Изучение физико-химических свойств почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

почва гумус перегной

Исключительно большое значение химия имеет в сельском хозяйстве, которое использует минеральные удобрения, средства защиты растений от вредителей, регуляторы роста растений, химические добавки и консерванты к нормам для животных и другие продукты. Виды и свойства минеральных удобрений разнообразны, а состав и действие на растения довольно сложны. Чтобы их правильно применять, необходимо знать содержание различных элементов в удобрениях, учитывать особенности питания растений и свойств почв, на которых выращивается та или иная культура. Вещественный состав почв слагают минеральные, органические и специфические органо-минеральные вещества - почвенный гумус (перегной). По содержанию гумуса почвы довольно сильно отличаются друг от друга. Почвенный покров Крыма отличается большим разнообразием: от солонцов до черноземов.

Тема моей работы - «Изучение физико-химических свойств почв ЧСП «Золотой колос».

Актуальность темы в том, что наш Ленинский район Крыма, является самым большим и аграрным районом, очень засушливым, ветренным. Поэтому проблема урожайности всегда волновала и волнует агрономов нашего района.

Цель: исследовать физико-химические характеристики почвы частного предприятия «Золотой Колос» и дать оценку состояния почвы.

Задачи:

Изучить и проанализировать литературу по данному вопросу.

Ознакомиться с методиками проведения исследований по физико-химическому составу почвы.

Провести определение физических свойств почвы: механический состав, структура, цвет, плотность, влажность, водопрочность, содержание гумуса.

Провести качественное определение некоторых химических элементов, содержащихся в почве.

Дать оценку полученным результатам.

Гипотеза исследования: Почва и ее плодородие не являются неисчерпаемыми, тем более, если истощать, неограниченно извлекать элементы питания, например, беспрерывно отчуждая зерно и не возвращая в почву дефицитных элементов, происходит постепенное ухудшение свойств почвы.

Объект исследования: почва частного предприятия «Золотой Колос».

Предмет исследования: физико-химические характеристики почвы.

Методы исследования: изучение литературы, эксперимент, обобщение, сравнительный анализ, описательный и расчётный методы.

Практическое значение работы: результаты работы можно будет использовать для проведения соответствующих агротехнических мероприятий по улучшению состояния почвы, для создания оптимальных условий выращивания различных культурных растений, получения высокого урожая.

Раздел 1. Обзор литературы

Почва является одним из природных компонентов, но существенно отличается от горных пород, воздуха, воды, растительности по составу, свойствам и динамическим характеристикам. Почва - это биокосное природное тело. Специфика почвы состоит в том, что она включает в себя часть всех других природных компонентов и является результатом их взаимодействия в течение длительного времени. Почва содержит обломки горных пород разного размера, пустоты, полости, капилляры почвы заполнены воздухом и водой. В то же время в почве обитают разнообразные живые организмы: корневые системы растений, микроорганизмы, беспочвенные и некоторые позвоночные животные.

Почвы формируются в течение сотен и тысяч лет. Почвенный профиль является своеобразным информационным банком, в котором содержатся сведения о временных изменениях природных условий среды. Говорят, что почва обладает самой длительной «памятью» по сравнению с другими природными компонентами, поскольку даже после изменения биоклиматических условий и типа растительности еще долго продолжает сохранять свои свойства. Эта особенность почвы позволяет нам судить о ландшафтах прошлого и их изменениях.

Вещественный состав почв слагают минеральные, органические и специфические органо-минеральные вещества - почвенный гумус (перегной). Формирование гумуса - сложный и длительный процесс. Слой гумуса толщиной в 1 см образуется за 300-400 лет. Сущность гумусообразования состоит в том, что растения отмирают, поступают в почву и под действием микроорганизмов разлагаются, преобразуются и обогащаются углеродом, азотом, калием, фосфором, кальцием и пр., превращаясь в гумус. Так рождается совершенно новое и специфическое вещество, способное обеспечивать растения питательными элементами, необходимыми для роста. Благодаря этому почва обеспечивает существование и воспроизводство жизни на Земле.

По содержанию гумуса почвы довольно сильно отличаются друг от друга. Почвы, содержащие от 1 до 4% гумуса, называют низкогумусными, а 6-10% и более - высокогумусными. Количество и качество гумуса, мощность гумусного горизонта определяют плодородие почв и их агрономическую ценность.

Наиболее плодородными почвами являются черноземы. Самые большие запасы черноземов в мире сосредоточены в Украине. Самые лучшие из них содержат 9-16% гумуса (тучные черноземы) и имеют мощность гумусового горизонта до 1,5м. [3]

1.1 Почвы Крыма

Почвенный покров Крыма отличается большим разнообразием. Это связано со специфическим проявлением горизонтальной и вертикальной зональности почв при сложном сочетании геологических, геоморфологических, гидрологических и климатических условий. Зональность в равнинном Крыму имеет обратный характер, что связано с общим повышением местности и изменением климатических условий в сторону юга.

К широким зонам на равнине относят степь сухую Северо-Крымскую, степь Южную Крымскую, степь Южную Керченскую.

Степь сухая Северо-Крымская. В ее состав входят Красноперекопский, Джанкойский, большая часть Раздольненского, северная часть Первомайского, присивашская часть Нижнегорского, Советского и Кировского районов.

Почвообразующими породами на большей части территории служат тяжелые желто-бурые лессовидные суглинки и легкие глины эолово-делювиального происхождения.

В южной, более повышенной части зоны преобладают темно-каштановые слабо- и среднесолонцеватые почвы, которые встречаются сплошными массивами и в виде комплексов с солонцами. Эти почвы, наиболее распространенные в зоне сухих степей, содержат в пахотном слое 2,1-2,2% гумуса. На плантажированных почвах количество гумуса в верхнем горизонте снижается до 1,6-1,8%. Гранулометрический состав преимущественно легкоглинистый крупнопылевато-иловатый. Реакция почвенного раствора в гумусовом горизонте нейтральная или слабощелочная, а в иллювиально-карбонатном - щелочная. По глубине залегания солевого горизонта темно-каштановые почвы в основном глубокозасоленные. Засоление носит сульфатно-кальциевый характер.

