интерпретация данных валового состава_Задание 2. 2. 16 Способы выражения элементного состава почвы
 Скачать 256 Kb.
|
|
2.16 Способы выражения элементного состава почвы Распространен традиционный и простейший способ вычисления результатов анализа валового элементного состава почвы в процентах (массовых) высших оксидов элементов, входящих в состав почвы (Полынов Б.Б., 1956, Мякина Н.Б., Аринушкина Е.В., 1979). Этот способ наиболее применим для макроэлементов. При полном валовом анализе учитывают следующие оксиды: SiO2, Al2О3, Fe203, TiO2, Na2O, MnO, CaO, MgO, SO3, P2O5, K2O. В первом приближении можно считать, что в пересчете на прокаленную навеску почвы сумма высших оксидов должна быть близка 100 %. Допустимые отклонения не должны превышать 1-1,5 %. Такая проверка несколько условна, так как не во всех почвах и не всегда валентное состояние оксидов отвечает их высшим оксидам и не все элементы в почвах представлены кислородными соединениями. Из перечисленных выше макроэлементов в разных степенях окисленности в почвах могут находиться Fe, Mn, S. В восстановленных почвах некоторые элементы могут быть представлены сульфидами. Если, например, результаты анализа пирита FeS2 выразить в оксидах, то сумма оксидов составит более 200 %. Однако для большинства почв проверка правильности анализа элементного состава по сумме оксидов оказывается вполне приемлемой. Выражение результатов валового анализа почв в оксидах и в весовых процентах имеет существенные недостатки. 1. Условная форма записи в виде высших оксидов не соответствует реально присутствующим в почвах соединениям. Только Si, Ti, Fe и А1 частично находятся в почвах в форме оксидов различной степени окристаллизованности. Остальные оксиды не могут существовать в почве в свободном состоянии. 2. Оксидная форма искажает представление о соотношении количеств различных элементов в составе почвы, так как весовая и мольная доли кислорода в составе оксидов различных элементов неодинаковы. Например, доля S в составе SO3 составляет только 40 % массы оксида, тогда как доля К в составе К20 равна 83 %. Если, например, в почве содержится 1,5 % К20 и 0,3 % SO3, то по таким данным содержание К20 в почве в 5 раз больше, чем S03; а в пересчете на элементы содержание К оказывается равным 1,25 %, a S – 0,12 %, т. е. количество калия в 10 раз превышает количество серы. Таким образом, содержание оксидов не дает правильного представления о накоплении в почве химических элементов и их соотношении. 3. Правильному восприятию элементного состава почвы мешает и выражение результатов анализов в массовых процентах, даже если состав представлен в элементах, а не в оксидах. В химических реакциях и процессах участвуют атомы, ионы и молекулы, конечный результат зависит от числа вступивших в реакцию молекул или от числа атомов, перенесенных из одного почвенного горизонта в другой. Таким образом, итог процесса, его интенсивность должны быть выражены числом частиц вещества, а не его массой. Например. Сравним поведение алюминия и железа в черноземе. В пахотном горизонте типичного чернозема (Курская область) содержится 9,2 % А120з и 3,7 % Fe203. В пересчете на элементы это составит 4,9 % А1 и 2,6 % Fe. Атомные массы этих элементов резко различны и равны 26,98 и 55,85 для А1 и Fe соответственно. Следовательно, в 100 г почвы содержится 0,18 моля А1 и 0,047 моля Fe. Если по массе содержание А1 в 1,9 раза превышает содержание Fe, то по числу атомов – в 3,8 раза. Количественные соотношения между содержанием отдельных элементов широко используются почвоведами для решения многих генетических вопросов, и, решение задачи может зависеть от выбранного способа выражения результатов анализов. В практике почвоведения нередки и такие случаи, когда выводы о преобладании того или иного элемента могут быть изменены на противоположные при правильном выборе способа выражения результатов анализа. Например. Дерново-подзолистая почва в горизонте Е (А2) содержится 0,95 % СаО и 0,75 % MgO или в пересчете на Са и Mg – 0,68 и 0,45 % соответственно. Сравнение этих величин показывает преобладание Са над Mg. Однако число молей Са в 100 г почвы оказывается меньше, чем число молей магния – 0,017 и 0,019 соответственно. Таким образом, при исследованиях химического строения почвенных компонентов, их трансформации, закономерностей миграции и аккумуляции элементов результаты определения