ПРАКТИЧЕСКОЕ РУКОВОДСВО ПО ХИМИИ ПОЧВ. Руководство по химии почв учебное пособие
 Скачать 2.43 Mb.
|
|
Ход анализа. Из образца почвы, приготовленного для определения общего гумуса, в сухую чистую пробирку отвешивают на аналитических весах 1-5 г с таким расчетом, чтобы в ней содержалось 20-40 мг азота. На запаянный конец пробирки надевают отрезок резиновой трубки и с его помощью вводят пробирку в сухую колбу Кьельдаля. Пробирку опускают как можно глубже, почти до дна колбы, и осторожно высыпают почву так, чтобы она не распылилась. Пробирку вынимают из каучуковой трубки и взвешивают. По разности между весом пробирки с почвой и без нее находят величину взятой навески почвы для определения содержания общего азота. Сжигание. В колбу Кьельдаля со взятой навеской почвы добавляют две-три крупинки селена или 1 г сернокислой меди (или 0,5 г окиси меди) и 10 мг K2SO4. По стенкам, стараясь смыть пылинки и смочить всю почву, приливают 10 мл концентрированной H2SO4. Содержимое колбы осторожно перемешивают круговыми движениями, стараясь не размазать суспензию по грушевидному расширению колбы. Пока вся почва не будет смочена кислотой, нагревание содержимого начинать нельзя, поскольку сухая почва при нагревании пригорает и происходит частичная потеря азота. Кроме того, в том месте, где почва не смочена кислотой, колба может треснуть от перегрева. Колбу закрывают свободнолежащей стеклянной пробкой, ставят для озоления в вытяжном шкафу на нагревательный прибор в наклонном положении, чтобы жидкость при кипении не выбрасывало из колбы, и начинают медленное нагревание. Нагревать начинают на слабом огне. Когда начнется обильное выделение белого «дымка», нагрев увеличивают и содержимое колбы доводят до слабого кипения, которое продолжается, пока раствор не станет прозрачным и почти бесцветным, а осадок белым. Кипение серной кислоты все время должно быть слабым, во избежание потерь (NH4)2SO4. В процессе кипения не должно происходить вспучивание смеси. В случае сильного вспенивания, колбу снимают с огня, дают ей немного охладиться и перемешивают содержимое, следя, чтобы пена не поднималась выше ее грушевидного расширения, затем снова ставят колбу на огонь. После просветления жидкости и побеления осадка почвы смесь кипятят еще в течение 1-2 часов для полной уверенности в окончании реакции. Отгонка аммиака. Для отгонки собирают прибор, состоящий из термостойкой плоскодонной отгонной колбы на 750 или 1000 мл, каплеуловителя, холодильника и аллонжа, опущенного в приемную коническую колбу на 250 мл (рис. 2).  Рис. 4. Прибор для отгонки аммиака: а – перегонная колба, б – каплеуловитель, в – дистилляционная трубка, г – приемник с титрованным раствором кислоты В охлажденную колбу Кьельдаля, поставленную наклонно, осторожно, небольшими порциями, обмывая стенки и пробку, приливают дистиллированную воду до объема около 50 мл и переносят раствор в отгонную колбу. Осадок нужно тщательно отмыть многократными небольшими порциями дистиллированной воды, сливая промывные воды в отгонную колбу. Всего в отгонной колбе должно быть не более 300 – 400 мл жидкости. Переносить остаток отмытой почвы не обязательно. Вслед за этим подготавливают приемник. В коническую колбу на 250 мл приливают из бюретки 20 мл 0,02-0,05-0,1 н раствора H2SO4, в зависимости от содержания азота, и добавляют несколько капель индикатора Гроака, окрашивающего раствор кислоты в красно-фиолетовый цвет. Эту колбу с титрованной кислотой ставят под аллонж на подставку так, чтобы его конец был слегка погружен в кислоту примерно на 5 мм. В отгонную колбу с перенесенным раствором по стенке в наклонном положении осторожно приливают 40 %-ный раствор NaOH в 4-кратном объеме к взятой для сжигания кислоте. Спускаясь по стенкам колбы, щелочь стекает на дно, не смешиваясь с более легкой жидкостью, что уменьшает опасность потери аммиака. Прибавляют 2 – 3 капли фенолфталеина и маленький кусочек гранулированного цинка или стеклянные капилляры, чтобы обеспечить равномерное кипение жидкости. Колбу присоединяют к перегонному аппарату, плотно закрывая смоченной для герметичности дистиллированной водой резиновой пробкой с каплеуловителем. Для обеспечения полной герметичности прибора пробку около трубки каплеуловителя и в месте соприкосновения с расширением горла колбы смачивают несколькими каплями дистиллированной воды, следя за тем, чтобы