Степь Южная Крымская. В ее состав входят Красногвардейский, Черноморский, Сакский, южная часть Раздольненского, большая часть Первомайского, Нижнегорского, Советского, центральная часть Кировского и северная часть Симферопольского районов.

В степной зоне Крыма наибольшую площадь занимают черноземы южные и черноземы южные мицелярно-карбонатные, на севере они сменяются черноземами южными солонцеватыми.

Основу пахотного фонда составляют черноземы южные. Гумуса в пахотном слое - 2,3-2,9%. Реакция почвенного раствора нейтральная или слабощелочная. Гранулометрический состав южных черноземов легкоглинистый крупнопылевато-иловатый. Засоление отмечается с глубины 150-200 см и носит сульфатно-кальциевый характер.

Предгорная степь и лесостепь. В их состав входят хозяйства зоны г. Севастополя, Бахчисарайского, Симферопольского, Белогорского и южной части Кировского районов. Предгорная степь занимает большую часть Внешней гряды.

Структуру почвенного покрова предгорной степи определяют черноземы обыкновенные мицелярно-карбонатные предгорные.

Черноземы обыкновенные мицелярно-карбонатные предгорные содержат гумуса в пахотном слое 2,8-3,6%. Реакция почвенного раствора близка к нейтральной. Гранулометрический состав черноземов тяжелосуглинистый и легкоглинистый пылевато-илеватый.

Южнобережная зона занимает неширокую (2-10 км) приморскую полосу южного макросклона Главной гряды Крымских гор, вытянутую вдоль побережья Черного моря. В ее состав входят земли городов Ялты, Алушты, Судака и Феодосии. В почвенном покрове Южнобережья преобладают коричневые почвы ксерофитных лесов и кустарников. Коричневые распахиваемые почвы содержат гумуса от 1,8 до 3,7%, тогда как под лесом - до 6,0-9,5%. Реакция почвенного раствора слабокислая или нейтральная. В почвах на известняках становится слабощелочной.

Почвы речных долин. В речных долинах под влиянием поемно-аллювиальных процессов сформировались аллювиально-луговые, черноземно-луговые и лугово-черноземные почвы. В низовьях рек и балок, наряду с незасоленными, широко распространены луговые почвы различной степени засолённости и солонцеватости. Для почв долин и балочных понижений (сухоречий) в связи с особенностями почвообразования характерно высокое потенциальное плодородие. [4]

1.2 Почвы Ленинского района

Степь Южная Керченская занимает территорию Керченского полуострова (Ленинский и восточная часть Кировского района). Рельеф на большей части территории холмистый и холмисто-грядовый. Лишь на юго-западе - равнинно-широковолнистый со слабым уклоном в сторону моря. Почвенный покров Керченской степи очень пестрый. В северной, северо-восточной и восточной частях на лессовидных отложениях развиты черноземы южные и их слабо- и среднесолонцеватые разновидности; на вершинах и склонах грив, гребней, холмов формируются черноземы карбонатные щебенчатые, дерново-карбонатные на элювии-делювии известняков. Вдоль Азовского моря распространены комплексы темно-каштановых, лугово-каштановых почв и солонцов. В устьях балок залегают луговые солонцово-солончаковые комплексы. В юго-западной части на продуктах выветривания майкопских и сарматских глин распространены черноземы солонцеватые и тёмно-каштановые солонцеватые почвы в комплексе с солонцами.

Черноземы солонцеватые содержат гумуса в пахотном слое 2,0-3,2%. В дефлированных разновидностях количество его уменьшается до 1,7-2,1%. Реакция почвенного раствора щелочная. Гранулометрический состав большей частью средне- и тяжелоглинистый пылевато-иловатый. Засоление обычно отмечается с глубины 140-150 см, иногда 75-100 см и носит хлоридно-сульфатный кальциево-натриевый характер. Физические и водно-физические свойства черноземов солонцеватых и темно-каштановых почв на майкопских глинах менее благоприятные по сравнению с аналогичными почвами на лессовидных отложениях.

Основу пахотного фонда составляют черноземы южные на лессовидных отложениях и черноземы солонцеватые на майкопских глинах, в меньшей степени - темно-каштановые солонцеватые в комплексе с солонцами и черноземы карбонатные. [5]

1.3 Почвы с. Калиновка

Землепользование ЧСП «Золотой Колос» находится в северной части Керченского полуострова. Рельеф территории-волнистый, возвышенность образует узкие гряды и отдельные гребни.

Почвенный покров в пределах землепользования ЧСП «Золотой Колос» неоднороден. Согласно почвенным обследованиям здесь выделено 26 видов почв. Около 23% площади занято черноземом южным слабогумусированным мицеллярно-высококарбонатным, тяжелосуглинистым и легкоглинистым на лессовидных тяжелых суглинках и легких глинах. Широко распространены черноземы южные и карбонатные среднесолонцеватые разной степени эродированности-33%. Естественные кормовые угодья представлены темно-каштановыми и лугово-каштановыми средне- и слабосолонцеватыми, супесчаными почвами в комплексе с луговыми солонцами с залеганием солей в слое 70-100 см. Распространены солонцы луговые в комплексе с солончаками (соли 0-50 см). [6]

1.4 Физические показатели почвы

Влажность почвы влияет на цвет, структуру и другие ее физические свойства. В зависимости от количества воды, содержащейся в почве, в полевых условиях различают пять степеней влажности: сухая почва, слегка увлажненная, влажная, сырая и мокрая. По механическому составу почвы подразделяют на глинистые, супесчаные, песчаные, илистые и др. При определении плотности почвы в поле отмечают три ее состояния: очень плотная, среднеуплотненная и слабоуплотненная.

Под структурой почвы понимают способность ее распадаться на определенные частицы различной формы: пластинки, призмы, комки. Поэтому по структуре почвы подразделяются на комковатые, зернистые, ореховатые, плитчатые, призматические и др. По цвету (окраске) выделяют такие типы почв, как подзол, краснозем, желтозем, чернозем и т.п. Окраска почвы зависит еще от присутствия в ней гумуса, соединений железа, извести, каолина. Чем более почва богата гумусом, тем она плодороднее. [7]

На основе вышесказанного, можно выделить следующие физические показатели почвы:

влажность;

структура;

водопрочность структурных агрегатов;

плотность;

окраска.

