Химический анализ почв национального парка Югыд Ва

Министерство образования Республики Коми

Государственное образовательное учреждение дополнительного образования детей

«Коми республиканский эколого-биологический центр»

Химический анализ почв

в районе стоянок ДКЭ  «Югыд Ва - 2012»

Автор:

Попова Ирина

Объединение «Потенциал»

Руководитель:

Дунаева Екатерина Геннадьевна,

ПДО ГОУ ДОД «Коми РЭБЦ»

Сыктывкар

2012

Введение

В последнее время в почвоведении заметно усилился интерес к почвам северных широт. Это обусловлено несколькими факторами возрастающим развитием производства в этих местах и с подтверждением теории глобального потепления. Но особую роль играет изучение почв как важнейшего компонента биосферы. Именно благодаря основному свойству почв – плодородию становится возможным переход от неживого вещества в живое. От состояния почв зависит состояние всей экосистемы. Именно поэтому во время комплексной образовательной эколого-краеведческой экспедиции  «Югыд ва 2012» нам показалось интересным исследовать именно состояние данного компонента экосистемы ООПТ. От сотрудников Югыд ва мы получили информацию, что почвы национального парка не исследовали.

Цель работы: изучение химического состава и физико-химических свойств естественных почв национального парка «Югыд ва» по маршруту эколого-краеведческой экспедиции «Югыд ва 2012».

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

Определить тип почв на стоянках б.Емель, м.Емель, Петный, Парфен, Орловка;

Определить гранулометрический состав почв на стоянках б.Емель, м.Емель, Петный, Парфен, Орловка;

.        Определить актуальную кислотность исследуемых почв почв;

Провести качественную реакцию на присутствие карбонатов в пробах почв;

Сделать предположение о иных химических свойствах исследуемых почв.

Глава 1. Обзор литературы

Что такое почва

Почва (определение по ГОСТ 27593-88) — самостоятельное естественноисторическое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твёрдых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия (wikipedia.org).

Почва – является неотъемлемой частью любой экосистемы: формируясь из горных пород под влиянием живых организмов, одновременно, структура и свойства почвы будут определять состав растительного и природного сообщества экосистемы.

Почва определяется физическими и химическими свойствами: структурой, цветом, влажностью, кислотностью, плодородием, типом почвы и т.д.

Почва — тонкий верхний слой земной коры, дающий жизнь растениям. Это самостоятельное природное тело, представляющее собой нечто среднее между живым и мертвым веществом. В почве взаимодействуют литосфера, атмосфера, гидросфера и биосфера, а плотность живого вещества планеты максимальна. Самое ценное свойство почвы — плодородие, т.е. способность обеспечивать растения необходимыми питательными веществами и влагой (geoglobus.ru). Почва состоит из минеральных частиц, органического вещества в основном растительного происхождения, почвенной воды, почвенного воздуха и населяющих её живых организмов. В различных районах Земли толщина почвы колеблется от нескольких сантиметров до 2-3 метров.

Химический состав почв

Химический состав почвы является отражением элементарного состава всех геосфер, принимающих участие в формировании почвы. Поэтому в состав всякой почвы входят те элементы, которые распространены или встречаются как в литосфере, так и в гидро-, атмо- и биосфере.

В состав почв входят почти все элементы периодической системы Менделеева. Однако подавляющее их большинство встречается в почвах в очень малых количествах, поэтому в практике приходится иметь дело всего с 15 элементами. К ним принадлежат прежде всего четыре элемента органогена, т. е. С, N, О и Н, как входящие в состав органических веществ, затем из неметаллов S, Р, Si и С1, а из металлов Na, К, Са, Mg, AI, Fe и Мn.

Перечисленные 15 элементов, составляя основу химического состава литосферы в целом, в то же время входят в зольную часть растительных и животных остатков, которая, в свою очередь, образуется за счет элементов, рассеянных в массе почвы. Количественное содержание в почве этих элементов различно: на первое место надо поставить О и Si, на второе — А1 и Fe, на третье — Са и Mg, а затем — К и все остальные.

