Воробьева Л.А. Химический анализ почв

Подождите немного. Документ загружается.

Л.А. Воробьева

ХИМИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ

почв

Рекомендовано Министерством общего и профессионального

образования Российской Федерации в качестве учебника для

студентов высших учебных заведений, обучающихся по

направлению и специальности «Почвоведение»

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

1998

УДК 631

ББК 40.3

В 75

Рецензенты:

кафедра почвоведения и географии почв

Санкт-Петербургского государственного университета;

доктор сельскохозяйственных наук Н.Б. Хитров

Воробьева Л.А.

В 75 Химический анализ почв: Учебник. — М.: Изд-во МГУ,

1998.

- 272 с. - ISBN 5-211-03973-4

В учебнике рассмотрены особенности почвы как объекта химичес-

кого анализа и показатели химических свойств почв и химических поч-

венных процессов, теоретически обоснованы приемы исследования хи-

мического состояния почв и интерпретации полученных результатов. Оха-

рактеризованы показатели и методы определения элементного,

вещественного, группового и фракционного состава почв, показатели и

способы оценки подвижности соединений химических элементов в по-

чвах, показатели и методы оценки кислотно-основных и катионообмен-

ных свойств почв.

Для студентов почвоведов, экологов, агрохимиков, для аспирантов и

специалистов, работающих в области исследования химического состоя-

ния почв.

УДК 631

ББК 40.3

Vorobyova L.A.

Chemical analysis of soils: Textbook. — Moscow University

Press,

1998. - 272 p.

This textbook presents the soil as an object of chemical analysis. The in-

dexes of soil chemical properties and processes are decribed, the ways of inves-

tigation of soil chemical status and interpretation of obtained results are theo-

retically based. Indexes and determination methods for the composition of

elements, substances, groups and fractions of

substances,

as well as indexes and

methods of evaluating of the chemical substances mobility in soils and acid-

alkaline and cation-exchange properties of soils are characterized.

For students, specializing in pedology, ecology, agrochemistry, for post-

graduate students and specialists studying chemical properties of soils.

ISBN 5-211-03973-4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предметом изучения курса «Химический анализ почв»

являются принципы и методы оценки химических свойств

почв и химических почвенных процессов.

Химический анализ почв является одним из наиболее

важных средств познания природы, генезиса и плодородия

почв.

Классификация

диагностика почв, оценка их мелио-

ративных особенностей и плодородия, оценка пригодности

почв для использования в сельском хозяйстве, инженерно-

строительных, коммунальных и иных целях в той или иной

мере базируются на результатах химического анализа почв.

Благодаря большому значению химического анализа в

изучении почв ему на всех этапах развития почвоведения

уделялось много внимания. Разработка теоретических основ

химического анализа

химической характеристики почв свя-

зана с именами А.Н. Сабанина, И.Н. Антипова-Каратаева,

И.В.Тюрина, Н.П. Ремезова, В.А.Чернова, В.В.Пономаре-

вой,

А.В.

Соколова,

Д.Л.

Аскинази, Н.И. Горбунова,

Е.В.

Ари-

нушкиной и многих других исследователей. Их именами на-

зывают разработанные ими методы анализа. Например,

гумус в почвах определяют по Тюрину, обменные водород и

алюминий

—

по Соколову, степень подвижности фосфатов

—

по Карпинскому и пр.

С именами Н.Г. Зырина, Д.Н. Иванова, А.И. Обухова и

других исследователей связана инструментализация химичес-

кого анализа почв. Она позволила ускорить темпы исследо-

ваний, сделать их более объективными, расширить круг ре-

шаемых задач.

Но безусловно особый вклад в развитие теоретических

основ

методов исследования почв внес К. К. Гедройц.

В 1909

г.