1.5 Химические показатели почвы

Кислотность (рН) почвы - это один из важнейших показателей, характеризующий ее плодородие.

Кислотность почвенного раствора обусловливается наличием в нем положительно заряженных ионов (Н+), а щелочность - отрицательно заряженных гидроксильных ионов (ОН-). В чистой воде содержится одинаковое число гидроксильных и водородных ионов. С увеличением концентрации водородных ионов раствор становится кислым, при повышении концентрации гидроксильных ионов - щелочным. Концентрация водородных ионов в почвенном растворе незначительная. При сильнокислой реакции почвы она равна 0,0001 н.(рН-4,0).

Концентрацию водородных ионов выражают в виде отрицательных степеней от числа 10, например 10^-3, 10^-4 г-ион на 1 л. Для характеристики кислотности пользуются одним показателем степени, взяв его с обратным знаком. Он называется водородным показателем, или рН. Цифра при знаке рН показывает степень кислотности. Например, рН 4 означает, что в растворе находится 0,0001 г водородных ионов, при рН 7 концентрации водородных и гидроксильных ионов равны, при рН более 7 реакция среды щелочная.

Кислотность почв бывает двух форм: актуальная и потенциальная. Актуальная (или активная) кислотность обусловлена концентрацией ионов водорода только в почвенном растворе. Она непосредственно влияет на рост растений: чем больше ее величина, тем сильнее вредное влияние. Однако показатель актуальной кислотности не является вполне надежным ввиду изменчивости почвенного раствора.

В потенциальной (скрытой) различают обменную и гидролитическую кислотность.

Обменная кислотность характеризуется количеством поглощенных почвой ионов водорода и алюминия, способных к переходу в почвенный раствор при взаимодействии с нейтральными солями. Такая кислотность вытесняется из почвы нейтральными солями. Она оказывает вредное действие на растения. В величину обменной кислотности входит и актуальная кислотность.

Гидролитическая кислотность выявляется под действием щелочной соли. Она включает менее подвижную часть поглощенных ионов водорода, труднее обменивающихся на катионы почвенного раствора. При определении гидролитической кислотности охватываются все виды кислотности: актуальная, обменная и гидролитическая.

Определение гидролитической кислотности имеет значение при установлении доз извести и при выяснении эффективности действия фосфоритной муки (на черноземах). [8]

Реакция раствора (рН) оказывает огромное влияние на поступление в растение питательных веществ. Подкисление раствора, окружающего корни, приводит к увеличению поглощения анионов, а подщелочение, наоборот, стимулирует поглощение катионов. Это явление можно объяснить высокой подвижностью ионов Н+ и ОН-, причем вместе с первым возрастает подвижность анионов, а вместе со вторым - катионов.

Одной из причин угнетающего влияния кислотности на сельскохозяйственные культуры является затруднение с питанием растений кальцием, магнием и молибденом.

Кислая реакция почвы приводит к нарушению синтеза растениями белков и сложных сахаров. Большинство культурных растений лучше всего развиваются при слабокислой реакции почвы (рН около 6-6,5). Действительно, если в кислом интервале растения страдают от токсического влияния алюминия, марганца и недостатка молибдена, то уже в слабощелочном интервале они угнетены от недостатка железа, бора, марганца, цинка. В почвенных условиях рН оказывает существенное влияние не только на поведение алюминия, железа, бора, марганца, молибдена и других микроэлементов, но и на режим фосфатов и их доступность для растений.

Приемы борьбы с избыточной кислотностью почвы хорошо изучены в теоретическом отношении и основательно разработаны практически. Главным из них, несомненно, является известкование. В менее опасных интервалах ограничиваются применением щелочных и физиологически щелочных форм минеральных удобрений, а также нейтрализацией кислых и физиологически кислых удобрений. Длительное унаваживание почвы тоже сильно снижает почвенную кислотность.

Щелочные (солонцеватые и солонцы) почвы улучшают гипсованием, внесением отхода сахарного производства - дефекационной грязи, богатой известью хлорида кальция и др. В кислых почвах необходимо заменить водородные ионы ионами кальция, а в щелочных вытеснить кальцием катионы натрия. [9]

2. Гумус, его содержание

Одним из условий плодородия почв является обеспеченность их азотом. Основная часть его в почвах находится в составе органических соединений гумуса, которые недоступны для непосредственного использования сельскохозяйственными культурами. Постепенная минерализация органического вещества почвы дает постоянный приток в почвенный раствор минеральных соединений азота в виде ионов NO₃- и NH₄+, которые усваивают корни растений.

Еще на заре развития земледелия человек связывал плодородие почвы с содержанием в нем перегноя. Поэтому очень рано возник интерес к изучению гумуса: попытки объяснить его происхождение и выяснить состав.

В первом научном руководстве по агрономической химии автор его И. Валлериус (1766) высказывает предположение об образовании гумуса при разложении растений и указывает на некоторые его свойства: способность впитывать воду (гидрофильность), поглощать питательные вещества, служить пищей растений. М.В. Ломоносов в 1763г. в труде «Первые основания металлургии или рудных дел» отмечает, что высокогумусные почвы происходят «от согнития животных и растущих тел со временем».

В начале XIX столетия была разработана теория гумусового питания растений. Автор ее Тэер (1809) пришел к убеждению, что плодородие почвы в значительной мере зависит от накопления в ней перегноя, который является, по его мнению, единственным и непосредственным источником питания растений. Сторонники этой теории пытались искусственно получить гумус путем обработки растительных остатков кислотами и щелочными растворами. Отсутствие знаний о почвенных микроорганизмах и их участии в превращении органических веществ почвы было причиной того, что гумусообразование рассматривалось как чисто химический процесс. [ 10 ]

Перегной является для растений источником питательных веществ (в первую очередь азота), переходящих в процессе разложения в усвояемые формы, а также была установлена роль перегноя в создании структуры почвы, обеспечивающей в ней наиболее благоприятные воздушный и водный режимы. В этот же период русские ученые В.В. Докучаев и П.А. Костычев разработали учение о почве как о природном теле, образующемся в результате совокупной деятельности природных факторов, среди которых исключительная роль принадлежит растительному покрову, деятельности микроорганизмов и других живых существ. Согласно этому представлению перегной рассматривается как важнейшая часть почвы, имеющая огромное значение в почвообразовательных процессах и в почвенном плодородии. Наличие его в почве является тем качественным признаком, который отличает почву от мертвой материнской породы. [11]

Советские ученые-почвоведы И.В. Тюрин и М.М. Кононова значительную часть своих трудов посвятили исследованию почвенного гумуса и созданию современной теории гумусообразования. Гумусовые вещества - это высокомолекулярные азотсодержащие соединения специфической природы. Их подразделяют по составу и свойствам на гуминовые кислоты и фульвокислоты. Кроме того, выделяют еще гумины.