Нормальный рост растений обусловлен содержанием в почве доступных форм зольных элементов и азота. Обычно растения усваивают из почвы N, Р, К, S, Са, Mg, Fe, Na, Si в достаточно больших количествах и эти элементы называются макроэлементами, а В, Mn, Mo, Сu, Zn, Со, F используются в ничтожных количествах и называются микроэлементами. К важнейшим из них относятся элементы, без которых невозможно образование белков,— N, Р, S, Fe, Mg; такие элементы, как К, Сu, Mg, Na, оказывают огромное влияние на регуляцию работы клеток и формирование различных тканей растений.

Элементы питания, содержащиеся в почвах, находятся в различных минеральных и органических соединениях, и запасы их обычно значительно превышают ежегодную потребность. Однако большая часть их находится в форме, не доступной для растений: азот — в органическом веществе, фосфор — в фосфатах, железо, алюминий, кальций, калий — в поглощенном состоянии, кальций и магний — в форме карбонатов, т. е. в не растворимой в воде форме. Процесс усвоения растениями элементов питания происходит благодаря обменному поглощению. Формы соединений и биологическое значение химических элементов различны. Элементы входят в состав почв в форме различных химических соединений, характеризующих тип почвы, и имеют разное биологическое значение.

Кислород в свободном состоянии находится в почвенном воздухе, а в связанном входит в состав воды, окислов, гидратов, кислородных кислот и их солей. Он имеет важное значение, как элемент, необходимый для дыхания растений и животных, и как элемент-органоген.

Кремний входит в состав силикатов, т. е. солей кремниевых, алюмокремниевых и феррокремниевых кислот, а также встречается в виде кремнезема, как кристаллического (кварц), так и аморфного. Биологическое значение кремния не выяснено, но он всегда содержится в золе растений (в особенности камыша и тростника) и, по-видимому, необходим для образования клеток и тканей более твердых частей организмов.

Алюминий входит в состав алюмосиликатов, глинозема и гидратов глинозема. Биологического значения он не имеет.

Железо входит в состав ферросиликатов и других солей, как окисных, так и закисных, а также в состав гидратов железа. Биологическое значение его велико: с ним связано образование хлорофилла в зеленых растениях.

Кальций встречается преимущественно в виде солей разных кислот, чаще всего угольной. Он очень важен для растений, так как входит в состав стеблей, и обычно находится в растительных клетках в виде кристаллов щавелевокислого кальция.

Магний, как и кальций, встречается в виде аналогичных соединений. Он важен для растений, так как входит в состав хлорофилла.

Натрий и калий входят в состав солей различных кислот, причем натрий биологического значения не имеет, тогда как калий является одним из основных элементов питания растений и, в частности, играет большую роль в крахмалообразовании.

Фосфор входит в состав почвы в виде фосфатов и в виде различных органических соединений. Он содержится в ядре растительных клеток. Известно, что недостаток в почве фосфора отражается на качестве зерна. Он является одним из основных питательных элементов и необходим для развития растений так же, как и азот.

Азот — исключительно важный для питания растений, элемент- органоген, входящий в состав молекулы белков основы растительной и животной клетки, Встречается в почве в форме различных органических соединений, аммиачных солей и солей азотной и азотистой кислот.

Сера также входит в состав молекулы белков. В почвах встречается в форме сульфатов, сернистых солей, сероводорода и различных органических соединений.

Водород важен для растений как органоген. Входит в состав воды, гидратов, разнообразных свободных кислот и их кислых солей.

Хлор биологического значения не имеет. В почве встречается в виде хлористых солей.

Углерод входит в состав растительных остатков и составляет в среднем 45 % их массы. Как основа всех органических соединений он имеет исключительно большое значение. Встречается в поч ве также и в форме минеральных соединений углекислого газа и солей угольной кислоты.

Марганец, как предполагают, играет роль катализатора. Определенное биологическое значение имеют также и многие другие химические элементы, встречающиеся в почвах в очень малых количествах (например, медь, цинк, фтор, бор и другие), так называемые микроэлементы. Некоторые из них используются в качестве минеральных удобрений. Однако наибольшее значение для питания растений имеют соли калия, кальция, магния, железа и кислот — азотной, фосфорной, серной и угольной.