К. К. Гедройц опубликовал краткое руководство по химичес-

кому анализу почв, в

1923

г. вышла в свет его книга «Хими-

ческий анализ почв», которая неоднократно переиздавалась и

не утратила своего значения до наших дней. В ней не только

систематизированы и теоретически обоснованы методы ана-

лиза почв, но оценено влияние различных факторов на ре-

зультаты анализов, рассмотрены основы их интерпретации.

Современный этап развития химического анализа почв

имеет свои особенности.

настоящее время большое внима-

ние уделяется теоретическому обоснованию методов иссле-

дования химического состояния почв и совершенствованию

приемов интерпретации полученных результатов. Разработка

этих вопросов во многом основывается на применении

аппарата химической термодинамики, и в частности теории

химических равновесий, к исследованию почв, т.е. базирует-

ся на тех законах, которые студенты изучают в курсах анали-

тической и физической химии.

Использование термодинамических уравнений химичес-

ких и физико-химических равновесий и их констант позво-

ляет моделировать почвенные процессы, способствует выяв-

лению механизмов их проявления, тем самым позволяя бо-

лее объективно интерпретировать результаты исследования

почвенных систем.

В Московском университете первый курс лекций по хи-

мическому анализу почв читал проф. Е.П. Троицкий, затем

проф.

Е.В. Аринушкина. В 1949-1952 гг. Е.В. Аринушкиной

выпущены учебные пособия по химическому анализу почв,

которые в

1961 — 1970

гг. переиздавались. Будучи заведующим

кафедрой химии почв, много внимания развитию и инстру-

ментализации практикума по химическому анализу почв уде-

лял проф. Н.Г. Зырин.

Автор данного учебника много лет читает лекции и ру-

ководит работой практикума по химическому анализу почв

для студентов факультета почвоведения МГУ. На основе про-

читанного курса были написаны «Лекции по химическому

анализу почв» (1978) и настоящий учебник.

В основу построения учебника положена система пока-

зателей химических свойств почв. В каждой из его глав рас-

сматриваются показатели и методы оценки одного из свойств

почв.

При изложении материала предполагалось, что читате-

лю известны основы теории классической аналитической

химии и методов количественного анализа — химических и

инструментальных. В учебнике рассматриваются лишь те ас-

пекты теории методов, которые необходимы для понимания

особенностей анализа почв.

Автор признателен сотрудникам практикума по хими-

ческому анализу почв кандидатам биол. наук Т.А. Рудаковой,

О.А. Амельянчик, Г.И. Глебовой, О.В. Лопухиной за помощь

в работе, а также А.В. Горобцу за помощь в подготовке руко-

писи к печати. Автор благодарен доктору сельскохозяйствен-

ных наук Ю.Н. Водяницкому за полезные советы.

Автор глубоко признателен рецензентам — доценту

О.

Г.

Растворовой и другим сотрудникам кафедры почвоведе-

ния и географии почв Санкт-Петербургского государствен-

ного университета, руководимой профессором Б.Ф. Апари-

ным, и зав. отделом генезиса и мелиорации засоленных почв

Почвенного института им. В.В.Докучаева доктору сельско-

хозяйственных наук Н.Б. Хитрову за проявленный интерес к

учебнику и ценные замечания по его содержанию.

Автор будет благодарен за любые замечания, сделанные

по содержанию учебника.

ГЛАВА 1

ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ХИМИЧЕСКАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ.

ПОНЯТИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ

Химическая характеристика почв имеет особое значение в

решении практически любых проблем почвоведения, агрохимии,

мелиорации. Изменение свойств почв в процессе их естествен-

ного развития, сельскохозяйственного использования, мелиора-

ции, антропогенного загрязнения делает необходимым контроль

химического состояния почв и прогноз его изменения, основу

которых составляют результаты химических анализов почв.

1.1. Понятия и термины

Оценивая химические свойства почв и химические почвен-

ные процессы, можно получить представление о химическом со-

стоянии почвы. Термин «состояние» по отношению к почвам

применяли Н.М. Сибирцев (1900) и К.К. Гедройц. К.К. Гедройц

(1906) писал, что конечная цель изучения почвенной системы,

как и всякой иной, заключается

том, чтобы уметь определять ее

состояние при данных внешних условиях.