вода не стекала по колбе и не смачивала ее дно. Пускают воду в холодильник, а содержимое колбы тщательно перемешивают круговыми движениями. Малиновая окраска жидкости в колбе свидетельствует о щелочной реакции раствора. Недостаточно полное перемешивание может привести к локальному перегреву жидкости на дне перегонной колбы, бурному вскипанию и даже взрыву колбы. Сразу же после перемешивания колбу устанавливают на асбестовой сетке и горло ее слегка закрепляют. Раствор постепенно нагревают до кипения, которое должно быть равномерным и не сильным до конца отгонки. В процессе отгонки аммиака происходит засасывание жидкости из колбы-приемника в трубку с шарообразными расширениями. Перебрасывание приемной жидкости в отгонную колбу сопровождается опасным взрывом. Во избежание взрыва при интенсивном, непрекращающемся засасывании жидкости в трубку, приемную колбу нужно опустить и вынуть трубку из раствора. Если это пришлось сделать до начала перегонки воды, то анализ необходимо повторить из-за возможных потерь NH3. Через некоторое время после начала кипения (6-8 минут), когда будет происходить отгонка воды, приемную коническую колбу необходимо опустить и трубку вынуть из раствора во избежание перебрасывания жидкости из приемника в отгонную колбу. Вода с растворенным аммиаком будет стекать в приемник. Через 30-40 минут проверяют полноту отгонки по лакмусовой бумажке. Если очередная капля отгона не вызывает посинения лакмусовой бумажки, то прекращают нагревание раствора и выключают холодильник. Конец трубки обмывают изнутри и снаружи дистиллированной водой, собирая ее в колбу-приемник. Избыток раствора серной кислоты в приемнике титруют раствором NaOH той же концентрации, что и кислота, взятая для поглощения аммиака. По количеству связанной аммиаком серной кислоты вычисляют содержание азота:  где V1 – количество серной кислоты, взятой в приемник, мл; V2 – количество щелочи, пошедшее на обратное титрование, мл; н1 – нормальность кислоты; н2 – нормальность щелочи; 0,014 – количество азота в граммах, соответствующее 1 мг-экв. аммиака; m – навеска абсолютно сухой почвы; 100 – коэффициент пересчета на 100 г почвы. Пример расчета. В приемную колбу взято 20 мл 0,02 н. раствора H2SO4. На титрование остатка кислоты пошло 14,6 мл 0,022 н. раствора NaOH. Навеска почвы равна 1,016 г. Содержание азота составило:  Из полученной величины содержания азота в почве вычитают то количество азота, которое найдено при проведении холостого или контрольного опыта на чистоту реактивов. Для анализа используют следующие реактивы: 1. Концентрированная серная кислота (пл. 1,84), не содержащая аммонийных солей. 2. 40 %-ный раствор NaOH. 400 г NaOH помещают в сухой фарфоровый стакан или термостойкую посуду с маркировкой на уровне 1 л. Приливают 600 мл дистиллированной воды, лишенной CO2 и тщательно перемешивают содержимое до полного растворения. При этом происходит сильный разогрев жидкости. Раствор закрывают бумагой и оставляют до следующего дня, после чего доводят до метки и переносят для хранения в сосуд, закрытый пробкой с хлоркальциевой трубкой, содержащей аскарит, поглощающий СО2. 3. Титрованный раствор NaOH и H2SO4. Растворы соответствующих концентраций готовят из фиксаналов. 4. Смешанный индикатор Гроака. 1 объем 0,4 % спиртового раствора метилового красного смешивают с 1 объемом 0,2 % спиртового раствора метиленового голубого. Раствор смешанного индикатора хранят в темной склянке. 3.3.2. Определение общего содержания азота микрохромовым методом И.В. Тюрина. Из образца почвы подготовленного для определения общего гумуса на аналитических весах берут навеску, масса которой зависит от содержания гумуса в почве и может варьировать от 0,2 до 1 г. Навеску помещают в сухую коническую колбочку емкостью 100 мл. Приливают 2,5 мл 25 %-ного раствора CrO3 (или 10 %-ного раствора K2Cr2O7), смачивая им почву, затем добавляют 5 мл концентрированной H2SO4 и перемешивают содержимое колбы круговым движением. Закрывают колбу маленькой воронкой или пробкой-холодильником и ставят на нагретую электрическую плитку с закрытой спиралью для сжигания, нагревают до кипения и кипятят 10 минут до явного позеленения жидкости. Кипение не должно быть бурным. Если спустя 10 минут окраска остается зеленовато-бурой, кипячение продолжают до полного позеленения раствора. Если позеленение наблюдается сразу после