Метод фитоиндикации почвы

Почва – это верхний слой земной коры, образовавшийся в результате разрушения горных пород под воздействием климата, живых организмов и производственной деятельности человека. Почва – это особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Она состоит из твёрдой, жидкой, газообразной и живой частей. Твёрдая часть – это минеральные и органические частицы, которые составляют 80-90% почвенной массы и состоят из песка, глины, илистых частиц, оставшихся от материнской породы в результате почвообразовательного процесса. Жидкая часть почвы, или почвенный раствор – вода с растворёнными в ней органическими и минеральными соединениями. Воды в почве содержится от 2 до 60%. Жидкая часть почвы участвует в снабжении растений водой и растворёнными элементами питания. Газообразная часть, почвенный воздух, содержит больше углекислого газа и меньше кислорода, чем атмосферный воздух, а также метан, летучие органические соединения и другие вещества. Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов. Почва содержит макро- и микроэлементы.

Плодородие почвы постоянно изменяется в зависимости от природных факторов и производственной деятельности человека – внесения удобрений, обработки, орошения или осушения. По условиям формирования, свойствам и признакам почвы разделяются на типы, подтипы, роды, виды и т. д.

Виды и способы обработки почвы определяются в первую очередь её физическими свойствами – плотностью, объёмной массой, связанностью, пластичностью, липкостью.

Плотность почвы характеризует отношение массы твёрдой фазы почвы к массе воды равного объёма при 40С. Чем выше плотность почвы, тем меньше содержит она перегноя и тем ниже её плодородие.

Объёмная масса почвы – масса 1 см3 абсолютно сухой почвы с ненарушенной структурой.

Связанность почвы – свойство почвы противостоять внешним воздействиям, направленным на разъединение её частиц.

Липкость – свойство влажной почвы прилипать к предметам.

От содержания влаги в почве зависят жизненные процессы растений и развитие микроорганизмов, а также приёмы механической обработки. В почве вода может быть в доступной и недоступной для растений форме. Наличие в почве тех или иных форм воды зависит от количества поступающей воды и от водных свойств почвы.

Элементы питания растений в почве находятся в виде органических и минеральных соединений. Наибольшую ценность представляют органические соединения почвы, составляющие важнейшую её часть – гумус (гумус – высокомолекулярные, тёмноокрашенные органические вещества почвы, образуется в результате размножения органических остатков). Главнейшие элементы почвенного питания растений – азот, фосфор, калий.

Почвенный раствор может иметь кислотную или щелочную реакцию. Сильнокислотный или сильнощелочной почвенный раствор действует на растения отрицательно. Большинство растений может нормально расти лишь при нейтральной, слабокислой или слабощелочной среде почвенного раствора.

Почва и растения не только взаимосвязаны, но и взаимозависимы.

Рассмотрим, что даёт почва растению:

1. она является средой обитания корней и подземных видоизменений стебля (корневища, клубни, луковицы);

2. почву можно рассматривать как посредника между растением и удобрениями, растением и влагой;

3. почва – это источник питательных веществ растения.

Рассмотрим и обратную связь – что даёт растение почве:

1. возникновением своим и дальнейшим «развитием» почва «обязана» главным образом жизнедеятельности низших и высших растений ;

2. важнейшие свойства почвы: содержание перегноя и его качество, структура и прочность (а также связанные с ними режим водо- и теплообмена, динамика питательных веществ), поглотительная способность, кислотность – определяются во многом жизнедеятельностью растений и микроорганизмов.

Способы воздействия на почву растений и микрофлоры, обитающей в их подземных частях, можно разделить на физические, химические и биологические.

1) Физические:

А) затеняющий эффект растительности приводит к уменьшению нагревания почвы солнцем и сокращению испарения почвенной воды;

Б) разрыхляющее и сжимающее влияние корневой системы на структуру почвы.

2) Химические:

А) в результате корневого дыхания в почву выделяется углекислый газ, который растворяясь в почвенной влаге, образует угольную кислоту, диссоциирующую по уравнению:

H2CO3 = H+ + НCO3-

Эти ионы активны и вытесняют из гумуса и минералов, разрушая их, в почвенный раствор катионы – NH4+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+ и анионы – NO3-, SO42-, Cl- ;

Б) меняется химический состав различных почвенных горизонтов в результате поглощения корнями зольных элементов из более глубоких слоёв и отложения их при отмирании растений в почве;

В) корни растений выделяют в почву органические вещества – кислоты, углеводы, аминокислоты и другие.

3) Биологические:

А) корневыми выделениями питаются микроорганизмы, которым принадлежит важная роль в мобилизации питательных веществ для растений: фиксации атмосферного азота, разложении труднорастворимых фосфатов, минерализации органических соединений, выделении ростовых веществ и витаминов, образовании гумуса из растительных остатков и т. д. ;

Б) микрофлора почвы, кроме пользы, может приносить и вред: она содержит паразитов и возбудителей грибных и бактериальных заболеваний. Кроме полезных аммонифицирующих и нитрифицирующих бактерий в почве имеются денитрификаторы, разрушающие селитру и выделяющие азот.

Метод фитоиндикации почвы.

Почва является средой и основным условием развития растений. В почве растения укореняются и из неё черпают все необходимые для жизнедеятельности питательные вещества и воду. Преобладание определённой растительности на тех или иных участках позволяет делать выводы о структуре, состоянии почвы и её свойствах. Таким образом, проанализировав растительность на участке почвы, можно приблизительно определить, с каким типом почвы мы имеем дело. Ели растительный покров на участке редкий, это свидетельствует о невысоком природном плодородии. Высокая густая растительность, состоящая из крепких, здоровых и внешне сильных растений, говорит о хорошем состоянии почвы, насыщенности её питательными веществами. Преобладание в растительном покрове влаголюбивых растений свидетельствует о близком залегании грунтовых вод.

Почвы с высоким содержанием азота – крапива двудомная, осот, мята, крестовик обыкновенный. Почвы с низким содержанием азота – клевер полевой, лядвенец, ясколка, льнянка. Истощённые почвы – ромашка аптечная, пастушья сумка. Уплотнённые почвы – подорожник большой, лапчатка гусиная, лисохвост. Перегнойные почвы – звездчатка средняя, вероника полевая, яснотка пурпурная, одуванчик лекарственный, поповник. Переувлажнённые и заболоченные почвы – влагостойкая растительность, осока, хвощ, пикульник, щучка, камыш.

Наиболее благоприятной для всех видов растений является мелкокомковатая, или зернистая структура почвы, когда отдельные твёрдые почвенные частицы образуют комки диаметром до 8-10 мм. В силу наличия достаточных пространств между отдельными комками такая почва характеризуется хорошей водопроницаемостью, способностью усваивать, накапливать влагу, формировать сильную капиллярную систему, подающую влагу к всасывающим корням растений, а также отличной воздухопроницаемостью и быстрой прогреваемостью солнечными лучами. Рыхлая рассыпчатая структура почвы зависит от глинисто-гумусного сочетания её различных составных частей, которые возникают в результате жизнедеятельности многочисленных почвенных организмов, смешивания минеральных и органических частей почвы и «склеивания» их в процессе усвоения микроорганизмами, бактериями и другими представителями биологической среды почвы.

В конечном счете, целью любого процесса обработки является достижение рыхлой структуры почвы при сохранении её комплексного состава. Важной характеристикой почвы является её способность поглощать солнечное тепло. От этого зависит тепловой режим почвы в целом, что влияет на развитие растений, которое происходит в определённых условиях температурного режима. Изменения температурного режима почвы в сторону повышения или понижения могут отрицательно сказаться на прорастании семян и последующем развитии растений.

Удобрения и их классификация.

Зелёные растения из углекислого газа, воды, минеральных солей с помощью энергии Солнца образуют углеводы, жиры, витамины, в состав которых входит более 60 химических элементов. Каждый элемент питания в жизни растений выполняет определённую функцию. Но запасов усвояемых растениями элементов питания в почвах часто не хватает для получения высокого урожая. Для того, чтобы повысить урожай используют удобрения. Удобрения классифицируют:

А) по происхождению:

Б) по агрегатному состоянию:

Минеральные удобрения – неорганические вещества (в основном соли), содержащие необходимые для растений элементы питания. Их получают химической обработкой неорганического сырья. К минеральным относят также удобрения, получаемые из азота воздуха или являющиеся побочными продуктами при выплавке металлов (томасшлак), коксохимическом производстве и производстве капролактама (сульфат аммония).

Минеральные удобрения, получаемые химической переработкой сырья, отличаются более высокой концентрацией питательных элементов. По составу минеральные удобрения подразделяются на азотные, фосфорные, калийные и микроудобрения.

Органические удобрения. Питательные элементы в них находятся в веществах растительного и животного происхождения. Это в первую очередь навоз, а также различные продукты переработки веществ растительного и животного происхождения (торф, жмых, рыбная и кровяная мука, птичий помёт, фекалии, городские отходы и отбросы различных пищевых производств). Сюда относятся и зелёные удобрения (люпин, сераделла).

Органо-минеральные удобрения содержат органические и минеральные вещества. Их получают путём обработки аммиаком и фосфорной кислотой органических веществ (торфа, сланцев, бурого угля) или путём смешивания навоза либо торфа с фосфорными удобрениями.

Бактериальные удобрения – препараты, содержащие культуру микроорганизмов, фиксирующих органическое вещество почвы и удобрений (азотобактерин, нитрагин почвенный).

По агрохимическому воздействию минеральные удобрения разделяют на прямые, косвенные и препараты, регулирующие рост растений.

Прямые удобрения предназначены для непосредственного питания растений. Они содержат азот, фосфор, калий, магний, серу, железо и микроэлементы (B, Mo, Cu, Zn) и делятся на простые и комплексные.

Простые удобрения содержат один элемент питания: азот, фосфор, калий и другие:

• азотные удобрения, их различают по форме соединений азота: аммиачные, аммонийные, нитратные, амидные и их сочетания.

• фосфорные удобрения, в основу классификации которых положена их растворимость в воде и органических кислотах. Они делятся на: растворимые в воде (гидрофосфат аммония, дигидрофосфат аммония, двойной суперфосфат), нерастворимые в воде, но растворимые в растворах лимонной кислоты и её солей (преципитат), труднорастворимые в воде (фосфоритная мука, простой суперфосфат).