Для характеристики плодородия почвы наибольшее значение имеет содержание гумуса, азота, фосфора и калия. Определение содержания в почве тех или других химических элементов и форм их соединений является задачей химического анализа почв.

Содержание гумуса в верхнем горизонте почв разного типа колеблется в широких пределах, но для каждого типа и подтипа почвы оно является достаточно устойчивым и поэтому характерным показателем. Для остальных элементов, наряду с их валовым содержанием (которое свидетельствует о той или иной степени плодородия почвы), необходимо знать содержание их форм растениями.

Валовое содержание в почвах азота и фосфора (в верхнем го ризонте) обычно выражается в десятых долях процента, калия содержится до двух и более процентов. Содержание же их усвояемых форм не превышает тысячных долей процента и его принято выражать в миллиграммах на 100 г почвы. (http://mse-online.ru/pochva/ximicheskij-sostav-pochv.html)

Кислотность почв. По величине pH выделяют группы почв, различающиеся по степени кислотности. По значениям pH выделяют следующие почвы:

Таблица № 1

Группы почв по степени кислотности

Высокая кислотность почв неблагоприятна для развития культурных растений и способствует процессам оподзоливания. Негативное влияние повышенной кислотности на растения обусловлено несколькими причинами; среди которых наибольшее значение имеют следующие: недостаток Са2+ — необходимого для растений элемента питания; повышенная концентрация токсичных для растений ионов, А13+, Мп2+, Н+; изменение доступности растениям элементов питания (макро- и микроэлементов); изменение физических свойств почвы. От величины рН зависят подвижность и доступность растениям практически всех элементов питания растений. Усвояемость фосфора максимальна при рН 6,5, снижаясь как в более кислой, так и в щелочной среде. Только в сильнощелочных почвах при рН около 9 и выше растворимость фосфатов вновь нарастает.
В кислых почвах повышается растворимость соединений железа, марганца, алюминия, бора, меди, цинка; при избытке этих элементов продуктивность растений снижается. В то же время высокая кислотность понижает доступность такого важного микроэлемента, как молибден.

Плодородие почв

Плодородие почв — основное специфическое свойство почвы, отличающее ее от материнской породы. Понятия «почва» и «плодородие» неразрывны.

Плодородие формируется в результате длительного развития природного почвообразовательного процесса, на который при сельскохозяйственном использовании налагается процесс окультуривания. Существует много терминов и понятий различных видов плодородия. Чаще различают три категории плодородия; естественное (природное); искусственное, (эффективное), и экономическое.

Естественное - формируется в процессе развития почв под влиянием природных факторов почвообразования.

Искусственное — это плодородие, которым обладает почва в результате целенаправленной деятельности человека (применение удобрений, мелиорация, способы обработки и др.). Оно зависит от уровня развития науки и техники, размера материальных затрат, от возможности мобилизации природного плодородия для получения урожая культур.

Потенциальное плодородие — суммарное плодородие почвы, определяемое как ее природными свойствами, так и свойствами, созданными или измененными человеком. Благодаря этому виду плодородия имеется много примеров, когда урожайность ряда культур на дерново-подзолистых почвах уже может превосходить урожайность, получаемую на черноземах.

Эффективное плодородие — та часть потенциального плодородия, которая реализуется в виде урожая растений при конкретных условиях. Оно зависит от степени мобилизации с помощью агротехнических приемов элементов потенциального плодородия и от эффективности дополнительно привнесенных факторов роста и развития растений.

Относительное плодородие — плодородие почвы в отношении к определенной группе или виду растений, т.е. почва может быть плодородной для одних и бесплодной для других растений. Например, на кислых почвах нельзя надеяться на получение высоких урожаев пшеницы, в то время как биологические особенности овса и люпина позволяют высевать их на подобных участках, болотные почвы высокоплодородны к болотной растительности, но там не могут расти другие виды растений и т.д. Поэтому осуществляется агропроизводственная группировка почв, на основе которой и составляется структура посевных площадей и проектируются эколого-контурные севообороты. В этих севооборотах наиболее полно учитываются взаимосвязи и зависимости биологических растений и свойств почвы.