прибавления к навеске хромовой и серной кислот, определение повторяют, уменьшив навеску или увеличив объем окислителя и серной кислоты (на один объем раствора два объема H2SO4). По окончании сжигания (жидкость должна быть интенсивно зеленая) колбу снимают с плитки, раствор охлаждают и переливают в перегонную колбу, тщательно обмывая воронку или пробку и стенки колбы дистиллированной водой (доводят объем жидкости в перегонной колбе примерно до 100 мл). Добавляют немного прокаленной пемзы для равномерного кипения и затем по стенке медленно приливают 50 %-ный раствор NaOH в 4-кратном количестве по сравнению с серной кислотой, взятой для сжигания. Отгонку аммиака и обратное титрование ведут тем же способом, как описано в методе Кьельдаля. Параллельно ставят холостой опыт, где вместо почвы берут прокаленною пемзу. Содержание азота находят по формуле, приведенной в методе Кьельдаля. Для анализа используют следующие реактивы: 1. 25 %-ный раствор хромового ангидрида. 25 г CrO3 растворяют в небольшом количестве дистиллированной воды и доводят до объема 100 мл. Вместо хромового ангидрида можно использовать 10 % раствор K2Cr2O7. 10 грамм соли растворяют в 100 мл дистиллированной воды. Нужно учитывать, что этот раствор легко перегревается и кипит толчками, что затрудняет кипячение. 2. 50 %-ный раствор NaOH. Для приготовления берут 500 г NaOH и далее поступают так же, как при приготовлении 40%-ного раствора NaOH, используемого в методе Кьельдаля. Там же указаны и остальные необходимые реактивы. 3.4. Использование данных по содержанию общего гумуса и азота 3.4.1. Расчет отношения C:N Для всех почвенных образцов, в которых проводили определение содержания органического углерода и азота, находят атомное отношение C:N. Этот показатель используют для оценки обогащенности гумуса азотом (табл. 31). Атомное отношение углерода к азоту находят по формуле:  где %C – содержание в почве органического углерода, %; %N – содержание в почве органического азота, %; 14,01 – атомная масса азота; 12,01 – атомная масса углерода. Пример расчета. Содержание органического углерода в почве равно 0,96%, содержание азота равно 0,109%. Величина атомного отношения равна:  3.4.2. Вычисление запасов гумуса, углерода и азота. Запасы гумуса в отдельных генетических горизонтах или профиле почвы в целом позволяют судить о потенциальном плодородии и энергетических запасах, обусловленных органическим веществом. Запасы азота в почве характеризуют потенциальное плодородие и дают представление о ресурсах одного из важнейших элементов питания. Сопоставление запасов с размерами поступления и выноса позволяет прогнозировать обеспеченность почв, как органическим веществом, так и отдельными его компонентами, в частности азотом. Запасы гумуса и азота обычно определяются для пахотного слоя или перегнойно-аккумулятивного горизонта, для слоя 0 – 50 см, 0 – 100 см или всего гумусового профиля почвы. Помимо сведений о процентном содержании определяемого компонента и мощности слоя, для которого вычисляют запасы, необходимы данные плотности горизонтов почвы. Плотность определяют в поле одновременно с взятием почвенных образцов. Запасы гумуса и азота в почвенном слое вычисляют в т/га по формуле: Q = m ∙ h dv, где Q – запасы гумуса или азота (т/га) для почвенного слоя h; m – содержание определяемого компонента, %; h – мощность почвенного слоя (см); dv – плотность сложения почвенного слоя, г/см3. Пример расчета. Содержание гумуса в пахотном слое чернозема южного мощностью 20 см составило 5,46%, плотность почвы – 1,25 г/см3. Запасы гумуса равны: Q = 5,46 ∙ 20 ∙ 1,25 = 136,5 т/га. Общие запасы гумуса или азота в почвенной толще вычисляют простым суммированием: Q = Q1 + Q2 + Q3 + …, где Q - общие запасы, а Q1, Q2, Q3 и т.д. – запасы в отдельных горизонтах (слоях). Среднее содержание компонентов в почвенной толще вычисляют как средневзвешенное:  где С – среднее содержание элемента в почвенной толще; С1, С2 и т.д. – содержание элемента в отдельных горизонтах; h1, h2 и т.д. – мощности отдельных горизонтов. Результаты определения содержания и запасов гумуса, органического углерода и азота заносят в таблицу по приведенной форме (табл. 23), и дают им оценку в соответствии с градациями, приведенными в таблице 31. Таблица 23. Содержание и запасы гумуса, органического углерода и азота в черноземе типичном, мощном легкоглинистом.