• калийные удобрения разделяют на: сырые соли (минералы каинит, сильвинит), концентрированные удобрения, полученные переработкой природных калийных солей, золы (древесные и торфяные), содержащие поташ – карбонат калия.

• микроудобрения - технические смеси, содержащие микроэлементы (бор, молибден).

Комплексные удобрения содержат не менее двух питательных элементов.

Косвенные удобрения применяют для химического, физического, микробиологического воздействия на почву с целью улучшения условий использования удобрений. Например, для нейтрализации кислотности почв применяют молотые известняки, доломит, гашёную известь; для мелиорации солонцов используют гипс; для подкисления почв используют гидросульфит натрия.

Применение удобрений даёт хороший результат, если соблюдаются следующие условия:

1. правильно и своевременно обрабатывают почвы, внедряют комплексы мероприятий по борьбе с её эрозией, сорняками, различными вредителями и болезнями растений, а также подбирают лучшие сорта.

2. правильно сочетают органические и минеральные удобрения, широко применяют местные удобрения.

3. выбирают дозы, соотношения, формы, сроки и способы внесения удобрений с учётом севооборотов.

Однако чрезмерное и неправильное использование удобрений в сельском хозяйстве даёт также значительный отрицательный эффект. Возникновение важнейших проблем: избыточное содержание нитритов и нитратов в сельскохозяйственной продукции; необходимость выращивания экологически чистых плодов и овощей; загрязнение водоёмов, морей и океанов вымываемыми удобрениями; включение ядохимикатов, применяемых в сельском хозяйстве, в круговорот веществ – вот та цена, которую платит человечество в обмен за достижение высоких урожаев при использовании удобрений и пестицидов в сельском хозяйстве.

Органические удобрения.

Вносимая на поля органика не только обогащает почву элементами питания, но и повышает в ней содержание гумуса, который после разложения его микроорганизмами обеспечивает растения многими необходимыми веществами. Кроме того, органические удобрения значительно улучшают физические свойства почвы, увеличивают её воздухо- и влагопроницаемость. Самым универсальным органическим удобрением, содержащим почти все необходимые растению элементы питания и некоторые биологически активные вещества, является навоз. Недаром говорят: «Клади навоз густо – в амбаре не будет пусто».

Навоз является полным удобрением, так как в состав его входят основные питательные вещества, участвующие в образовании растительной массы. Твёрдые и жидкие выделения животных, солома и другие материалы подстилки скота являются составными частями навоза. Действие навоза продолжается в течение ряда лет и часто во второй культуре более высоким, чем в первой, а при высоких дозах возрастает в последующих ротациях севооборота. Применяют навоз на самых различных почвах и под разнообразные культуры.

Торф образуется в результате отмирания и неполного распада болотных растений в условиях повышенной влажности и недостаточном доступе воздуха. Качество торфа определяется его ботаническим составом, степенью разложения, содержанием азота, золы и зольных элементов, а также кислотностью. Торф должен под влиянием микроорганизмов разложиться, и только после этого азот становится доступным растению.

Птичий помёт – быстродействующее удобрение, содержит все основные питательные вещества. Состав питательных веществ в помёте домашних птиц в основном зависит от качества корма. Азотсодержащие вещества, имеющиеся в птичьем помёте, быстро разлагаются с образованием аммиака, поэтому лучше всего хранить и применять помёт, смешанный с торфом и перегноем.

Зола древесная и солома содержат калий, фосфор, кальций и ряд других элементов. Калий содержится в золе в виде поташа (K2CO3), то есть в форме, наилучшей для всех культур, особенно для чувствительных к хлору. Больше всего калия содержится в гречишной и подсолнечной золе. Много его также в золе ржаной и пшеничной соломы. Древесная зола содержит в 2-3 раза меньше калия, но зато в ней больше кальция.

Компосты – это смеси различных разлагающихся веществ, содержащих элементы питания, доступные для усвоения растениями. В их состав могут входить самые разнообразные материалы животного и растительного происхождения, представляющие собой отходы хозяйства. Сейчас большое внимание обращают на компостирование торфа с золой, навозом, фосфоритной мукой, суперфосфатом. Совместное применение органических и минеральных удобрений осуществляют не только в виде компостов, но и в форме органо-минеральных смесей различного состава.

Зелёные удобрения – это зелёная масса некоторых растений-сидератов, выращиваемых на полях и запахиваемых в землю в целях повышения плодородия почв. Для этих целей применяют растения, на корнях которых образуются клубеньки. В этих клубеньках живут бактерии, усваивающие азот воздуха. 1 т зелёного удобрения по своему действию равноценна 1 т навоза. Из всех видов зелёных удобрений наиболее распространены люпины. Это растения, хорошо растущие на всех почвах, включая самые бедные пески и тяжёлые суглинки. При запашке сидератов полезно вносить фосфорные и калийные удобрения, которые способствуют более быстрому разложению зелёной массы и обогащают почву питательными веществами.

Сапропель – ценный природный концентрат с содержанием органических веществ до 96%. Образуется в стоячих озёрах лесотундровой, лесной и лесостепной зон в результате сложного и длительного биохимического разложения ежегодно отмирающих и оседающих на дно обитателей водоёмов – растений и животных. Прибавка урожая сельскохозяйственных культур при внесении сапропеля может составлять до 30% и более.

Минеральные удобрения.

Минеральные удобрения не только обогащают почву питательными элементами, но и изменяют в желательном направлении реакцию почвенного раствора, активизируют многие биологические процессы. Рассмотрим значение химических элементов в жизни растений. В состав растений входит около 70 химических элементов. Роль всех химических элементов, входящих в состав живых клеток, чрезвычайно велика. Основными химическими элементами, необходимыми для жизнедеятельности растений в больших количествах, являются: C, H, O, S, N, P, K, Ca, Mg, Fe. Это макроэлементы. Удобрения, их содержащие, называют макроудобрениями.

При сжигании растений элементы C, H, O, S и N образуют летучие соединения. Остальные элементы остаются в золе, преимущественно в форме оксидов. Их называют зольными элементами.

Азот входит в состав белков, нуклеиновых кислот, ферментов, хлорофилла. При недостатке азота в почве растения развиваются слабо, особенно вегетативная масса. Листья теряют свой зелёный цвет и приобретают жёлтые тона. Наоборот, при усиленном питании азотом у растений образуется мощная вегетативная масса, зерновые полегают, у них уменьшается выход зерна, а у картофеля при мощной ботве снижается клубнеобразование. При этом в растениях накапливается избыток нитратов и нитритов, которые оказывают вредное влияние на организм человека.

Фосфор входит в состав важнейших веществ клеток: ДНК и РНК, фосфолипидов, сахарофосфатов, участвующих в фотосинтезе. Он образует АТФ – универсальное энергетическое вещество клетки, ускоряет созревание растений. При его недостатке слабо формируется корневая система, листья приобретают тускло-серый цвет, задерживаются рост и созревание, снижается урожайность.

Калий содержится в большом количестве в молодых листья и побегах. Он способствует регулированию водного баланса растений. При его недостатке происходит нарушение окраски листьев (краевой ожог) и даже их опадение. Так называемый краевой ожог листьев (или запал) – важнейший признак калийного голодания; зерно у злаков получается щуплое, невсхожее.

Элементы, присутствующие в растениях в небольших количествах, от 0,001% и менее, называются микроэлементами. К ним относятся B, Mn, Cu, Co, Zn, Mo и другие. Удобрения, содержащие эти элементы, называются микроудобрениями.

Микроудобрения вносят в почву для ликвидации в ней дефицита микроэлементов, которые хотя и входят в состав растений в ничтожно малых количествах, но тем, ни менее играют важную роль в их росте, развитии и формировании полноценного урожая. Микроэлементы необходимы растениям для построения биохимических катализаторов-ферментов. Рациональное применение микроудобрений повышает урожайность возделываемых культур на 10-12% и улучшает качество продукции растениеводства. Доказано, что при оптимальном обеспечении растений микроэлементами содержание белка в зерне возрастает на 0,8-1,1%, масла в семенах подсолнечника – на 0,5-0,8%, сахара в корнеплодах сахарной свёклы – на 0,5-1,2%.

Медь участвует в синтезе белка, при её недостатке злаки почти не дают зерна. В качестве медного удобрения используют в основном медный купорос и отход химической промышленности – медный огарок.

Молибден улучшает азотное питание растений, влияет на урожай семян и сена бобовых и цветной капусты. В качестве молибденового удобрения служит техническая соль – молибдат аммония и натрия.

Марганец, как и железо, регулирует окислительно-восстановительные процессы в растениях, повышает урожай сахарной свёклы на 20-30 ц/га, овощных и ягодных культур на 10 ц/га. Как удобрения применяют пылевидные отходы предприятий по добыче марганца – марганцевый шлам.

Цинк активизирует 30 ферментных систем в клетке, конкурирует с бором, фосфором. Как удобрение преимущественно используют сульфат цинка. Цинковые удобрения эффективны на карбонатных почвах при выращивании кукурузы, хлопчатника и плодовых культур.

В общей прибавке урожая, примерно 50% достигнуто благодаря применению удобрений, 25% - использованию высокоурожайных сортов и 25% - совершенствованию технологии возделывания растений.

Вторичное использование сточных вод в сельском хозяйстве.

Состав производственных сточных вод зависит от характера производственного процесса и отличается большим многообразием. В зависимости от состава примесей и специфичности их действия на водные объекты сточные воды могут быть разделены на следующие группы.

1. Воды, содержащие неорганические примеси со специфичными токсичными свойствами. Сюда входят стоки металлургии, гальванических цехов, предприятия машиностроительной, рудо- и угледобывающей промышленности, заводы по производству кислот, строительных изделий и материалов, минеральных удобрений и другие. Они могут вызвать изменения рН воды водоёмов. Соли тяжёлых металлов являются токсичными по отношению к водным организмам.

2. Воды, в которых неорганические примеси не обладают токсичным действием. К этой группе относятся сточные воды рудообогатительных фабрик, цементных заводов и других. Примеси такого типа находятся во взвешенном состоянии. Для водоёма особой опасности эти воды не представляют.

3. Воды, содержащие нетоксичные органические вещества. Сюда входят сточные воды в основном предприятий пищевой промышленности (мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, микробиологической, химической промышленности, заводы по производству каучука, пластмасс и другие). При попадании их в водоём возрастает окисляемость, снижается концентрация растворённого кислорода.

4. Воды, содержащие органические вещества со специфическими токсичными свойствами. К этой группе относятся сточные воды нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, текстильной, лёгкой, фармацевтической промышленности; заводы по производству сахара, консервов, продуктов органического синтеза и другие).

Сточные воды, прошедшие очистку можно использовать в следующих целях:

• бытовая техническая вода для санузлов в случаях, не предусматривающих прямой контакт с человеком (т. е. в основном для слива унитазов),

• поливка зелёных насаждений садово-парковых зон, спортивных полей, полей для игры в гольф и прочее,

• мойка улиц, тротуаров, пешеходных переходов и т. п. ,

• водоснабжение декоративных фонтанов,

• мойка автотранспортных средств.

Очистка воды для технического использования предусматривает последовательное прохождение через осветление флокуляцией, фильтрование и дезинфекцию. В основном на такую очистку направляется бытовая сточная вода, чаще всего, чтобы не создавать излишне громоздкую сеть, так называемый «серый» слив, исключая фекальные воды с содержанием мочи и кала.

Вторичная вода в сельском хозяйстве даёт ощутимую экономию расхода водных ресурсов. Действительно потребление воды в агрозоотехнической сфере существенно превышает потребление в гражданской сфере и промышленности. В настоящее время предпочтение отдаётся вторичной воде, а подключение к магистральному водопроводу – если вода не предназначена для питьевых целей или ихтиогенной сферы – ограничивается случаями, когда не имеется возможности использовать очищенные сточные воды или когда эти экономические затраты носят очевидный запретительный характер. Сточные воды отпускаются бесплатно, а капитальные расходы на организацию сточных систем вычитаются из налогооблагаемой базы. Следует учитывать, что использование вторичной воды в сельском хозяйстве возможно далеко не всегда, а только, например, если сельскохозяйственные угодья, где предполагается применять такую технологию, расположены в очень удалённом районе, либо на нижнем высотном уровне.

Нельзя использовать сточную воду, когда её химический состав несовместим с сельским хозяйством (превышение содержания натрия и кальция по сравнению с калием и магнием). Важно отметить, что очень низкая цена обычной водопроводной воды, отпускаемой для орошения (определяемая стоимостью лицензии на подключение к источнику или бурение скважины) не способствует переходу на использование в этих целях очищенной сточной воды. Технология очистки сточных вод для сельского хозяйства различается в зависимости от видов культур, для которых они предназначены. Для орошения культур, предназначенных для употребления в пищу в сыром виде, вода должна пройти осветление флокуляцией, фильтрацию и дезинфекцию. Для орошения садов и пастбищ – только осветление флокуляцией (или биологическое отстаивание) и дезинфекцию. Для орошения полей с непищевыми культурами – биологическое отстаивание (и при необходимости водохранилищные ванны).

В своей работе в качестве минерального удобрения я использовала промышленные азотсодержащие сточные воды от производства NPK (г. Россошь), которые получила для исследования на кафедре общей и неорганической химии факультета экологии и химической технологии Воронежской государственной технологической академии. Анализ состава этих вод позволяет использовать их для выращивания растений гидропонным, аэропонным, ионитопонным методами, а также для подкормки сельскохозяйственных и декоративных культур, произрастающих в теплицах и домашних условиях.

Таблица №1. Химический состав сточных вод от производителя NPK (г. Россошь)

Наименование компонента Концентрация, мг/л Контрольные испытания, мг/л ВГТА

Россошь

Азот аммонийный 50-200

Азот нитратный 20-120 34

Фосфаты 0,-2

рН 6,5-8,5 6,8

Хлориды 1,7-7,5 2,3

Сульфаты 3,!-11,8

Нитриты 0,24-13,1 21,9

Железо общее 0,01-0,25 0,18

Медь 0,0378

Цинк до 0,005

Натрий - 0,1

Калий - 0. 2

Осмотическое давление, атм. 0,044-0,185 атм.

Общая концентрация солей 88,8 -371

В образце сточной воды от производителя NPK отсутствует ион натрия, вызывающий засолённость почвы, она обогащена азотом, как аммонийным, так и нитратным. Между тем, остальные элементы (как микро-, так и макро-) присутствуют в минимальном количестве. Данную воду без добавок можно использовать как источник азота для подкормки растений, выращиваемых в грунте в период роста зелёной массы.

Химическая мелиорация почв.

Химическую мелиорацию проводят для улучшения качества почв с повышенной кислотностью или щёлочностью. В первом случае осуществляют известкование, во втором – гипсование.