элементного состава следует выражать: а) в молях на определенную массу (кг) и (или) объем почвы. Согласно Международной системе единиц измерений (СИ), моль – это количество простого или сложного вещества, содержащее такое количество структурных элементов (атомов, молекул, ионов или электронов), которое равно числу атомов в 12 г изотопа углерода 12С, а именно 6,022 • 1023 (число Авогадро). Чтобы найти число молей элемента в 1 кг почвы, надо его процентное содержание в почве разделить на атомную массу (AM) и умножить на десять: моль/кг = (% • 10): AM; б) также можно пользоваться мольными долями или мольными процентами. Мольная доля – это число молей данного элемента (компонента), отнесенное к общему числу молей всех элементов (компонентов), составляющих почву. Мольная доля может изменяться от нуля до единицы. Мольный процент – то же, что и мольная доля, но выраженная в процентах; изменяется от нуля до 100 %. В таблице 16 приведен элементный состав дерново-подзолистой почвы, выраженный различными способами. Таблица 16 Элементный состав дерново-подзолистой почвы в расчете на абсолютно сухую навеску (Орлов Д.С. и др., 2005) I. Процентное (по массе) содержание оксидов
II. Процентное (по массе) содержание элементов
III. Содержание элементов, моль/кг
IV. Мольные доли элементов, % от суммы молей
Сумма оксидов, как видно из таблицы, составляет от 89 до 97 %. Недостающее до 100 % количество приходится на MnO, Р205, S03 и на органические вещества. Наименьшая сумма – 89,35 % - найдена для верхнего горизонта А1Е, в котором содержится наибольшее количество органического вещества. По весовому содержанию оксиды располагаются в следующий убывающий ряд: Si02 >> AI3O3 > Fe203 > K20 > MgO, CaO, Na20. При пересчете на элементы этот ряд сохраняется, но соотношение элементов меняется. Так, в горизонте А1Е отношение SiО2/Al2О3 равно 8,4, тогда как отношение Si/Al = 7,4. Еще резче это различие выражено при сопоставлении кремния и железа. В том же горизонте отношение SiО2/Fe2О3 = 28,4, a Si/Fe – 19,0. Пересчетные коэффициенты отношений зависят от атомных масс и формулы оксида. В таблице 17 приведены некоторые массовые пересчетные коэффициенты. Пересчетные коэффициенты неодинаковы, и это означает, что выводы о накоплении, миграции элементов, их перераспределении в почвенном профиле будут различны в зависимости от выбранной формы выражения результатов анализа. Более контрастны заключения при использовании не массовых, а мольных величин. Например. В массовом выражении количество А1 в 2-3 раза превышает содержание Fe, а по числу атомов в 4-5 раз больше, чем Fe (см. табл. 14). По массе количество Са в верхних горизонтах в 1,5-2 раза больше, чем Mg, но по числу атомов уровни содержания Са и Mg соизмеримы или даже Mg преобладает. Также сглаживаются различия между К и Na. Таблица 17 Массовые пересчетные коэффициенты
Генетические вопросы в почвоведении во многом основаны на количественной химической характеристике почв и на соотношении элементов (или групп элементов), поэтому выбор способа вычисления имеет принципиально важное значение. В зависимости от решаемой задачи могут быть использованы различные способы расчета результатов анализов. Наиболее употребительны из них следующие: • вычисление на воздушно-сухую массу (навеску) почвы; • вычисление на абсолютно сухую (высушенную при 105 °С) почву; • расчет на прокаленную почву; • расчет на безгумусную массу почвы; • расчет на бескарбонатную почву; • расчет на безгумусную и бескарбонатную почву; • вычисление на определенный объем почвы. Кроме того, прибегают и к различным частным показателям. Например, пересчет ведется не на всю почву, а на ее часть. Так, содержание углерода и азота можно вычислять не на всю массу почвы, а только на количество содержащегося в ней органического вещества. Это позволяет выявить качественные особенности гумуса. Каждый показатель и способ расчета должен опираться на определенный физический смысл, только тогда он будет полезен и не внесет путаницы в оценку химических свойств почвы. Цель пересчета элементного состава почвы на высушенную навеску обусловлена необходимостью сопоставления почв в некотором условно выбранном стандартном состоянии. Влажность почв – величина переменная, зависит от срока и условий взятия образца в поле, его хранения, влажности воздуха в лаборатории. Поэтому принято расчет вести на почву, высушенную