Оценка экологического состояния почвы по кислотности

Цель работы: провести отбор проб почвы на различных земельных участках г. Тольятти и Самарской области; определить pH водной вытяжки почвы и сделать вывод об актуальной кислотности почв; приготовить солевую вытяжку из почвы, определить ее pH и сделать вывод о потенциальной кислотности почв; привить навыки работы на pH-метре; закрепить знания о видах кислотности и щелочности почв, путях их возникновения и способах устранения.

Материалы и оборудование: весы аналитические, весы технические, рН-метр, взбалтыватель, конические колбы вместимостью 250 см3 (2 шт.), мерный цилиндр вместимостью 100 см³ (2 шт.), образцы почв, фильтровальная бумага, химический стакан вместимостью 50 см³ (2 шт.), стандарт-титры 4,01; 6,86; 9,81, раствор KOH (100 г/дм³), раствор HCl (10%), раствор KCl (1 н.).

Краткая теория

Кислотность почвы – важный экологический фактор, определяющий условия жизнедеятельности почвенных организмов и высших растений, а также подвижность загрянителей в почве (в первую оче­редь металлов).

На рост растений оказывает значительное влияние реакция почвенного раствора (pH), связанная с содержанием в почве кислот или щелочей, которая сильно зависит от состава ионов, входящих в почвенный поглощающий комплекс (ППК). Диапазон кислотно-основных условий почвенного покрова ши­рок. Выделено множество классов почв от сильнокислых (pH 3...4) до сильнощелочных (pH 8...9). Бо­лее 50 % почв России отличается повышенной кислотностью. Кислая реакция в некоторых случаях встречается в подзолистых, серых лесных почвах, красноземах, желтоземах, торфяно-болотных почвах. Щелочная реакция обычна для почв сухих степей, полупустынь и пустынь (каштановые, солонцеватые, сероземы, серо-бурые). Нейтральная и щелочная реакции характерны для черноземов, почв на извест­няках.

Почвенный раствор – раствор химических веществ в воде, который находится в квазиравновесии с твердыми и газообразной фазами почвы (рис. 1).

Почвенный раствор можно рассматривать как гомогенную жидкую фазу, имеющую переменный состав. На формирование состава почвенного раствора влияют атмосферные осадки, состав грунтовых вод, водный режим почв, климат, растительность. Состав почвенного раствора зависит от его взаимодействия с твердыми фазами в результате процессов осаждения-растворения, сорбции-десорбции, ион­ного обмена, комплексообразования, растворения газов почвенного воздуха, разложения животных и растительных остатков. Количественными характеристиками состава и свойств почвенного раствора служат ионная сила, минерализованность, электропроводность, окислительно-восстановительный по­тенциал, титруемая кислотность (щелочность), активности и концентрации ионов, pH. Химические эле­менты могут находиться в составе почвенного раствора в форме свободных ионов, аквакомплексов, гидроксокомплексов, комплексов с органическими и неорганическими лигандами, в виде ионных пар и других ассоциатов.

Рис. 1. Почвенный раствор

Методы выделения почвенного раствора затруднительны и несовершенны. В сравнительно неиз­менном виде его можно выделить:

• давлением сжатого газа;

• прессом;

• замещением различными жидкостями (этиловым спиртом);

• центробежной силой.

Практически применяются второй и третий методы. Это первая группа методов.

Вторая группа методов включает лизиметрические методы, когда собирают просачивающуюся че­рез почву атмосферную влагу в специальном приемнике.

Третья группа включает методы выделения почвенного раствора водой. Чаще применяют водные вытяжки при соотношении почва: вода =1:5.

Четвертая группа включает в себя ионометрические методы, позволяющие определить в полевых условиях рН, электропроводность, окислительно-восстановительный потенциал, активность ионов Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺ , NO3 и других, используя селективные электроды.