Химическое состояние почвы

можно рассматривать как сово-

купность химических свойств почвы и протекающих в ней про-

цессов. Количественное и (или) качественное описание химичес-

кого состояния почвы представляет собой

химическую

характерис-

тику

почвы.

Количественное описание химических свойств почв и хими-

ческих почвенных процессов осуществляют с помощью разнооб-

разных величин, или показателей химического состояния почв. В

качестве

показателей химического состояния почв

рассматривают

определяемые или расчетные величины, с помощью которых

можно оценить химические свойства почвы или протекающие в

ней химические процессы. Анализируя почву, находят уровни,

или величины показателей, характеризующих ее свойства и про-

текающие в ней химические процессы.

Показателями химического состояния почв являются, напри-

мер,

массовая доля гумуса в почве, рН водной или солевой по-

чвенных суспензий, массовая доля подвижных соединений хи-

мических элементов в почве и многие другие. Величины этих

показателей определяют, проводя химический анализ почв. В

качестве показателей, получаемых расчетным путем, можно на-

звать, например, степень насыщенности почвы основаниями.

Степень насыщенности почвы основаниями рассчитывают по

результатам определения гидролитической кислотности и суммы

обменных оснований.

1.2. Особенности почвы как объекта

химического исследования

и показатели химического состояния почв

Почву можно рассматривать как сложную химическую сис-

тему, изучение свойств которой проводят на разных уровнях.

Почву изучают как природное образование, состоящее из атомов

различных химических элементов, и в процессе исследования

определяют их содержание. Это атомный или элементный уро-

вень изучения состава почв. В то же время почвоведы ставят пе-

ред собой более сложные задачи и изучают состав почв на более

высоких уровнях (ионном, молекулярном и пр.).

Почва

—

сложный объект исследования. Сложность исследо-

вания химического состояния почв обусловлена особенностями

их химических свойств и связана с необходимостью получения

информации, адекватно отражающей свойства нативных почв и

обеспечивающей наиболее рациональное решение как теорети-

ческих вопросов почвоведения, так и вопросов практического

использования почв. Для количественного описания химическо-

го состояния почв используют широкий набор показателей. В

него входят показатели, определяемые при анализе практически

любых объектов и разработанные специально для исследования

почв.

Например, валовое (общее) содержание железа, марганца,

фосфора, кремния, углерода металлурги определяют в чугуне и

стали, а почвоведы в почвах. Специфическими показателями,

разработанными специально для оценки химического состояния

почв,

являются, например, обменная и гидролитическая кислот-

ность, показатели группового и фракционного состава гумуса,

степень насыщенности почв основаниями и др.

Набор и соподчиненность показателей химического состоя-

ния почв обусловлены особенностями почвы как химической

системы и как объекта практического использования. Особенно-

стями почвы как химической системы является гетерогенность,

полихимизм, дисперсность, неоднородность, изменение и дина-

мика свойств, буферность и др. В качестве особенности почвы

как объекта производства, влияющей на специфику анализа, мож-

но рассматривать необходимость оптимизации свойств почвы.

Полихимизм почв. В почвах один и тот же химический эле-

мент может входить в состав разнообразных соединений: легко-

растворимых солей, сложных алюмосиликатов, органоминераль-

ных веществ. Эти компоненты обладают разными свойствами, от

которых, в частности, зависит способность химического элемен-

та 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 об-

щее содержание химических элементов, но и показатели, харак-

теризующие состав и содержание индивидуальных химических

соединений или групп соединений, обладающих близкими свой-

ствами. Эти показатели позволяют диагностировать почвенные

процессы, исследовать трансформацию химического элемента в

процессе почвообразования, при внесении удобрений и техно-

генном загрязнении, оценивать плодородие и мелиоративные

особенности почв.