при 105 °С. Считается, что при этом удаляется гигроскопическая вода (сорбированная из воздуха), но не затрагивается вода конституционная. Если для анализа была взята влажная или воздушно-сухая почва, то для пересчета на абсолютно сухую почву содержание определяемого элемента умножают на коэффициент 100 + W , где W - влажность почвы в расчете на высушенную при 100 105 °С навеску. Для пересчета элементного состава на безгумусную, бескарбонатную почву и т. п. используется коэффициент иного вида: 100 , где х – процентное содержание 100-х в почве гумуса, карбонатов или любого другого компонента (или их суммы), влияние которого на элементный состав необходимо элиминировать. Различия в способах расчета обусловлены тем, что содержание воды в почве вычисляют на безводную навеску, тогда как содержание гумуса (карбонатов и т. п.) – на всю массу почвы, включая гумус (карбонаты и т. п.). Пересчет элементного состава на безгумусную (бескарбонатную и т. п.) навеску осуществляют для того, чтобы выявить реальную профильную дифференциацию почвы по элементному составу. Неодинаковое содержание какого-либо элемента в двух сравниваемых генетических горизонтах может быть обусловлено тремя различными причинами: 1) неоднородностью почвообразующей породы; 2) абсолютным накоплением или потерей элемента за счет переноса его соединений в почвенном профиле; 3) относительным накоплением (потерей) элемента вследствие потери (накопления) в данном горизонте других химических веществ. Различают абсолютное накопление (потерю) и относительное. Кажущееся обеднение генетического горизонта каким-либо элементом (относительная потеря) часто наблюдается при аккумуляции гумуса, карбонатов или легкорастворимых солей. Если, например, в верхнем перегнойно-аккумулятивном горизонте накопилось значительное количество органического вещества, то доля минеральных компонентов (не накапливающихся в составе органического вещества) окажется пониженной, если элементный состав выражать в молях или процентах на воздушно-сухую почву. Доля тех же элементов в нижележащем горизонте окажется уже повышенной. Это может повлечь ложный вывод о миграционных процессах в профиле почвы. Рассматриваемые способы пересчета позволяют избежать ложных выводов, сделать верное заключение о процессах миграции и аккумуляции веществ. Почвообразовательный процесс сопровождается не только химическими изменениями; меняется и объемная масса (относительная плотность) почвы. Это может происходить за счет механического разрыхления или уплотнения почвообразующей породы, а также вследствие привноса вещества, заполняющего поры почвы. Выщелачивание ряда веществ может увеличивать порозность почвы, что, в свою очередь, снижает плотность горизонта. В таких условиях информация об элементном составе окажется неполной или неточной, если не учитывать изменение объема почвы. Особенно важны эти параметры при решении балансовых задач. Относительную плотность почвы можно учесть двумя путями: 1) выражением элементного состава не на единицу массы почвы, а на единицу ее объема; 2) подсчетом запасов элементов. Запасы обычно вычисляют для каждого горизонта почвы в отдельности в расчете на гектар или на призму с площадью горизонтального сечения, равной 1 м2. Для быстрого вычисления запасов можно воспользоваться формулой: З = 1000hVХ, где З – запас элемента, кг/га, в слое почвы мощностью h, см; V – объемная масса почвы; X – содержание элемента, %. Запасы элементов вычисляют послойно (на горизонт или на определенную мощность почвенного слоя). Общий запас элемента в почве (в кг/га, т/га, г/см2 и т. п.) находят суммированием запасов во всех генетических горизонтах, например: ЗΣ = ЗA1 + ЗЕ + ЗВ + … Практически в большинстве случаев ограничиваются нахождением запасов элементов в пахотном слое почвы (0-20 см), в слое 0-50 см или 0-100 см. Анализ запасов элементов или веществ позволяет вскрыть причины некоторых изменений химического состава, происходящих при распашке почв, их окультуривании, мелиорации. Изучение только содержания элементов в отдельных слоях почвы может привести к ошибочным выводам. Типичный пример – характер изменения содержания углерода органического вещества при распашке целинных почв. Практически в любых целинных почвах максимальное содержание органического углерода приурочено к самому поверхностному слою, чаще всего это слой 0-5 см или 0-10 см. |