Элементарный состав гуминовых кислот: углерод (52-62%), кислород (31-39%), водород (2,8-6,6%) и азот (3-3,5%). По современным представлениям гуминовые кислоты относятся к сложным высокомолекулярным соединениям, имеющим ароматическую природу. Основная структурная единица их - это циклически полимеризованный углерод с боковыми цепями, имеющими функциональные группы (гидроксильные, карбоксильные, метоксильные и др.). Карбоксильные группы в гуминовой кислоте определяют ее кислотные свойства и обусловливают участие в процессах обменного поглощения катионов. Водород карбоксильных групп способен замещаться на катионы с образованием солей, получивших название гуматов. Реакция происходит по следующей схеме:

RCOOH+NaHCO₃ RCOONa+H₂O+CO₂

Гуминовая кислота гумат натрия

2RCOOH+CaCO₃ (RCOO)₂Ca+H₂O+CO₂

Гуминовая кислота гумат кальция

Гуматы однозарядных катионов (К⁺, Na⁺, NH₄⁺) растворимы в воде, а двухзарядных ионов (Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺) нерастворимы в воде. Постоянным и наиболее подвижным компонентом гуминовой кислоты является азот, он входит в состав пептидов и аминокислот.

Необходимо также отметить, что к специфическим гумусовым веществам относятся фульвокислоты. Это высокомолекулярные оксикарбоновые кислоты, содержащие азот. От гуминовых кислот они отличаются более светлой окраской, растворимостью в воде и в минеральных кислотах и более значительной способностью к кислотному гидролизу. Элементарный состав фульвокислот следующий: углерода 45-48%, водорода 5-6%, килорода 43-48,5%, азота 1,5-3%. Гумины почвенного гумуса по своей природе близки к гуминовым кислотам, но более прочно связаны с минеральной частью почвы. Различные типы почв отличаются не только содержанием гумуса, но и его составом. В гумусе дерново-подзолистых почв больше фульвокислот, чем гуминовых кислот. А в гумусе черноземов, наоборот, больше гуминовых кислот.

Несмотря на сравнительно небольшое количество органического вещества в почве, оно играет важную роль в создании почвенного плодородия и питании растений. Основная масса азота в почве (до 90%) находится в различных гумусовых веществах и постепенно высвобождается в результате их медленного разложения. Особенно интенсивно гумус разлагается на чистых парах, где может накапливаться за летний период 60-120 кг нитратов на 1 га. [12]

Содержание азота.

Азот - основа жизни на Земле. С точки зрения науки агрохимии азот является основным элементом питания растений. Рожь и пшеница, свекла и морковь, лен и хлопок дают высокие урожаи только в том случае, если с первых дней в течение всей жизни растения получают достаточно азота. Поэтому эту проблему в сельском хозяйстве считают важной, интересной и актуальной.

Основатель отечественной агрохимии Д.Н. Прянишников писал: «Вся история земледелия в Западной Европе свидетельствует о том, что главным условием, определяющим среднюю высоту урожая в различные эпохи, была степень обеспеченности сельскохозяйственных культур азотом». [13]

Основные запасы азота в почвах находятся в органических соединениях гумуса. Лишь небольшая часть его содержится в виде свободных ионов аммония (NH₄⁺) и нитратов (NO₃^-), а также в форме аммония и аммиака, поглощенных глинными минералами и органическими веществами.

Фиксированный аммоний. Глинные минералы почв - каолинит, монтмориллонит легко поглощают катионы, переводя их в труднодоступное растениям состояние. Поэтому при внесении в почву азотных удобрений часть ионов аммония неспособна к реакции обмена с другими катионами. Количество необменно поглощенного почвой аммония зависит от количества и свойств входящих в состав почвы глинных минералов. В некоторых случаях содержание необменно поглощенного аммония составляет 3-8% от общего количества азота; в других случаях, особенно в глубине почвы, достигает даже 50%. Необменно поглощенный аммоний не имеет сельскохозяйственного значения, так как его не могут использовать растения.

Поглощенный аммиак. Аммиак NH₃ поглощается почвой и реагирует с органическими соединениями, которые в ней находятся. Этот аммиак может быть впоследствии использован растениями, так как большая его часть (75%) способна к реакции обмена - вытесняется растворами солей (KCl, CaCl₂ и др.).

Свойство почвы аккумулировать аммиак имеет большое сельскохозяйственное значение. Она может поглощать аммиак, находящийся в воздухе или выделяющийся при химических и биохимических реакциях. На этом свойстве почвы основано применение жидких азотных удобрений (водный аммиак).

Особенно высокой способностью поглощать аммиак обладают торфяные почвы. Это используют при приготовлении торфо-минеральных удобрений. Торф насыщают водным аммиаком, и он обогащается азотом, который хорошо усваивается растениями.

Азот, доступный растениям. Большая часть азота в почве находится в составе гумусовых соединений, которые трудно поддаются процессам разложения и распада. Только некоторые из гумусовых веществ разлагаются ежегодно с образованием минеральных форм азота, которые поглощаются растениями (NH₄⁺, NO₃^-).

Значительно меньшую часть органического вещества почвы составляют растительные остатки прошлогоднего урожая и внесенные органические удобрения. Однако эта фракция очень важна, так как она быстро разлагается почвенными микроорганизмами с образованием аммония и нитратов и идет на питание растений. [14]

Нитрификация - это процесс превращения восстановленных соединений азота почвы в окисленные в результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий.

Впервые этот процесс был изучен русским ученым С.Н. Виноградским.