Экономическое плодородие — экономическая оценка земли в связи с ее потенциальным плодородием и экономическими характеристиками участка: расстояние от дорог, центров энергоснабжения, водоемов, размер и конфигурация поля, трудность механической обработки и т. д. Важнейшими показателями экономической оценки земель являются общая стоимость продукции, затраты на ее получение и чистый доход. Эти показатели сильно варьируют как в пределах одного хозяйства, так и того природно-экономического района, где это хозяйство расположено. Поддерживающее воспроизводство - отсутствие заметных изменений в совокупности свойств почвы, влияющих на ее плодородие. Ведение земледелия происходит на фоне уравновешенной интенсивности баланса питательных веществ.

Расширение - улучшение совокупности свойств почвы, повышение способности почвы обеспечивать растения факторами, необходимыми для их роста и развития в многолетнем цикле.

Может осуществляться:

Постоянно, на фоне высокой агротехники, ведения земледелия с интенсивностью баланса более 100%, оптимизации агрофизических, агрохимических и биологических свойств почвы;

В короткие сроки при коренном изменении свойств почвы за счет мелиорации.

(http://www.agrofak.com/agrokhimiya/kurs-agrokhimii/plodorodie-pochv.html)

Глава 2. Материалы и методы

Материалом для исследования служили пробы почв взятые на территории национального парка «Югыд Ва» входе детской эколого-краеведческой экспедиции. ДЭКЭ «Югыд Ва 2012» проходила в период с3 по 13 июля в южной части национального парка по реке Подчерем, правому притоку реки Печора протяженность маршрута 129 км от моста через реку Большой Емель до поселка Подчерье.

Пробы почв брали на стоянках: Большой Емель, Малый Емель, Петный, Парфен, Орловка.

Для этого делали почвенные прикопки глубиной 50-75 см в типичном для территории исследования месте, наиболее представительным с точки зрения рельефа и растительного покрова. Ориентацию разреза проводили таким образом, чтобы к моменту описания солнце освещало лицевую стенку разреза. Далее аккуратно защищали переднюю стенку, чтобы отчетливо были видны почвенные горизонты, и можно было определить тип почв.

Описание почвенных профилей проводили по стандартной методике.

Образцы почв брали с каждого горизонта с помощью острого ножа.

Актуальную кислотность пробы почв определяли при помощи универсальной индикаторной бумаги (ПНД 50-975-84,ЛАХЕМА).

Для этого в пластмассовую посуду наливали воду, почву клали в чистый, плотный клочок ткани, который крепко завязывали. Далее мешочек с землей помещали в воду (так чтобы вода при этом не помутнела). На 1 часть почвы (по объему) брали 4-5 частей воды. Спустя примерно 5 минут в почвенный раствор опускали на 2-3 секунды индикаторную бумагу. Сразу же после этого проявившийся на бумаге цвет сверяли с эталонной шкалой, и в результате получали значение рН почвенного раствора.

Присутствие карбонатов в почве определяли с помощью качественной реакции с уксусной кислотой.  Небольшое количество почвы помещали в фарфоровую чашку и приливали пипеткой несколько капель 9%–го раствора уксусной кислоты. Образующийся по реакции оксид углерода (IV) CO2 должен выделяется в виде пузырьков (почва "шипит"). По интенсивности их выделения судили о более или менее значительном содержании карбонатов.

Глава 3. Результаты и обсуждения

3.1. Результаты определения типа почв

Тип почв определяли по характеру почвенных горизонтов. Все исследуемые почвы являются дерново-подзолистыми. Определение механического состава почвы определяли методом скатывания почвенного образца в шарик. На всех стоянках пробы со всех горизонтов нельзя было скатать в шарик, он тут же распадался на мелкие почвенные элементы. То есть все исследуемые образцы относятся к группе песка.