3.5. Методы определение группового и фракционного состава гумуса. Качественные особенности гумуса различных типов почв, или его фракционно-групповой состав, характеризуются количественным соотношением групп и фракций, входящих в него основных компонентов. Под группой веществ понимается совокупность родственных по строению и свойствам соединений. При анализе качественного состава гумуса обычно выделяют следующие группы веществ: гуминовые кислоты (Гк), фульвокислоты (Фк) и гумин (негидролизуемый остаток). В специальных исследованиях кроме упомянутых выше групп выделяют также гиматомелановые кислоты (Гмк) и группу неспецифических соединений. Все эти группы веществ можно выделить из почвы любым щелочным экстрагентом. Полученная щелочная вытяжка в дальнейшем подвергается фракционированию. При подкислении минеральной кислотой щелочной вытяжки из почвы до рН - 1-2 гуминовые кислоты выпадают в осадок, фульвокислоты остаются в растворе. Отделение осадка Гк от Фк осуществляется фильтрованием или центрифугированием. Гумин представляет собой неэкстрагируемую часть гумуса почвы и состоит из разнообразных органических веществ. В него входят Гк и Фк, очень прочно связанные с глинистыми минералами и не извлекаемые разбавленными растворами кислот и щелочей; Гк и Фк, утратившие способность к растворению; растительные остатки, измельченные до мельчайших размеров; ■ углистые частицы, лигнин и другие органические соединения. Содержание гумина обычно находят путем вычитания из общего углерода почвы количества углерода приходящегося на Гк + Фк. Такое разделение щелочной вытяжки из почвы на гуминовые и фульвокислоты и определение количества гумина по разности, является стандартным приемом при анализе состава гумуса. Однако надо иметь ввиду, что в этом случае содержание Гк и Фкполучается завышенным, поскольку вместе с гуминовыми кислотами в осадок выпадают и гиматомелановые кислоты, а в растворе, наряду с фульвокислотами, остаются неспецифические органические соединения. Для того чтобы отделить гуминовые кислоты от гиматомелановых кислот необходимо отфильтрованный (отцентрифугированный) сырой осадок обработать этиловым спиртом. В этом случае Гк остаются в осадке, а Гмк переходят в раствор. Отделение Фк от неспецифических органических соединений представляет собой еще более трудоемкую и длительную операцию. Поэтому при анализе состава гумуса почвы содержание гиматомелановых кислот и неспецифических органических соединений обычно не определяют. Фракционный состав характеризует распределение веществ, входящих в те или иные группы почвенного гумуса, по формам их связи с минеральными компонентами почвы. Первую детальную классификацию форм связи гумусовых веществ с минеральной частью почвы предложил И.В. Тюрин (1951). Она включает: 1) гумусовые вещества в свободном состоянии; 2) гумусовые вещества в форме гуматов сильных оснований; 3) гумусовые вещества в форме гуматов и смешанных гелей с гидроксидами алюминия и железа; 4) гумусовые вещества в форме комплексных соединений с минеральными компонентами; 5) гумусовые вещества, прочно связанные с глиной. В настоящее время, исходя из работ И.В. Тюрина (1951) и В.В. Пономаревой (1957), при анализе состава гумуса различают следующие фракции гумусовых веществ: свободные; связанные с подвижными полуторными оксидами; связанные с кальцием; связанные с глинистыми минералами и окристаллизованными формами полуторных оксидов. Следует иметь ввиду, что понятие «фракция» применительно к гумусовым веществам в значительной мере условно вследствие их гетерогенности (неоднородности). Например, с помощью электрофореза, гелевой хроматографии или других методов любую из выше перечисленных фракций Гк или Фк можно расчленить на ряд более гомогенных фракций, различающихся между собой по молекулярным массам, элементному составу и свойствам. Кроме того, разделение гумусовых веществ на фракции по формам связи их с минеральной частью почвы является во многом предположительным. По мнению некоторых исследователей (М.М.Кононова, 1967; Л.А. Александрова, 1980) используемый в обычных схемах анализа состава гумуса принцип фракционирования характеризует не столько формы, сколько прочность связи гумусовых веществ с минеральной частью почвы, которая нарушается при воздействии на почву кислот и щелочей, то есть при попеременной обработке почвы кислотой и щелочью экстрагируются все более прочно закрепленные на поверхности почвенных частиц фракции гумусовых кислот. Все современные методы анализа состава гумуса основаны на известной схеме И.В. Тюрина, последовательность операций которой представлена ниже. Схема анализа состава гумуса (по И.В.Тюрину, 1951 г.) Обработка 0,1- 0,5 н H2SO4 (1а фракция Фк) Обработка 0,1 н NaOH (1 фракция Гк и Фк) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||