Нитрификация протекает в две стадии:

2NH₃+3O₂=2HNO₂+2H₂O

Бактерии Nitrosomonas окисляют аммиак, а затем

2HNO₂+O₂=2HNO₃

азотистую кислоту окисляют бактерии Nitrobacter. Образовавшаяся азотная кислота нейтрализуется гидрокарбонатом кальция или магния или поглощенными основаниями почвы:

2HNO₃+Ca(HCO₃)₂=Ca(NO₃)₂+2H₂CO₃

При благоприятных условиях влажности, температуре 25-32^о С и близкой к нейтральной реакции почвы (рН от 6,2 до 8,2) процесс нитрификации протекает интенсивно и основная масса аммиачного азота быстро окисляется до нитратов.

В дерново-подзолистых почвах органическое вещество разлагается интенсивнее, чем на черноземах. Поэтому в дерново-подзолистых почвах не накапливаются органические вещества и содержание гумуса в них низкое. В черноземных почвах органическое вещество минерализуется медленно, поэтому оно накапливается в них.

На скорость окисления аммиака до нитратов влияет обработка почвы, известкование, внесение удобрений.

В результате минерализации органических веществ растения получают азот в доступной для них форме.

Растения очень хорошо используют нитраты, которые образуются в почве при нитрификации. На паровом поле нитраты накапливаются в течение всего вегетационного периода.

Но нитраты хорошо растворимы в воде и могут вымываться атмосферными осадками из почвы в грунтовые воды. Кроме того, возможна потеря нитратов из почвы в результате процесса денитрификации. Развитию денитрификации благоприятствует переувлажнение грунта. Но денитрификация может протекать и в нормально аэрированных почвах внутри почвенных микроагрегатов.

Восстановление нитратов до газообразного азота происходит через промежуточные стадии путем образования азотистой кислоты и нитрозила. Весь процесс может быть выражен следующей схемой:

NO₃^- HNO₂ (HNO)₂ N₂O N₂

Нитрат Нитрит Гипонитрит Оксид Азот

азота

Для сельского хозяйства процесс денитрификации вреден, так как приводит к потере азота удобрений, вносимых в почву. Установлено, что растения потребляют 60-70% азота удобрений. Остальная часть азотных удобрений закрепляется в почве, вымывается, теряется в результате денитрификации.

Молекулярный азот и оксид азота N₂O являются основными газообразными продуктами биологической денитрификации, за счет которых происходят потери азота.

Перед сельскохозяйственной наукой и тружениками полей стоит задача - путем правильной обработки почвы и внесения удобрений создать в почве самые благоприятные условия для обеспечения сельскохозяйственных растений минеральным азотом. [15]

е) Определение количества минеральных удобрений.

В минеральных удобрениях азот может находиться в различной форме: в виде аммиака NH₃, ионов аммония NH₄⁺ и нитрат-ионов NO₃^-, в составе аминогруппы NH₂ и цианамидной группы CN₂, также одновременно в аммонийной и нитратной группах.

Нитриты (соли, содержащие группу NO₂^-) не применяют в качестве удобрений вследствие их быстрого разложения в почве. Этот процесс связан со значительными потерями азота в виде его газообразных оксидов. Особенно велики потери азота при внесении его в кислые почвы.

Промышленность минеральных удобрений производит твердые удобрения в виде кристаллов солей и гранул, жидкие - в виде жидкого аммиака, водного аммиака (аммиачной воды) и аммиакатов-растворов некоторых азотных удобрений в аммиачной воде.

Все соли аммония (включая аммиачную селитру) относятся к физиологически кислым удобрениям. Это объясняется тем, что из удобрения, внесенного в почву, корни растений, поглощают катионы аммония быстрее, чем анионы. Оставшиеся в почве ионы подкисляют почвенный раствор. Это характерно для сульфата и хлорида аммония.

Кальциевая и натриевая селитры и цианамид кальция являются физиологически щелочными удобрениями, ввиду того что растения более активно поглощают анионы, соответствующих солей.

Вследствие того что азот в удобрениях содержится в разном процентном отношении в зависимости от вида удобрения, в агрохимии и сельскохозяйственном производстве употребляют термин «действующее вещество». Под действующим веществом понимают содержание азота (N) в удобрении. Например:

Аммиачная селитра содержит 34% азота, значит, каждый центнер аммиачной селитры (100 кг) содержит 34 кг действующего вещества (N).

На гектар посевов пшеницы нужно внести 60 кг азота (в действующем веществе). Это значит, что на 1 га поля нужно внести 1,8 ц аммиачной селитры.

Другим термином, часто употребляемым в сельскохозяйственной практике, является «физический вес» (масса) удобрения. Под этим понимают действительную массу удобрения, включая действующее вещество и сопутствующие вещества. [16]

3. Методы определения содержания азота в почве

Почвенное плодородие конкретных полей и участков колхозов и совхозов необходимо знать для того, чтобы правильно рассчитать, сколько удобрений нужно внести в почву для получения высокого урожая.

Ученые-агрохимики разработали различные методы анализа почвы. Этими анализами можно определить, сколько азота содержится в почве, сколько азота находится в форме органического вещества - гумуса, а также обнаружить содержание минерального азота - аммиачного и нитратного. Кроме того, можно узнать способность почвы к минерализации органического вещества - ее нитрифицирующую способность.

Определение общего азота в почве по Кьельдалю. Метод Кьельдаля основан на сжигании органической части почвы концентрированной серной кислотой. По методу Кьельдаля обнаруживают весь азот, находящийся в почве (общий азот). Озоление почвы серной кислотой проводят в колбах Кьельдаля при нагревании. При кипении серная кислота (330^оС) действует как окислитель - углерод органического вещества окисляется до оксида углерода (IV), водород - до воды, а сама серная кислота переходит в оксид SO₂, который и восстанавливает азот до аммиака. Аммиак, соединяясь с серной кислотой, переходит в сульфат аммония. Схематически это можно представить уравнением:

CH₃NH₂COOH+3H₂SO₄=2CO₂+3SO₂+4H₂O+NH₃,

2NH₃+H₂SO₄=(NH₄)₂SO₄

Затем аммиак отгоняют на специальном приборе. Для этого в колбу Кьельдаля с сожженной пробой почвы добавляют дистиллированную воду, приливают щелочь (NaOH) и устанавливают колбу в отгонный аппарат.