Механический состав оказывает существенное влияние на водно-физические, физико-механические, воздушные, тепловые свойства, окислительно-восстановительные условия, поглотительную (сорбционную) способность, накопление в почве гумуса, зольных элементов, азота и, кА следствие, на сельскохозяйственное использование почв.

Почвы с большим содержанием песчаных частиц – это легкие почвы. Они имеют высокую водопроницаемость (из-за большей пористости) и низкую влагоемкость, обеднены гумусом и элементами питания растений, обладают незначительной поглотительной способностью, но легко поддаются обработке.

3.2. Результаты определения актуальной кислотности

Реакция почвы оказывает большое влияние на развитие растений и почвенных микроорганизмов, на скорость и направленность происходящих в ней химических и биохимических процессов. В природных условиях рН почвенного раствора колеблется от 3 до 10. Чаще всего кислотность почвы не выходит за пределы 4–8.

Актуальная (активная) кислотность – кислотность почвенного раствора - оказывает непосредственное влияние на корни растений и почвенные организмы.

В результате исследования мы выяснили, что все исследованные почвы являются слабо кислыми, близкими к нейтральным. Величина рН колебалась от 5 до 6.

По величине кислотности почвы можно предсказать наличие тех или иных микроэлементов в почве, а также оценить их подвижность (табл. 2). Наиболее подвижные катионы аккумулируются в тканях растений.

Таблица 2

Подвижность микроэлементов в зависимости от кислотности почвы

ПН – практически неподвижные; СП – слабо подвижные; П – подвижных

Таким образом, кислотность почв определяет хорошую подвижность Zn, необходимого для роста растений и V и S, и слабую подвижность всех остальных микро элементов.

3.3. Результаты реакции пробы почв на карбонаты

Кислотность почвы может также указывать на присутствие карбонатов и сульфатов (Таблица № 3). То есть, по слабо кислой и нейтральной реакции почвы мы можем судить, что в исследуемых почвах отсутствуют сульфаты, хлориды, а  карбонаты, если и присутствуют, то в очень не значительных количествах.

Таблица № 3

Зависимость кислотности почв и присутствия солей

Анализ почвенных образований на карбонаты показал отрицателный результат во всех исследуемых образцах. Таким образом мы можем говорить о том, что почвы на стоянках бедны солями и обменные катионные процессы в почве идут слабо.

Однако отсутствие карбонатов так же указывает на то, что в почве идут процессы оподзаливания. Оподзаливание - это разрушение в верхней части профиля почвы минералов под воздействием кислых растительных остатков (хвоя и др.) и вынос продуктов разрушения в нижележащие горизонты в условиях промывного водного режима. Характерно для хвойных лесов с моховым покровом и избыточным увлажнением, где формируются почвы. В экосистемах, где брали почвенные образцы происходила сукцессия. Когда-то давно в исследуемых местностях была тайга. Позже эти участки были вырублены и заселены человеком. После ухода человека вырубленные участки стали зарастать травой и лиственными деревьями. В настоящее время в тени лиственных деревьев подрастают ели и пихты, данная территория вновь покрывается тайгой. А процессы оподзаливания являются естественными и благоприятными для формирования таежных экосистем.

Выводы:

На всех стоянках почвы природных экосистем являются дерново-подзолистыми, песчаными, со слабой степенью оподзоливания.

Исследуемые почвы имеют высокую водопроницаемость (из-за большей пористости) и низкую влагоемкость, обеднены гумусом и элементами питания растений, обладают незначительной поглотительной способностью.

По кислотности все почвы можно отнести к слабо кислым, близким к нейтральным (рН колеблица от 5-6).

Реакция на карбонаты во всех типах почв была отрицательной.

 Можно предположить  в почве хорошую подвижность ионов Zn, необходимого для роста растений и V и S, слабую подвижность Cr, Ni, Co, Cu, Cb, Hg , и неподвижность Pb.

В исследуемых почвах активно идут процессы оподзаливания.

Список литературы

Интернет источники:

http://mse-online.ru/pochva/ximicheskij-sostav-pochv.html

http://www.agrofak.com/agrokhimiya/kurs-agrokhimii/plodorodie-pochv.html