Гетерогенность почв. В составе почвы выделяют твердую,

жидкую, газовую фазы. К.К. Гедройц еще в 1906 г. писал, что для

определения состояния почвенной системы необходимо изучать

ее твердые фазы и приступить к систематическому изучению

жидкой фазы в зависимости, в частности, от парциального дав-

ления С0

в почвенном воздухе. В настоящее время при исследо-

вании химического состояния почвы и отдельных ее компонен-

тов определяют показатели, характеризующие не только почву в

целом, но и ее отдельные фазы. Более того, разработаны матема-

тические модели, позволяющие, например, 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 час-

тиц разного размера от крупинок песка до коллоидных частиц

диаметром в несколько микрометров. Они неодинаковы по со-

ставу и обладают разными свойствами. При специальных иссле-

дованиях генезиса почв определяют показатели химического со-

става и других свойств отдельных гранулометрических фракций.

С дисперсностью почв в какой-то мере связана их способ-

ность к ионному обмену, которая в свою очередь характеризуется

специфическим набором показателей — емкостью катионного и

анионного обмена, составом обменных катионов и пр. От уров-

ней этих показателей зависят многие химические и физические

свойства почв.

Кислотно-основные

окислительно-восстановительные свойства

почв. В состав почв входят компоненты, проявляющие свойства

кислот и оснований, окислителей и восстановителей. При реше-

нии разнообразных теоретических и прикладных проблем почво-

ведения, агрохимии, мелиорации определяют показатели, харак-

теризующие кислотность и щелочность почв, их окислительно-

восстановительное состояние.

Неоднородность,

вариабельность,

динамика,

буферность

хими-

ческих

свойств

почв.

Свойства почв неодинаковы даже в пределах

одного и того же генетического горизонта. При исследовании

процессов формирования почвенного профиля оценивают хими-

ческие свойства отдельных элементов организации почвенной

массы (кутан, педов и пр.).

Свойства почв варьируют в пространстве, изменяются во вре-

мени и в то же время почвы обладают способностью противосто-

ять изменению своих свойств, т. е. проявляют буферность. Разра-

ботаны показатели и способы характеристики вариабельности,

динамики, буферности свойств почв.

Изменение

свойств

почв.

В почвах непрерывно протекают раз-

нообразные процессы, которые приводят к изменению химичес-

ких свойств почв. Практическое применение находят показате-

ли,

характеризующие направление, степень выраженности, ско-

рости протекающих в почвах процессов; исследуются динамика

изменения свойств почв и их режимы. Могут изменяться хими-

ческие свойства даже изолированных почвенных проб при их

высушивании, растирании, просто при хранении. Многочислен-

ными исследованиями показано, что высушивание почвенных

проб влияет на результаты определения рН, гидролитической

кислотности, подвижных соединений азота, фосфора, калия и

пр.

В качестве примера рассмотрим результаты определения ка-

лия, переходящего в

М СН

СООЫН

-вытяжку из не получав-

шего калийных удобрений сильновыщелоченного чернозема.

Анализировались почвенные пробы с естественной влажностью

и высушенные до воздушно-сухого состояния. Приведенные в

табл. 1 результаты показывают, что высушивание увеличивает

подвижность калия, оказывая наиболее сильное влияние на со-

стояние калия в горизонтах, которые не подвергаются высушива-

нию в реальных почвенных условиях.

Высушивание почвенных проб из пахотного горизонта увеличи-

ло содержание подвижного, переходящего в

М CH

COONH

-Bbi-

тяжку калия с 10,3 до 12,9 мг/100 г почвы.

то же время высуши-

вание пробы из подпахотного горизонта (25—35 см) увеличило

содержание подвижного калия в 2 раза, а проб из горизонта, за-

легающего на глубине 75-85 см — почти в 4 раза.

Таблица 1

Результаты определения калия, извлекаемого

1 М раствором CH

COONH

Горизонт

Апах.