При взаимодействии едкого натра с сульфатом аммония выделяется аммиак, который через газоотводную трубку, проходящую внутри холодильника, поступает в приемную колбу с титрованной серной кислотой:

(NH₄)₂SO₄+2NaOH=Nа₂SO₄+2NH₃+2H₂O,

2NH₃+H₂SO₄=(NH₄)₂SO₄

Аммиак связывает часть кислоты. Оставшуюся серную кислоту оттитровывают и по разнице между налитым и оставшимся количеством определяют, сколько ее пошло на реакцию с аммиаком. В результате анализа находят общее содержание азота в почве, которое характеризует почву в целом. Эти данные не показывают, сколько в ней содержится азота, доступного растениям.

3.1 Определение нитратов в почве

Наличие нитратов в почве указывает на то, что растения получают азотное питание. Но эти соли очень подвижны, содержание их в почве постоянно меняется. Они хорошо растворяются в воде, поэтому легко вымываются осадками и хорошо поглощаются различными культурами.

Ранней весной, когда растения еще не начинают свое развитие, и осенью, когда растения заканчивают вегетацию, происходит накопление нитратов в почве. Для их определения пробы отбирают именно в эти периоды. На основании полученных данных делают вывод о том, насколько почва может обеспечить растения азотом. Анализ нитратов проводят в водной вытяжке или в вытяжке 1 н. раствора хлорида калия. После фильтрования водной суспензии нитраты в фильтрате определяют колориметрически с дисульфофеноловой кислотой. При этом учитывают интенсивность желтой окраски, образующейся в процессе взаимодействия нитратов с дисульфофеноловой кислотой, и последующей обработки прореагировавшей смеси щелочью. Все протекающие реакции могут быть представлены следующими уравнениями:

C₆H₃OH(HSO₃)₂+3HNO₃=C₆H₂OH(NO₂)₃+2H₂SO₄+H₂O

Дисульфофеноловая Тринитрофенол

кислота

C₆H₂OH(NO₂)₃+NаOH=C₆H₂(NO₂)₃ONa+H₂O

Тринитрофенол Нитропродукт (желтого цвета)

Обычно перед посевом определяют содержание нитратного азота в почве. Если его мало (1-2 мг на 1 кг почвы), то нужно обязательно вносить азотные удобрения. Если весной в почве содержится 10 мг нитратного азота на 1 кг почвы, то такой запас азота может обеспечить лишь урожай пшеницы в 10 ц с 1 га. Для получения более высокого урожая необходимо внести в почву дополнительно азотные удобрения.

В весенний период почвы могут содержать до 30 мг нитратного азота на 1 кг почвы, в данном случае без удобрений можно получить урожай пшеницы в 30 ц с 1 га.

Летом, прежде чем проводить подкормку посевов азотными удобрениями, очень полезно сделать анализ почв на содержание нитратов. Если анализ покажет, что в почве имеются нитраты в достаточном количестве, тогда подкормку можно не проводить.

3.2 Определение аммиачного азота в почве

Аммоний может присутствовать как в почвенном растворе, так и в самой почве. Чтобы полностью извлечь из почвы аммоний, ее обрабатывают 1 н. раствором хлорида калия. Поглощенный аммоний вытесняется из почвенного поглощающего комплекса (ППК) в обмен на ион К⁺:

Ca Ca

NH₄ K

(ППК) + 2KCl = (ППК) +2NH₄Cl

NH₄ K

Mg Mg

Находящийся в почвенном растворе ион аммония также поступает в вытяжку. После фильтрования суспензии содержание аммония определяют колориметрически феноловым методом, который основан на том, что при взаимодействии аммония, фенола и гипохлорита образуется индофенол, имеющий голубую окраску. Интенсивность окраски пропорциональна концентрации ионов аммония в растворе.

3.3 Определение гумуса в почве по И.В. Тюрину

Метод основан на окислении углерода гумуса почвы избытком дихромата калия:

3C+2K₂Cr₂O₇+8H₂SO₄=2Cr₂(SO₄)₃+2K₂SO₄+8H₂O+3CO₂

Окисление происходит в сильно кислой среде и сопровождается восстановлением шестивалентного хрома в трехвалентный. Избыток дихромата в растворе после окисления перегноя титруют раствором соли Мора:

K₂Cr₂O₇+7H₂SO₄+6FeSO₄=Cr₂(SO₄)₃+K₂SO₄+7H₂O+3Fe₂(SO₄)₃

По разности содержания дихромата до и после окисления находят количество органического углерода в почве.

3.4 Определение нитрифицирующей способности почв

Для определения нитрифицирующей способности почв ее компостируют в течение 12 дней, а затем определяют количество накопившихся в ней нитратов. Компостирование проводят так: 100г почвы, взятой в качестве пробы, увлажняют водой, затем наполняют ею стаканы и выдерживают в хорошо вентилируемом термостате при 25-28^о С в течение 12 дней. В почве до термостатирования и после него определяют содержание нитратного азота. По количеству накопившихся за 12 дней нитратов судят о нитрифицирующей способности почвы. [17]

3.5 Азотные удобрения и качество продукции

Удобрения не только повышают урожай сельскохозяйственных культур, но и влияют на качество получаемой продукции. При правильном применении удобрений качество урожая улучшается. Ученым потребовалось провести много опытов с растениями, чтобы выяснить закономерность поглощения отдельных элементов питания и установить влияние удобрений на качество выращиваемой продукции. На основании исследований для каждой сельскохозяйственной культуры определены рациональные дозы, сроки и способы внесения удобрений. Применение этих рекомендаций дает возможность земледельцам получать высокие и хорошие урожаи.

Труженики сельского хозяйства собирают большие количества зерна, но реальная ценность его характеризуется не только этим. Зерно идет на приготовление пищевых продуктов и от его качества, прежде всего от содержания в нем белков, зависят все достоинства хлебных изделий.

Решающее значение в формировании технологических свойств зерна имеет обеспеченность озимой пшеницы азотными удобрениями, которые растения используют для синтеза аминокислот и белка. Внесение удобрений не только значительно повышает урожай зерна озимой пшеницы, но и увеличивает содержание в нем белка в среднем на 1-2% и клейковины на 5-12%.