Известкование действует на почву многосторонне: улучшается деятельность клубеньковых и азотфиксирующих бактерий, повышает коагулирующую способность почвенных коллоидов, а потому на 30-40% повышает эффективность минеральных удобрений; улучшает структуру почв, их водный и воздушный режим; способствует развитию корневой системы растений. Основное известковое удобрение – молотый известняк (CaCO3). Нерастворимый в воде карбонат кальция под действием углекислого газа (продукта жизнедеятельности микроорганизмов) и воды превращается в растворимый гидрокарбонат кальция:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2 который гидролизуется по аниону:

HCO3- + H2O = CO2 + H2O + OH-

Образующийся гидроксид-анион и нейтрализует избыток катионов водорода в кислых почвах.

Величина pH регулирует химические и биохимические процессы. От неё зависит рост растений, развитие, существование различных микроорганизмов и т. д. По величине pH раствора почвы делят на: сильнокислые – pH=3-4; кислые – pH= 4-5; слабокислые – pH= 6-7; слабощелочные – pH=7-8 и сильнощелочные – pH=8-9.

Культурные растения по-разному реагируют на кислотность почвы и известкование. Люцерна, капуста, клевер, свёкла очень чувствительны к кислотности почв, им нужна среда близкая к нейтральной (pH= 6,2-7,2), поэтому почвы нужно известковать. Пшеница, ячмень, кукуруза, горох, бобы, вика, турнепс, брюква хорошо растут при слабокислой реакции (pH = 5,1-6) и известковании. Рожь, овёс, тимофеевка, гречиха переносят умеренную кислотность (pH =4,5-5,0) и положительно реагируют на высокие дозы извести. Картофель, лён, подсолнечник легко переносят умеренную кислотность и требуют известкования только на сильно- и среднекислых почвах. Люпин, сераделла, чайный куст малочувствительны к повышенной кислотности почв.

Кроме известняков, в качестве известковых удобрений применяют другие карбонатные минералы: известковый туф, мергель, доломит, мел.

Гипсование солонцовых почв можно рассматривать как процесс, противоположный известкованию. В южных районах европейской части страны, в Западной Сибири и некоторых других регионах в течение нескольких геологических эпох сформировался особый тип почв – солонцы и солончаки. Они содержат в почвенно-поглощающем комплексе много катионов натрия и имеют щелочную реакцию среды. Для улучшения таких бесструктурных почв, заплывающих во влажном состоянии и глыбистых – в сухом, требуется мелиоративный приём, по химическому действию противоположный известкованию, - гипсование. Его проводят, как правило, в сочетании с орошением, посевом многолетних трав, например люцерны, с внесением органических удобрений. Гипс (CaSO4) выравнивает реакцию почвенного раствора.

Экспериментальная часть.

1. Определение механического состава почвы с дачного участка.

Оборудование: фарфоровая чашка, стеклянная пластинка, пробирка, лупа, образец почвы стакан с водой, таблица сравнения.

Ход эксперимента:

Возьмём образец почвы с дачного участка (село Гнездилово Рамонского района Воронежской области). Поместим небольшое количество почвы в фарфоровую чашку, смочим почву водой и разомнём её пальцами в однородную густую массу, из которой скатаем шарик или шнур. Определим механический состав почвы, используя таблицу.

Таблица №2. Механический состав почв.

Морфология образца Почва по механическому составу

Не скатывается ни в шарик, ни в шнур Песчаная

Скатывается в шарик, который при надавливании растрескивается Супесчаная

Скатывается в шарик быстро и легко. При скатывании шарика образуется короткий шнур:

с рваными концами;

с острыми концами. Легкосуглинистая

Среднесуглинистая

При раскатывании образуется тонкий шнур, который сгибается в сплошное Глинистая кольцо без трещин

В пробирку поместим столбик почвы размером 2-3 см, прильём дистиллированную воду объёмом в 3 раза больше объёма почвы. Закроем пробирку пробкой и тщательно встряхнём в течение 2-3 минут, затем вооружившись лупой, наблюдаем осаждение частиц почвы и структуру осадков.

2. ) Получение почвенного раствора и опыты с ним.

Нальём в стакан воду и бросим в неё комочек почвы. Из почвы выделяются пузырьки воздуха. Добавим в стакан с водой ещё немного почвы и размешаем содержимое стеклянной палочкой. Поставим стакан на несколько минут на стол, чтобы его содержимое отстоялось. Мы увидим, что на дне стакана оседает песок, а вода становится мутной из-за содержания в ней частиц глины. Аккуратно профильтруем содержимое стакана. Для этого перельём воду во второй стакан через воронку с фильтром. Глина останется на фильтре. Перед фильтрованием смесь не следует встряхивать. Собранный в пробирке фильтрат представляет собой почвенную вытяжку (почвенный раствор).

Несколько капель этого раствора поместим на стеклянную пластинку и подержим её над пламенем спиртовки до выпаривания воды. После испарения воды на стекле останется белый налёт минеральных солей, которые входят в состав почвы.

Определим влажность почвы. По степени влажности почвы подразделяются на: сырые – вытекает вода при сжимании в руке; влажные – на руке остаётся мокрый след; свежие – холодит руку, почва мажется; сухие – не мажется, на ощупь кажется тёплой.

3. ) Определение кислотности почвенного раствора.

Определим с помощью индикаторов среду почвенного раствора (pH = 5,5-6,0) – среда близкая к нейтральной.

Поместим немного почвы в чашку для выпаривания и прокалим её на лабораторном штативе с кольцом с помощью спиртовки. При прокаливании почвы появляется дым, а почва становится более светлой. Это происходит в результате сгорания органических веществ (перегноя).

4. ) Определение засолённости почвы.

Засоленность определяется присутствием легко – и среднерастворимых соединений в почве. Содержание в верхней части почвенного профиля легкорастворимых солей в количестве, превышающем 0,2%, свидетельствует о засоленности почвы. Отрицательное влияние легко- и среднерастворимых солей на плодородие неодинаково. Наиболее вредными для растений солями являются карбонаты и сульфаты натрия, хлориды натрия, магния, кальция. Избыток таких солей снижает плодородие почвы. Легкорастворимые соединения, повышающие плодородие почв, - нитраты. Из среднерастворимых соединений безвредными солями являются карбонаты кальция и магния, а также сульфат кальция (гипс).

А) Обнаружение карбонатов.

Из образца берут небольшое количество почвы, переносят в фарфоровую чашку. На почву из пипетки капают несколько капель 10 % соляной кислоты. Если почва содержит карбонат – ион, то под действием кислоты начинается выделение углекислого газа:

Nа2СО3 + 2НСI = 2NаCI + CO2 ↑ +Н 2О

Кислоту добавляют до прекращения выделения пузырьков углекислого газа. По интенсивности выделения углекислого газа и по количеству израсходованной соляной кислоты судят о более или менее значительном содержании карбонатов.

Вывод: карбонат - ионы в почве обнаружены.

Б) Обнаружение сульфатов.

При наличии сульфатов происходит реакция:

Nа2SО4 + ВаСI2 =2NаСI +BаSO4 ↓

Сульфат бария выпадает в виде белого осадка. Образование ясно видного белого осадка свидетельствует о содержании сульфатов в количестве нескольких десятых процентов и более. Сильная белая муть указывает на содержание сульфатов в количестве сотых долей процента. Слабая муть, заметная лишь на черном фоне, образуется при содержании сульфатов в количестве тысячных долей процента.

В пробирку внести 10 мл пробы почвенного раствора, 0,5 мл соляной кислоты (1:5) и 2 мл 5% раствора хлорида бария. По характеру выпавшего осадка определяют ориентировочное содержание сульфат-ионов. При отсутствии мути концентрация сульфат-ионов менее 5 мг/л, при слабой мути, появляющейся не сразу, а через несколько минут - 5-10мг/л. При концентрации сульфат-ионов более 10мг/л выпадает белый осадок:

Ba2+ + SO42-= BaSO4↓

Вывод: явного осадка не обнаружено, а обнаружено слабое помутнение, что свидетельствует о том, что сульфат – ионы обнаружены в количестве сотых долей процента.

В) Обнаружение ионов натрия в почве.

Ионы натрия легче всего обнаружить по характерной окраске пламени ярко желтого цвета.

Для этой цели я использовала железную проволочку. Ее вначале прокаливают в пламени спиртовки докрасна, затем вносят в исследуемый раствор, и вновь в пламя спиртовки и отмечают цвет пламени. Цвет пламени окрасился в жёлтый цвет

Вывод: ионы натрия в исследуемом образце почвы обнаружены.

Г) Обнаружение хлорид-ионов.

К 10 мл почвенной вытяжки прибавить 3-4 капли азотной кислоты (1:4) и прилить 0,5 мл нитрата серебра (AgNO3).

NaCI + AgNO3 = AgCI ↓ + NaNO3

Белый осадок выпадает при концентрации хлорид - ионов более100 мг/л:

Cl- +Ag+ = AgCl ↓

Помутнение раствора наблюдается, если концентрация хлорид – ионов более 10 мг/л, опалесценция – более 1мг/л. При добавлении аммиака NH3 раствор становится прозрачным.

Вывод: помутнение раствора свидетельствует о том, что обнаружены хлорид – ионы, и данный образец содержит сотые доли % хлоридов.

Д) Обнаружение сульфит-ионов.

В пробирку внести 10 мл пробы почвенной вытяжки, добавить 3 мл слабого раствора перманганата калия. При содержании сульфит – иона розовый цвет раствора исчезает.

3SO32-+ 2MnO4-+ H2O = 2MnO2 + 3SO42-+ 2OН-

Вывод: сульфит-ионы не обнаружены.

Е) Обнаружение катионов тяжёлых металлов в почве.

• Обнаружение катионов свинца (+2).

В пробирку с почвенной пробой внести 1мл 50% раствора уксусной кислоты, перемешать. Добавить 0. 5 мл 10% раствора дихромата калия. При наличии в исследуемой пробе ионов свинца выпадает желтый осадок свинца. Содержание катионов свинца более 100 мг/л:

Если наблюдается помутнение раствора то концентрация катионов более 20 мг/л, а при опалесценции –0,1 мг/л.

Вывод: катионы свинца (+2) в почве не обнаружены.

• Обнаружение катионов железа (+3).