Почвенный поглощающий комплекс (ППК) – совокупность органических, минеральных и органно-минеральных коллоидов и тончайших частиц ила, способных к поглощению и обмену ионов. В боль­шинстве почв преобладают минеральные коллоиды. К ним относятся глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, галлуазит, гидрослюда, иллит, вермикулит и другие); гидроксиды железа (Fe(OH)₃-nН₂О), алюминия (Al(OH)₃-nН₂О), марганца (Mn₂O₃-nН₂О), кремния (SiO₂-nH₂O) и их ком­плексные соли – коагели. К органическим относятся аморфные гумусовые вещества, некоторые полиса­хариды, и клетки наиболее мелких бактерий. Органоминеральные коллоиды представлены сложными образованиями гумусовых веществ с минеральными коллоидами.

Основное свойство коллоидов – способность к поглощению веществ из растворов как в виде моле­кул, так и в виде ионов. Поглощенные из растворов вещества могут обмениваться на другие, находя­щиеся в растворе. Это свойство определяется высокой реакционной способностью, обусловленной большой суммарной и удельной поверхностью коллоидов, которая тем больше, чем выше дисперсность коллоидов. Если в почве содержится 10 % коллоидных частиц, то сумма их поверхности на площади 1 га составит 70 тыс. га. С увеличением суммарной поверхности растет суммарная поверхностная энергия и возрастает химическая активность коллоидов. Удельная поверхность выше в суглинистых почвах, чем в песках и супесях, и выше в гумусовом горизонте, чем в нижележащем. Удельная поверхность коллои­дов в гумусовых горизонтах суглинистых дерново-подзолистых почв составляет 29 м /г, серых лесных -33 м²/г, черноземах – 48 м²/г.

Поглощение ионов обусловлено наличием заряда, который возникает в результате следующих про­цессов: механическое разрушение решетки минералов и разрыв связей между ионами; гетеровалентное изоморфное замещение (например, замещение в структуре Si⁴⁺ на А1³⁺, а А1³⁺ на Fe²⁺ , Mg²⁺); адсорб­ция ионов на поверхности ГШК; диссоциация ионов ГШК (например, протонов из гидроксогрупп алю­мосиликатов, а также из карбоксильных групп и фенольных гидроксогрупп органических веществ); ориентация полярных молекул вблизи поверхности раздела твердой и жидкой фаз.

В связи с тем, что в естественных условиях ППК имеет отрицательный заряд, поглощаются пре­имущественно катионы. Положительный заряд в ППК возникает на поверхности гидроксидов железа и алюминия, за счет амино-групп органических веществ. Компенсируется положительный заряд ППК по­глощением анионов. Количество поглощенных веществ, прочность их удерживания зависят от свойств ППК (дисперсность, минералогический состав, состав органических и органно-минеральных веществ), от кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий, от свойств поглощаемых химиче­ских веществ.

Главная функция ППК – участие в обменных реакциях с загрязняющими веществами, поступаю­щими в почву. Реакции обмена с этими веществами протекают в эквивалентных количествах и обрати­мы, если не сопровождаются хемосорбцией. Скорость и соотношение обменивающихся ионов зависят от валентности ионов загрязняющих веществ в растворе, их радиуса, концентрации. С повышением рН увеличивается поглощение катионов Cd, Pb, Zn, Hg и других, уменьшение рН ведет к большему погло­щению As, Se, Sb, Mo. Результаты вегетационных и полевых опытов, исследование почв техногенно-нарушенных территорий показывают, что при одном и том же уровне содержания в почвах тяжелых ме­таллов признаки угнетения растений в наибольшей степени проявляются на тех почвах, где ППК имеет мало активных центров, способных к обменным реакциям с металлами, где низка емкость катионного обмена (ЕКО). Почвы с ЕКО меньше 20 мг*экв/100 г наиболее подвержены загрязнению тяжелыми ме­таллами, пестицидами и другими химическими веществами; при ЕКО выше 50 мг*экв/100 г почвы более устойчивы к загрязнению. Защитные функции ППК проявляются в способности обменных катионов за счет ионообменных реакций нейтрализовать кислые осадки и ограничить миграцию тяжелых металлов.