объема или количества вещества СО₂, выделившегося при их разложении, т.е. на тех же принципах, что и методы определения углерода органических соединений почвы, основанные на отгонке СО₂.

 

Гипс в почвах и методы его определения.

Гипс обладает большей, чем СаСО₃, растворимостью. Поэтому в незасоленных почвах в почвенном профиле он залегает ниже карбонатов и выше легкорастворимых солей. Разработаны классификации почв по залеганию верхней границы слоя с содержанием гипса 10%, по мощности гипсового горизонта, по строению гипсовых образований и по содержанию гипса.

Почвы, с содержанием CaSO₄·2H₂O 2 -10% относят к слабозагипсованным, с содержанием 10 -20% - к среднезагипсованным, с содержанием 20-40% - к сильнозагипсованным.

Методы определения гипса основаны на его полном извлечении из анализируемой навески почвы водой, растворами соляной кислоты или солей.

Содержание гипса рассчитывают по количеству извлеченных из почвы сульфат-ионов и кальция. При извлечении их из почвы необходимо учитывать, что в раствор оно могут переходит также из других соединений ( кальций, например может закрепляться в ППК вследствие ионообменных реакций с натрием и магнием). Поэтому при определении гипса в почвах одной из основных проблем является вычленение из общего количества найденных в процессе анализа ионов сульфата и кальция той их доли, которая перешла в раствор вследствие растворения именно гипса.

В России гипс извлекают из почв растворами 0,1 – 0,25М HCl. Из найденного в таком растворе количества SO₄^2- вычитают то их количество, которое было определено в водной вытяжке из той же почвы. Этот прием, хотя и применяется очень широко, недостаточно корректен, т.к. гипс достаточно хорошо растворим (S_CaSO4 = 2г/л). При низких содержаниях гипса результат будет значительно занижен.

В методах, рекомендуемых для определения гипса в лабораториях США, предусмотрено извлечение гипса водой при таком широком соотношении почвы и воды, которое позволяет полностью извлечь гипс из навески почвы.

Содержание гипса рассчитывают затем по результатам анализа той водной вытяжки и фильтрата из насыщенной водой почвенной пасты. В водной вытяжке определяют сульфат-ионы , в фильтрате из пасты – сульфат-ионы и кальций. Количество эквивалентов CaSO₄ определяют по уравнению:

½ CaSO₄ = a + b – c,

где а – общее количество эквивалентов SO₄^2-, извлеченное из почвы водной вытяжкой, ммоль/100г почвы;

b - общее количество эквивалентов SO₄^2-, перешедшее из твердых фаз почвы в жидкую фазу насыщенной водой пасты, ммоль/100г почвы;

с - количество эквивалентов SO₄^2-, перешедшее в жидкую фазу пасты вследствие растворения гипса, ммоль/100г почвы. Величину с находят следующим образом. Если содержание эквивалентов SO₄^2- и Са²⁺ в фильтрате из пасты равно или более 30ммоль·экв/л, то принимают количество эквивалентов SO₄^2- равным 30ммол·экв/л. Если концентрация Са²⁺ больше концентрации SO₄^2-, то количество эквивалентов SO₄^2-, обусловленное растворением гипса, принимают равным содержанию эквивалентов сульфат-ионов в фильтрате из пасты; если концентрация Са²⁺ меньше концентрации SO₄^2- - количество эквивалентов SO₄^2- считают равным количеству эквивалентов Са²⁺.

Таким образом, в этом случае при вычислении содержания гипса по разности учитывается не общее количество сульфат-ионов, перешедшее в раствор из пасты, а лишь то, которое связано с легкорастворимыми солями.

Чтобы вычислить массовую долю (%) гипса в почве, количество миллимолей эквивалента гипса умножают на величину молярной массы его эквивалента:

CaSO₄·2H₂O% = моль(1/2 CaSO₄) 0,086.

 

Легкорастворимые соли, методы определения и показатели засоления почв.

Для оценки степени и химизма засоления почв в водных вытяжках определяют общую концентрацию легкорастворимых солей и концентрацию входящих в их состав конкретных ионов. Степень засоления почв оценивают по массовой доле (%) сухого, или плотного, остатка или по сумме массовых доле отдельных ионов.

Сухим, или плотным, остатком называется массовая доля высушенного при 105^о остатка, полученного выпариванием аликвоты водной вытяжки.

К засоленным относят почвы, содержащие легкорастворимые соли в количествах, растворимость которых превышает 10г в 100г воды при комнатной температуре. Все их считают токсичными для растений. Они увеличивают осмотическое давление почвенной влаги, снижая ее доступность для растений, могут оказывать специфическое токсическое действие и нарушать нормальное соотношение элементов минерального питания растений.

В нативном состоянии легкорастворимые соли находятся частично в составе почвенного раствора, частично в составе твердых фаз почвы. В обычных условиях это карбонаты, гидрокарбонаты, хлориды, сульфаты, нитраты и нитриты щелочных и щелочноземельных металлов.

При оценки засоления почв обычно определяют анионы (CO₃^2-, HCO₃^2-, Cl^-

SO₄^2-) и катионы (Ca²⁺, Mg²⁺, Na²⁺, K⁺).

Степень засоления почв оценивают либо по общему содержанию легкорастворимых солей в почве, либо по концентрации их в почвенных растворах. И этих показателей используют в качестве диагностических. В частности, к засоленным относят почвы содержанием легкорастворимых солей более 0,05 - 0,15% или с концентрацией их в почвенных растворах более 5 – 7г/л.

В России определение легкорастворимых солей проводят методом водной вытяжки. 5-кратный по отношению к массе почвы объем воды добавляют к навеске, суспензию взбалтывают и фильтруют. Однако этот раствор нельзя отождествлять с почвенным раствором, т.к. при добавлении воды к почве резко нарушается соотношение между твердой и жидкой фазами реальной почвы. Полевые влажность и влагоемкость различных почв неодинаковы, а соотношение массы почвы и объема воды в методе водной вытяжки всегда одно и то же (1 : 5). Поэтому глина и песок могут иметь в своем составе одинаковую массовую долю легкорастворимых солей, но при этом концентрация их в жидких фазах при приближении к влажности завядания для песка может быть в10 раз больше, чем для глины.
При получении водной вытяжки протекают также процессы, которые влияют на результаты определения состава и содержания легкорастворимых солей:

1. Состав обменных катионов ППК находится в соответствии с составом жидкой фазы. Поэтому при получении водной вытяжки нарушаются ионообменные процессы может происходит замена обменного натрия на кальций (и магний) жидкой фазы суспензии (например, при анализе сильнозагипсованных почв).

2. При добавлении воды к почве может происходить усиление гидролиза ППК, содержащего обменный натрий:

П - Na⁺ + H₂O ↔ П - H⁺ + Na⁺ + OH^-, что приводит к увеличению РН раствора и титруемой щелочности.

3. В процессе получения водной вытяжки растворяются также и слаборастворимые соединения, что неизбежно сказывается на результатах оценки засоления почвы. В загипсованных почвах происходит растворение гипса. Содержание гипса в почве часто больше того, которое может растворяться в воде при приготовлении водной вытяжки, поэтому она будет являться насыщенным раствором CaSO₄. Количество извлекаемого из почвы гипса будет выше того, которое в природных условиях содержится в почвенных растворах и результаты определения легкорастворимых солей будут при этом завышены.

4. По мере добавления к почве воды снижается содержание адсорбированного почвой СО₂ за счет его растворения. Парциальное давление СО₂ (Р_СО2), что приводит к изменению РН и растворимости труднорастворимых карбонатов, что также сказывается на результатах определения количества легкорастворимых солей.

Эти процессы практически сводятся к минимимуму при определении содержания легкорастворимых солей методом насыщенных водой почвенных паст. При приготовлении пасты к почве практически добавляют наименьшее количество воды, которое позволяет получить фильтрат, отсасывая его под вакуумом. Влажность насыщенной водой почвенной пасты отвечает максимальному количеству воды, которое удерживается почвой и не стекает в углубление, сделанное в почвенной массе. Таким образом, объем прибавляемой к почве воды зависит от ее влагоудерживающей способности.

Малое количество прибавляемой воды снижает степень гидролиза солей, растворимость СО₂, количество растворенного гипса. Таким образом, в этом методе делается попытка воспроизвести или как можно меньше нарушить химические равновесия, свойственные реальной почве и получить фильтрат, который бы отражал свойства реальной жидкой фазы почвы.

Недостатком этого метода считают визуальный контроль точки насыщения почвы водой. При проведении анализа рекомендуется стандартизация степени измельчения почвы, времени экстракции и других факторов. Анализ должен быть проведен в короткий срок, исключающий влияние биологических процессов на состояние пасты. При этом в пастах может быть не достигнуто равновесие между твердой и жидкой фазами, что снижает воспроизводимость метода.

Таким образом, с некоторыми допущениями, метод водной вытяжки позволяет оценить общее содержание легкорастворимых солей в почвах, которое выражается массовой долей или числом ммоль·экв /100г почвы.

Метод насыщенных водой почвенных паст, также с рядом допущений, позволяет определить содержание солей в почвенных растворах, которое принято выражать в единицах концентрации компонентов легкорастворимых солей в фильтрате.

 

Проверка точности результатов анализа водных вытяжек.

Контроль точности выполнения анализа осуществляют сопоставлением суммы миллимолей-эквивалентов анионов и катионов в водной вытяжке. Количество миллимолей-эквивалентов анионов должно быть равно количеству миллимолей-эквивалентов катионов. Суммарная масса их не должна превышать массы сухого остатка.

 

Расчет содержания токсичных солей и способы представления результатов анализа водных вытяжек.

Принято считать, что ионы Cl^-, Na⁺, Mg²⁺, К⁺ переходят из твердых фаз почвы в водную вытяжку в основном при растворении легкорастворимых или токсичных солей. Ионы НСО₃^-, SO₄^2-, Са²⁺ поступают в водные вытяжки как при растворении токсичных солей, например NaHCO₃, Na₂SO₄, MgSO₄, так и солей малорастворимых, таких как гипс и кальцит, которые к токсичным не относят.

Содержание токсичных солей находят расчетным путем по уравнениям:

 

НСО₃^ˉ_токс = НСО₃^ˉ - Са²⁺ , если НСО₃^ˉ > Са²⁺;

 

SO₄^2-_токс = SO₄^2- - (Са²⁺ - НСО₃^ˉ), если НСО₃^ˉ < Са²⁺;

 

Са²⁺_токс = Са²⁺ - SO₄^2- - НСО₃^ˉ

где Са²⁺, SO₄^2-, НСО₃^ˉ - общее количество эквивалентов ионов, которое было определено методом водной вытяжки, ммоль-экв/ 100 г почвы;

Са²⁺_токс, SO₄^2-_токс, НСО₃^ˉ_токс - количество эквивалентов ионов, которое перешло из твердых фаз почвы в водную вытяжку вследствие растворения токсичных солей, ммоль-экв/ 100 г почвы.

При вычислении массовой доли токсичных солей (%) сначала рассчитывают содержание эквивалентов токсичных ионов Са²⁺_токс, SO₄^2-_токс, НСО₃^ˉ_токс. Затем вычисляют и суммируют массовые доли (%) всех токсичных ионов (НСО₃^-, SO₄^2-, Са²⁺, Cl^-, Na⁺, К⁺, Mg²⁺). Этот показатель называют «суммой токсичных солей».

Для приблизительной оценки суммы токсичных солей предложено эмпирическое уравнение: _{_____________________}

Σ_{токс.солей}, % = (Na⁺ + Mg²⁺) / 15,

где Na⁺ и Mg²⁺ - количество эквивалентов натрия и магния, найденное методом водной вытяжки, ммоль-экв/ 100 г почвы.

Результаты анализа водной вытяжки обычно представляют в виде таблицы

(табл.13,стр.172).