В пробирку с 10 мл почвенной вытяжки добавить 1 каплю концентрированной азотной кислоты, затем добавить 2-3 капли пероксида водорода и 0,5 мл раствора роданида калия. При содержании железа 0,1мг/л появляется розовое окрашивание, а при более высоком - красное.

Fe3++ 3CNS- = Fe(CNS)3

Вывод: катионы железа (+3) в почве обнаружены.

• Обнаружение катионов меди (+2).

В фарфоровую чашку помещают 3-5мл почвенной пробы, осторожно выпаривают досуха и наносят на периферийную часть пятна каплю концентрированного раствора аммиака. Появление интенсивно-синей или фиолетовой окраски свидетельствует о присутствии ионов меди Cu2+:

Cu2++ 4NH4OH = [Cu(NH3)4]2++ 4H2O

Вывод: катионов меди (+2) в почве не обнаружено.

Результаты наблюдений заносим в таблицу.

определяемый ион реактив признак реакции наличие иона

CO32- H+ выделение газа есть

SO42- Ba2+ помутнение раствора есть

SO32- MnO4- розовая окраска не исчезла нет

Cl- Ag+ помутнение раствора есть

Na+ окраска пламени жёлтая окраска пламени есть

Pb2+ CH3COOH образование осадка не обнаружено нет

Fe3+ CNS- розовая окраска раствора есть

Cu2+ NH4OH фиолетовая окраска не обнаружена нет

5). Наблюдения за комнатными растениями, произрастающими на исследованной почве с минеральными удобрениями и без них.

Для эксперимента я приготовила 6 горшков одинакового размера, разместила их на подоконники, где доступ света и тепла одинаков, то есть мною были созданы одинаковые условия для роста и развития растений. Горшки заполнила почвой, привезённой родителями с дачного участка (село Гнездилово Рамонского района Воронежской области). Горшки были пронумерованы таким образом, что образец №1 – контрольный, для полива которого была использована чистая водопроводная вода, образец №2 – экспериментальный, для полива которого в качестве минерального удобрения была использована промышленная азотсодержащая сточная вода от производства NPK (г. Россошь), выданная мне на кафедре общей и неорганической химии ВГТА. В горшки были высажены комнатные растения: герань, амариллис, декабрист. Поливы растений водой и раствором минерального удобрения производились с одинаковой частотой (по мере высыхания земли). Раствор минерального удобрения готовился из расчёта 20 мл стока на 1 л воды. Для регистрации хода эксперимента я проводила визуальные наблюдения за растениями и составляла фотоотчет, в котором регистрировала дату съёмки.

6). Наблюдения за овощными культурами, произрастающими на исследованной почве с минеральными удобрениями и без них.

В июне 2010 года я высадила на дачном участке в селе Гнездилово Рамонского района Воронежской области образцы овощных культур: капусты, томатов и огурцов. Образец №1 поливала водой из колодца, а образец №2 – водой с добавлением промышленного азотсодержащего стока от производства NPK (г. Россошь) в качестве минерального удобрения. Удобрение наводила из расчёта 20 мл стока на 1 литр воды. С июня по август вела визуальные наблюдения за данными овощными культурами, а также составляла фотоотчёт эксперимента с датой снимка.

Результаты эксперимента и выводы:

• Я исследовала образец почвы, взятый мною с дачного участка (село Гнездилово Рамонского района Воронежской области). Исследуемый образец почвы – это чернозём с небольшим содержанием глины. Важнейший признак, сразу обращающий на себя внимание – это цвет. Верхний гумусовый слой почвы имеет тёмно-серый цвет, что свидетельствует о достаточном количестве гумуса – 6-7%. Почва слабо уплотнена, пористая, комковато-пылеватой структуры, обладает высокой влагоёмкостью, большой водоудерживающей способностью и в то же время имеет достаточную водопроницаемость. В сухом состоянии пылит. Рыхлость почвы способствует хорошему проникновению корневой системы растений, что влечёт за собой лучшее развитие последних. Но, данные почвы имеют и некоторые отрицательные свойства: они легко размываются, способны образовывать трещины, что может привести к эрозионным процессам.

• В ходе эксперимента я выяснила, что в почве содержатся ионы: Na+, Fe3+, CO32-, SO42-, Cl-, нет ионов: Pb2+, Cu2+, SO32-, а это свидетельствует об отсутствии химических загрязнений почвы на территории дачного участка.

• Растения, которые я поливала обычной водой, без внесения удобрений, росли и развивались за счёт минеральных веществ, содержащихся в почве. До тех пор, пока их было достаточно, растения развивались и росли нормально, однако не столь быстро, как удобряемые растения. Следовательно, растениям недостаточно только содержащихся в почве питательных веществ.

• Растения, которые поливались раствором минеральных удобрений, выросли высокими, сильными, с хорошо развитым стеблем и большим количеством листьев.

• Опираясь на результаты моего исследования, можно утверждать, что удобрения являются стимулятором роста растений, но только в дозах ему необходимых.

• Я выяснила экспериментально пригодность промышленных азотсодержащих сточных вод от производителя NPK (г. Россошь) в качестве минерального удобрения для полива растений и овощей в закрытом и открытом грунте.

• Я считаю, что моя работа будет интересна и познавательна для начинающих огородников.