В одном из многочисленных опытов, проведенном на Украине, различные формы азотных удобрений так влияли на изменение содержания клейковины в зерне: при выращивании озимой пшеницы без удобрений - содержание клейковины составило 18,8%, при внесении сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ - 23,8%, аммиачной селитры NH₄NO₃ - 25,3%, нитратной селитры NaNO₃ - 26,4%.

Хлебопекарные свойства зерна зависят от количества белков, их процентного соотношения, пространственного строения молекул и прочности межмолекулярных сил связи между ними. [ 18 ]

Обеспеченность растений пищей и водой во многом зависит от свойств почвы. Обычно в почвах содержится питательных веществ в сотни, а иногда даже в тысячи раз больше, чем требуется растениям для высокого урожая. Тем не менее внесение даже сравнительно небольших доз удобрений резко повышает сбор растительной продукции. Объясняется это тем, что только очень небольшая часть содержащихся в почве питательных веществ находится в доступной для сельскохозяйственных культур форме. Лишь постепенно, под влиянием различных химических процессов и жизнедеятельности самих растений и микроорганизмов часть общего запаса питательных веществ переходит в доступную культурам форму.

Корни поглощают питательные вещества из почвы в виде слабых растворов. Повышенное содержание в почвенном растворе минеральных солей отрицательно влияет на растения. При этом, чем моложе растения, тем хуже они переносят высокое содержание минеральных солей в почвенном растворе. Это важно учитывать при использовании удобрений, особенно когда их вносят локально - в рядки с семенами, в борозду или в лунки. При местном внесении, особенно на песчаных почвах, следует применять лишь небольшие дозы удобрений; чтобы не создавать излишней концентрации и избежать вымывания солей. Питательные элементы удобрений, за исключением азота селитры, хорошо поглощаются почвами. Благодаря поглотительной способности почвы растворимые вещества не вымываются дождями, а задерживаются и сохраняются в ней. Поглощение почвой приводит к тому, что питательные вещества не накапливаются в растворе в избыточных количествах, это благоприятствует питанию растений. Поглощенные почвой ионы из солей переходят снова в почвенный раствор лишь постепенно, по мере потребления из него растениями питательных веществ. Корни активно воздействуют на коллоиды, находящиеся в почве. Поэтому и происходит переход поглощенных почвой веществ обратно в раствор. [19]

Еще в конце прошлого века было подмечено, что недостаток питательных веществ в почве заставляет растение создавать в поисках пищи относительно большую массу корней, чем в случае хорошей обеспеченности культуры всеми факторами роста. Действительно, при выращивании культур на нормальных питательных растворах, например в гидропонике, их корневая система развита слабее, чем в полевых условиях, а листья, наоборот, сильнее. В вегетационных опытах (почвенные культуры) масса корней может быть вдвое ниже, чем без удобрения. Из этих фактов следует, что удобренные растения расходуют меньше пластических веществ на построение корневой системы и больше на создание ассимилирующей поверхности, а затем и товарной массы урожая, чем лишенные удобрений. Но с другой стороны, абсолютная масса корней и глубина их распространения в почве усиливаются благодаря внесению удобрений. [20]

4. Практическая часть

4.1 Отбор почвенных образцов к химическому анализу

Работа в поле включала две основные операции: разбивка поля на элементарные участки и отбор смешанных почвенных образцов с элементарных участков. Работали на трех полях: I поле - 25 га, II поле - 60 га, III поле - 27 га. Так как удобрения применялись в небольших дозах и растения были уже убраны с полей, поэтому площадь элементарных участков была до 10 га. I поле разбили на два элементарных участка, II поле - на шесть, III поле - на два. В работе помогали ученики. Отбор проб осуществляли лопатой. На каждом элементарном участке брали до 10 индивидуальных проб почв, получая один смешанный почвенный образец. Уменьшали его с помощью квартования до 300 г.

Подготовка образцов к анализу.

Почвенные образцы сушили в хорошо проветриваемом месте в тени несколько дней, просеяли на крупном сите. Небольшие партии образцов почвы растирали вручную пестиком в фарфоровой ступке. После размола почву просеяли через сито диаметром 2 мм.

Знакомство с физическими свойствами почв.

Были определены такие физические показатели почвы: влажность (1), структура (2) , водопрочная структура агрегатов (3), плотность почвы (4) и ее цвет (5).

Образцы почв пылили, не холодили руку, присутствие влаги в ней на ощупь не ощущается.

Образцы почв подбрасывали, получили комки (некоторые довольно крупные структурные единицы).

Несколько структурных единиц поместили в стакан с водой, при легком взбалтывании они сохраняют свою форму, т.е. водопрочные.

Лопата при большом усилии входит на глубину 2-3 см и почва с трудом разламывается руками.

Цвет почвы определяли при высоком стоянии солнца.

Выводы обобщили в таблице 1.

Таблица 1. Физические свойства почв.

Физические свойства почв	I поле	II поле	III поле
1) влажность 2) структура 3) водопрочность структурных агрегатов 4) плотность 5) цвет	сухая комковатая водопрочная среднеуплотненная серый	сухая комковатая водопрочная среднеуплотненная серый	сухая комковатая водопрочная среднеуплотненная серый

4.2 Качественное определение химических элементов почвы

Так как избыточное количество хорошо растворимых солей (карбонат натрия Na₂CO₃, хлориды NaCl, MgCl₂ и сульфат натрия Na₂SO₄) создают повышенную концентрацию ионов в почве, и это снижает ее плодородие, мы качественно определили их наличие.

а) Качественное определение CO₃^2-. Небольшое количество почвы поместили в фарфоровую чашку и прилили немного 10% соляной кислоты. Оксид углерода выделяется в виде пузырьков (почва «шипит» - карбонатов много).

Затем приготовили водную вытяжку почвы. Взяли 25г почвы, перенесли в колбу емкостью 200 мл и прилили 50 мл дистиллированной воды. Содержимое колбы тщательно взболтали и дали отстояться в течение 5-10 мин., а затем отфильтровали. Школьное оборудование позволяет использовать только учебные весы.

б) Качественное определение хлорид-иона. В пробирку отлили 5 мл фильтрата, добавили 10% азотной кислоты и по каплям прибавили 1% раствор нитрата серебра. Хлорид серебра выпадает в виде белого хлопьевидного осадка, что указывает на присутствие хлоридов в качестве десятых долей процента.