ВС

Глубина пробы, см

0-20

25-35

75-85

К, мг/100 г почвы

влажные пробы

10,3

5,5

3,5

воздушно-сухие пробы

12,9

11,6

13,1

Возможное изменение свойств почвенных проб необходимо

принимать во внимание при оценке химического состояния ре-

альных почв.

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. На-

пример, в подзолистых, дерново-подзолистых, серых лесных по-

чвах, как правило, определяют рН водных и солевых суспензий,

обменную и гидролитическую кислотность, обменные основания

вытесняют из почв водными растворами солей. В то же время

при анализе засоленных почв определяют рН только водных сус-

пензий, а вместо показателей кислотности — общую, карбонат-

ную и другие виды щелочности. Обменные основания в засолен-

ных почвах невозможно определить простым вытеснением их из

почвы водными растворами солей без использования специаль-

ных аналитических приемов.

Перечисленные особенности почв во многом обусловливают

принципиальные основы методов исследования химического со-

стояния почв, номенклатуру и классификацию показателей хи-

мических свойств почв и химических почвенных процессов.

1.3. Системы показателей химического

состояния почв

Как отмечалось в предыдущем разделе, для описания хими-

ческих свойств почв и химических почвенных процессов ис-

пользуются разнообразные показатели. Набор используемых по-

казателей химического состояния почв не является неизменным.

По мере развития представлений о химии почв и расширения

круга решаемых задач набор их увеличивается. Так, в 1929—

1930 гг. Н.П. Ремезов ввел в практику исследования почв опре-

деление окислительно-восстановительного потенциала (ОВП)

как показателя окислительно-восстановительных свойств почв.

А в конце семидесятых годов В.И. Савич обосновывает введение

еще двух показателей

—

окислительно-восстановительной емко-

сти и окислительно-восстановительной буферности почв. Опас-

ность подкисления почв, вызываемого техногенными кислыми

осадками, привела к увеличению числа часто определяемых по-

казателей кислотно-основных свойств почв.

Ориентироваться в показателях, суметь выбрать тот из них,

определение которого позволит наилучшим образом и с наимень-

шими затратами решить поставленную задачу, бывает нелегко не

только студенту. Трудность выбора усугубляется тем обстоятель-

ством, что одна и та же проблема может быть решена с помощью

разных показателей и в то же время один какой-либо показатель

может быть использован в разных целях.

Чтобы почвоведы, агрохимики, мелиораторы могли ориен-

тироваться в многообразии понятий, терминов, показателей, а

также для установления связей между ними, необходима их сис-

тематизация. Известно, что успехи и эффективность использова-

ния достижений любой науки зависят от разработанности поня-

тийно-терминологического аппарата и системы показателей, по-

зволяющих согласованно оценивать свойства и трансформацию

объекта.

Систематизация показателей может быть основана на разных

принципах, и несомненно любая классификация в той или иной

мере условна. Однако в тех случаях, когда в основе их разработки

лежит системный подход, ориентирующий на раскрытие целост-

ности или внутреннего единства системы, классификации явля-

ются полезным средством для установления связей между поня-

тиями или объектами, составляющими систему.

В химии почв предложена общая система, объединяющая все

показатели, с помощью которых характеризуют химические свой-

ства почв и химические почвенные процессы. В общей системе

все известные показатели химического состояния почв разделе-

ны на две большие группы. В одной объединены показатели хи-

мических свойств почв, в другой — показатели химических по-

чвенных процессов. Показатели первой группы позволяют полу-

чить статическую характеристику химических свойств почв на

момент исследования. Показатели второй группы отражают сте-

пень выраженности, скорость природных и антропогенных хи-

мических почвенных процессов. Каждая из групп включает под-

группы, в которых представлены показатели, характеризующие

одно из свойств почвы или степень выраженности, скорость про-

цесса. В самом общем виде эта система может быть представлена

следующим образом: