А) Анализ почв

1) Особенности почвы как объекта химического исследования и

показатели химического состояния почв

Почва -- сложный объект исследования. Сложность исследования химического состояния почв обусловлена особенностями их химических свойств и связана с необходимостью получения информации, адекватно отражающей свойства почв и обеспечивающей наиболее рациональное решение, как теоретических вопросов почвоведения, так и вопросов практического использования почв. Для количественного описания химического состояния почв используют широкий набор показателей. В него входят показатели, определяемые при анализе практически любых объектов и разработанные специально для исследования почв (обменная и гидролитическая кислотность, показатели группового и фракционного состава гумуса, степень насыщенности почв основаниями и др.)

Особенностями почвы как химической системы является гетерогенность, полихимизм, дисперсность, неоднородность, изменение и динамика свойств, буферность, а так же необходимость оптимизации свойств почвы.

Полихимизм почв. В почвах один и тот же химический элемент может входить в состав разнообразных соединений: легкорастворимых солей, сложных алюмосиликатов, органоминеральных веществ. Эти компоненты обладают разными свойствами, от которых, в частности, зависит способность химического элемента переходить из твердых фаз почвы в жидкую, мигрировать в профиле почвы и в ландшафте, потребляться растениями и т.п. Поэтому в химическом анализе почв определяют не только общее содержание химических элементов, но и показатели, характеризующие состав и содержание индивидуальных химических соединений или групп соединений, обладающих близкими свойствами.

Гетерогенность почв. В составе почвы выделяют твердую, жидкую, газовую фазы. При исследовании химического состояния почвы и отдельных ее компонентов определяют показатели, характеризующие не только почву в целом, но и ее отдельные фазы. Разработаны математические модели, позволяющие оценить взаимосвязь уровней парциального давления диоксида углерода в почвенном воздухе, рН, карбонатной щелочности и концентрации кальция в почвенном растворе.

Полидисперсность почв. Твердые фазы почвы состоят из частиц разного размера от крупинок песка до коллоидных частиц диаметром в несколько микрометров. Они неодинаковы по составу и обладают разными свойствами. При специальных исследованиях генезиса почв определяют показатели химического состава и других свойств отдельных гранулометрических фракций. С дисперсностью почв связана их способность к ионному обмену, которая в свою очередь характеризуется специфическим набором показателей -- емкостью катионного и анионного обмена, составом обменных катионов и пр. От уровней этих показателей зависят многие химические и физические свойства почв.

Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства почв. В состав почв входят компоненты, проявляющие свойства кислот и оснований, окислителей и восстановителей. При решении разнообразных теоретических и прикладных проблем почвоведения, агрохимии, мелиорации определяют показатели, характеризующие кислотность и щелочность почв, их окислительно-восстановительное состояние.

Неоднородность, вариабельность, динамика, буферность химических свойств почв. Свойства почв неодинаковы даже в пределах одного и того же генетического горизонта. При исследовании процессов формирования почвенного профиля оценивают химические свойства отдельных элементов организации почвенной массы. Свойства почв варьируют в пространстве, изменяются во времени и в то же время почвы обладают способностью противостоять изменению своих свойств, т. е. проявляют буферность. Разработаны показатели и способы характеристики вариабельности, динамики, буферности свойств почв.

Изменение свойств почв. В почвах непрерывно протекают разнообразные процессы, которые приводят к изменению химических свойств почв. Практическое применение находят показатели, характеризующие направление, степень выраженности, скорости протекающих в почвах процессов; исследуются динамика изменения свойств почв и их режимы. Разнокачественностъ состава почв. Разные типы и даже виды и разновидности почв могут иметь столь разные свойства, что для их химической характеристики используют не только разные аналитические приемы, но и разные наборы показателей. Так, в подзолистых, дерново-подзолистых, серых лесных почвах, определяют рН водных и солевых суспензий, обменную и гидролитическую кислотность, обменные основания вытесняют из почв водными растворами солей. При анализе засоленных почв определяют рН только водных суспензий, а вместо показателей кислотности -- общую, карбонатную и другие виды щелочности. Перечисленные особенности почв во многом обусловливают принципиальные основы методов исследования химического состояния почв, номенклатуру и классификацию показателей химических свойств почв и химических почвенных процессов.

2) Система показателей химического состояния почв

Группа 1. Показатели свойств почв и почвенных компонентов

Подгруппы:

1. Показатели состава почв и почвенных компонентов;

2. Показатели подвижности химических элементов в почвах;

3. Показатели кислотно-основных свойств почв;

4. Показатели ионообменных и коллоидно-химических свойств почв;

5. Показатели окислительно-восстановительных свойств почв;

6. Показатели каталитических свойств почв;

Группа 2. Показатели химических почвенных процессов

Подгруппы:

1. Показатели направления и степени выраженности процесса;

2. Показатели скорости процесса.

3) Принципы определения и интерпретации уровней показателей

Результаты анализа почв содержат информацию о свойствах почв и почвенных процессах и на этой основе позволяют решить стоящую перед исследователем задачу. Приемы интерпретации уровней показателей зависят от методов их определения. Эти методы можно разделить на две группы. Методы первой группы позволяют без изменения химического состояния почвы оценить ее свойства. Вторая группа - методы, в основе которых лежит химическая обработка анализируемой почвенной пробы. Цель этой обработки -- воспроизвести химические равновесия, которые осуществляются в реальной почве либо заведомо нарушить сложившиеся в почвах взаимосвязи и извлечь из почвы компонент, количество которого позволяет оценить химическое свойство почвы или протекающий в ней процесс. Этот этап аналитического процесса -- химическая обработка навески почвы -- отражает главную особенность метода исследования и обусловливает приемы интерпретации уровней большинства определяемых показателей.

4) Подготовка проб почвы с исследуемых участков

Пробы почвы нужно брать с помощью кернов диаметром около 10 мм на глубину 10- 20 см. Керны лучше предварительно простерилизовать в кипящей воде (100⁰С). Для проведения анализа почвы отбирают смешанные образцы почвы на глубину окультуриваемого слоя. Как правило, достаточно составить один смешанный образец для участка площадью до 2 га. Смешанный образец составляют из 15-20 индивидуальных почвенных проб, взятых равномерно по всей площади участка. Образцы для анализа почвы не отбирают непосредственно после внесения минеральных и органических удобрений, извести. Каждый смешанный образец массой 500 г. упаковывают в матерчатый или полиэтиленовый мешок и маркируют.

5) Подготовка почвы к агрохимическому анализу

Составление аналитической пробы - ответственная операция, которая обеспечивает надежность полученных результатов. Небрежность и ошибки при подготовке образцов и взятии средней пробы не компенсируются последующей качественной аналитической проработкой. Образцы почвы, отобранные в поле или в вегетационном домике, предварительно подсушивают на воздухе при комнатной температуре. Хранение сырых образцов ведет к значительным изменениям их свойств и состава, особенно в результате ферментативных и микробиологических процессов. Напротив - температурный перегрев сопровождается изменением подвижности и растворимости многих соединений. Если образцов много, то проводится сушка в шкафах с принудительной вентиляцией. Определение нитратов, нитритов, поглощённого аммония, водорастворимых форм калия, фосфора и т.п. проводится в день взятия образцов при их естественной влажности. Остальные определения проводятся в воздушно-сухих образцах. Сухие образцы измельчают на почвенной мельнице или растирают в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником. Растёртый и просушенный образец пропускают через сито с диаметром отверстий 2-3 мм. Растирание и просеивание проводят до тех пор, пока весь взятый образец не пройдет через сито. Допускается отброс только обломков камней, крупных корней и инородных включений. Образцы хранятся в закрытых крафтовых пакетах в помещении, где отсутствуют химические реактивы. Навеску почвы для анализа берут методом «средней пробы». Для этого просеянный образец рассыпают тонким слоем (около 0.5 см) на листе бумаги в виде квадрата и делят его шпателем на мелкие квадратики со стороной 2-2.5 см. Из каждого квадратика шпателем отбирают часть образца.

Основными агрохимическими показателями анализа почвы, без которых не обходится ни одно окультуривание земель, являются содержание гумуса, подвижных форм фосфора, азота и калия, кислотность почвы, содержание кальция, магния, а также микроэлементов, в том числе и тяжелых металлов. Современные методы анализа позволяют определить в одной пробе 15-20 элементов. Фосфор относится к макроэлементам. По обеспеченности подвижными фосфатами различают почвы с очень низким содержанием - менее мг., низким - менее 8 мг., средним - 8 - 15 мг. и высоким - более 15 мг. фосфатов на 100 г. почвы.

Калий. Для этого элемента разработаны градации по содержанию в почве подвижных форм: очень низкое - до 4 мг., низкое - 4-8 мг., среднее - 8-12 мг., повышенное - 12-17 мг., высокое - более 17 мг. обменного калия на 100 г. почвы.Кислотность почвы - характеризует содержание протонов водорода в почве. Этот показатель выражают величиной рН. Кислотность почвы оказывает свое влияние на растения не только через непосредственное воздействие на корни растений токсичных протонов водорода и ионов алюминия, но и через характер поступления элементов питания. Катионы алюминия могут связываться с фосфорной кислотой, переводя фосфор в недоступную для растений форму. Негативное действие низкой кислотности отражается и на самой почве. При вытеснении протонами водорода из почвенного поглощающего комплекса (ППК) катионов кальция и магния, стабилизирующих структуру почвы, происходит разрушение гранул почвы и потеря ею оструктуренности.

Различают актуальную и потенциальную кислотность почвы. Актуальная кислотность почвы обусловлена превышением концентрации протонов водорода над ионами гидроксила в почвенном растворе. Потенциальная кислотность почвы включает протоны водорода, находящиеся в связанном состоянии с ППК. Для суждения о потенциальной кислотности почвы определяют рН солевой вытяжки (pH KCl). В зависимости от величины pH KCl различают кислотность почвы: до 4 - очень сильнокислая, 4,1-4,5 - сильнокислая, 4,6-5,0 - среднекислая, 5,1-5,5 - слабокислая, 5,6-6,0 - близкая к нейтральной и 6,0 - нейтральная. Анализ почвы на содержание тяжелых металлов и радиационный анализ относятся к категории редких анализов.