в) Качественное определение сульфат-ионов. В пробирку налили 5 мл фильтрата, добавили концентрированной соляной кислоты, и 2-3-мл 20% раствора хлорида бария. При наличии сульфатов происходит реакция, и сульфат бария выпадает в виде белого мелкокристаллического осадка. Помутнение раствора указывает на содержание сульфатов до нескольких десятых процента.

г) Качественное определение нитрат-иона. В пробирку налили 5 мл фильтрата водной вытяжки почвы и по каплям прибавили раствор дифениламина в серной кислоте (0,1г дифениламина в 10 мл серной кислоты). Растворы окрасились в синий цвет.

д) Качественное определение кальций-иона. К 10 мл фильтрата водной вытяжки почвы добавили 10% соляной кислоты и прилили 5 мл 4% раствора оксалата аммония. Наблюдается помутнение раствора, что свидетельствует о наличии сотых процентов ионов кальция.

е) Качественное определение оксидов железа (II) и (III). В две пробирки поместили по 3 мл отфильтрованной солянокислой вытяжки, которую готовили из почвы, оставшейся после фильтрования водной вытяжки, добавив 50 мл 10% соляной кислоты и взболтав содержимое в течение 30 мин., а затем отстояв 5 мин.

В первую пробирку прилили красной кровяной соли, появилось синеватое окрашивание (образование турнбулевой сини), которое указывает на присутствие оксида железа (II).

Во вторую пробирку добавили 10% раствора роданида калия. Раствор приобретает красноватый цвет. [ 21 ]

Исходя из вышеизложенных данных составили таблицу 2.

Таблица 2. Качественный состав почвы.

Содержание ионов	I поле	II поле	III поле
1. карбонат-ион 2. хлорид-ион 3. сульфат-ион 4. нитрат-ион 5. кальций-ион 6. оксид железа (II) 7. оксид железа (III)	значительное до 0,1% до 0,1% присутствует до 0,1% присутствует присутствует	значительное до 0,1% до 0,1% присутствует до 0,1% присутствует присутствует	значительное до 0,1% до 0,1% присутствует до 0,1% присутствует присутствует

Вывод: количество хорошо растворимых солей избыточное, что снижает плодородие почвы.

Определение кислотности почвы и нитратного азота.

Для определения кислотности почвы готовили солевую вытяжку.

Пробу массой 40г поместили в коническую колбу вместимостью 200 см³. К пробе добавили 100 см³ 1М раствора хлористого калия (ч.д.а.) и перемешивали почву с раствором в течение 1 мин., настаивали в течение суток и отфильтровывали. В полученном фильтрате определяли рН на универсальном ионометре ЭВ-74 со стеклянными электродами ЭСЛ - 43 - 07, ЭСЛ - 63 - 07.

Настройку рН-метра проводили по буферным растворам с рН 4,01; 6,86 и 9,18.

Для определения нитратного азота пробу почвы массой 20г помещали в колбы вместимостью 100 см³, добавляли 50 см³ 0,05% раствора сернокислого калия и перемешивали в течение 3 мин. Измерение активности иона нитрата проводили на универсальном ионометре ЭВ - 74 с мембарнными электродами ЭМ - NO₃ - 01. [22]

Содержание нитратного азота (N-NO₃) в почве (в мг/кг) нашли по формуле:

N=10^-pNO3 *14* * 10³,

где 14 - атомная масса азота, г,

V - объем экстрагирующего раствора см³,

m - масса пробы почвы, г,

pNO₃ - отрицательный логарифм концентрации нитрат-ионов. [23]

Результаты в таблице 3.

Таблица 3. Значение кислотности почв и нитратного азота

№ поля	№ эл. участка	рН	N
I поле 25 га	1 2	6,2 6,4	9,2 9,4
	среднее	6,3	9,3
II поле 60 га	1 2 3 4 5 6	6,2 6,4 6,5 6,2 6,7 6,6	5,9 5,8 6,0 5,5 5.5 5,5
	среднее	6,4	5,7
III поле 27 га	1 2	6,5 6,9	35,9 38,2
	среднее	6,7	37.05

4.3 Определение гумуса в почве

Определение гумуса в почве вели по методике описанной в [24]

Приготовили хромовую смесь, растворив 20г бихромата калия K₂Cr₂O₇ в воде объемом 400 мл. Объем полученного раствора довели до 500 мл. В фарфоровом стакане смешали равные объемы раствора бихромата калия и концентрированной серной кислоты.

Образцовую шкалу приготовили из сахарозы массой 237,7 мг, доведя объем раствора до 100 мл. В 1 мл такого раствора содержится 1 мг углерода.

В двенадцать пробирок одинакового размера прилили раствор сахара в соответствии с таблицей 4.

Таблица 4. Образцовая шкала при определении гумуса в почве

№ пробирки	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Раствор сахара, мл	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0
Масса углерода, мг	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0

Пробирки с раствором сахара помещают в водяную баню и выпаривают досуха. Затем в каждую пробирку приливают 10 мл раствора хромовой смеси. Пробирки прикрывают стеклянными воронками и помещают в песочную баню, нагревают в течение 10 мин. при температуре песка 140^оС. Пробирки охлаждают и закрывают пробками. Образцовая шкала готова. Масса почвы для анализа зависит от содержания перегноя в ней. О содержании перегноя в почве можно приблизительно судить по ее внешнему виду (таблица 5).

Таблица 5. Определение содержания гумуса в почве по ее окраске

Окраска почвы	Содержание перегноя, %	Масса навески почвы для анализа на гумус, мг
Очень черная Черная Темно-серая Серая Светло-серая Белесая	10-15 7-10 4-6 2-4 1-2 0,5-1	50 100 200 300 400 500

Исходя из таблицы 5 и цвета почвы для анализа взяли 400 мг почвы. Перенесли в пробирку, налили 10 мл хромовой смеси. Пробирку накрыли стеклянной воронкой и выдерживали в течение 20 мин. В песочной бане при температуре более 140^оС. После охлаждения содержимое пробирок сравнили окраской растворов образцовой шкалы. Расчет гумуса вели по формуле: