Лекция 1. Классификация методов исследований (2 часа). 1

Лекция 1. Классификация методов исследований (2 часа).
1. Общее в инструментальных методах исследований почвы и растений.
Особенности отбора и подготовки проб для анализа. Инструменты и технические средства для отбора и пробоподготовки образцов.
2. Классификация методов исследований.
3. Лабораторные и экспрессные методы анализа почв и растений.
4. Применение спутникового зондирования для оценки состояния фитоценозов и почв, хранения информации и мониторинга.
1. Общее в инструментальных методах исследований почвы и растений. Особенности отбора и подготовки проб для анализа. Инструменты и технические средства для отбора и пробоподготовки образцов.
Общее в инструментальных методах исследований почвы и растений.
Физико-химические методы анализа позволяют в производственных условиях
автоматически контролировать и регулировать процессы. Такой контроль
обеспечивает непрерывное наблюдение за производством и автоматическую
запись результатов наблюдений. В качестве контролирующих приборов применяют различные автоматические анализаторы.
Кроме
того,
некоторые физико-химические
методы
позволяют изучать состав, строение, свойства почв и растений без каких либо химических операций. Существуют ионоселективные электроды. Такие электроды
можно погрузить в почву или ввести в растение непосредственно в поле и постоянно или периодически снимать показания как визуально, так и в автоматическом режиме.
Метод инфракрасной спектроскопии дает подробную характеристику
важнейших атомных групп и химических связей в неизменном образце почв
или биообъектов.
Возможность работать с ненарушенными образцами имеет значение по
двум причинам. Во-первых, при помощи этого приема мы получаем информацию об истинном состоянии почвы или растения и их компонентов, тогда как
при химическом анализе мы составляем лишь предположительное заключение
об объекте на основе данных о составе растворов. Во-вторых, именно такие методы позволяют осуществлять дистанционные измерения как при помощи постоянно погруженных в почву датчиков, так и путем измерения спектров отражения почв и растений при помощи приборов, установленных на самолётах или
искусственных спутниках. Однако не все инструментальные методы обладают
такими возможностями. Например, во время эмиссионного спектрального анализа проба полностью испаряется в пламени вольтовой дуги.
Особенности
отбора
и
подготовки
проб
для
анализа.
Отбор образца – важнейший этап процесса анализа почвы. На сегодняшний
день существуют два фактора отбора – количество взятых с поля образцов и
глубина, с которой они берутся. Традиционные схемы отбора образцов предполагают, что поле однородное, поэтому образцы почвы отбираются случайно, а
1
потом смешиваются в одну пробу. Именно эту, состоящую из нескольких образцов пробу анализируют в лабораториях. Однако на поле довольно часто
встречаются «отличные от других» участки: холмы, впадины, засоленности.
Поэтому подобный подход может привести к серьезным отклонениям. Чтобы
проанализировать разнородное поле, необходимо отобрать большое количество
образцов для получения среднего значения. И в этом случае анализ становится
похож на обычное упражнение по статистике и имеет ограниченную ценность
для агрономии, поскольку среднее значение для 40 и 60 равно 50, это же значение является средним для 0 и 100. По данным научных исследований, самый
практичный и эффективный размер выборки 15-20 образцов с поля вне зависимости от его размеров.
Методика отбора почвенных проб для анализа. Извлечение проб производится перед внесением удобрений в почву.
Количество проб зависит от выравненности рельефа, однородности по:
плодородию,
ранее
вносимым
удобрениям
и
предшественникам.
С одного поля (участка однородного по функциональной значимости) с помощью пробоотборника извлекается в среднем 16 проб. 4 пробы извлекаются по
периметру с разных сторон, остальные – по двум диагоналям поля через 100 –
200 м друг от друга. Глубина извлечения проб составляет 30 см (на глубину
пробоотборника).
В теплице количество проб на один смешанный образец может быть сокращено до 5 (с четырёх углов и один в центре), а глубина извлечения – не более 20 см.
Почва не должна быть переувлажненной. Извлечённые пробы с одного
участка помещаются в 1 пакет, что составляет 1 смешанный образец. Навеска
одного смешанного образца должна быть не менее 500 г.В пакет с образцом закладывается этикетка с указанием: даты, названия хозяйства, номера поля,
предшественника, планируемой культуры, ранее вносимых удобрений.
Глубина взятия проб. Основной принцип выбора соответствующей глубины отбора образцов – синоним третьего шага, т. е. корреляции и калибровки.
Необходимо всегда выбирать такую глубину, которая по определенному питательному веществу обеспечит наилучший баланс между выносом питательных
веществ (корреляция) и урожайностью (калибровка). Попытка применить один
«рецепт» ко всем параметрам отбора образцов почвы, к сожалению, приведет к
большому количеству ошибок и погрешностей.
Глубина отбора образцов для немобильных питательных веществ, в частности, Р, К, Сu, Zn, не должна быть большой – до 15 см, а для глубоко укореняющихся культур (например, сахарная свекла) – до 120 см. Специфичные
культуры, например сидеральные, картофель и другие, требуют особого метода
отбора образцов.
Инструменты, используемые для отбора проб почвы, должны быть изготовлены из материала, не содержащего определяемых элементов (твердая
пластмасса или другие полимеры, титан, углеродистая сталь). При отборе
проб почвы не следует употреблять оцинкованные ведра, медные изделия, эмалированные тары, окрашенные инструменты и детали, содержащие цветные
металлы или определяемые элементы. Точечные пробы, предназначенные для
2
определения тяжелых металлов, отбирают инструментом, не содержащим металлов. Перед отбором точечных проб стенку прикопки или поверхность керна
следует зачистить ножом из полиэтилена или полистирола, или пластмассовым
шпателем. Точечные пробы, предназначенные для определения летучих химических веществ, следует сразу поместить во флаконы или стеклянные банки с
притертыми пробками, заполнив их полностью до пробки.
Пробоотборник почвы "ППБ-К" (бур) предназначен для взятия проб почвы, грунта, донных отложений, кроме глинистых и каменистых почв. Пробоотборник может использоваться экологическими службами, геологами в повседневной работе, а также для отбора различных проб сыпучих веществ.
Пробоотборник почвы (бур) изготовлен из нержавеющей стали, и состоит
из наконечника с закаленным лезвием, разборных колен штанги (4 шт.), которая может удлиняться в зависимости от необходимой глубины взятия пробы
путем соединения стопорными винтами, и рукоятки для вращения пробоотборника. Пробоотборник в разобранном виде уложен в кейс (см. рисунок).
Технические характеристики пробоотборника почвы
Масса отбираемой единичной пробы почвы, около, г
Глубина 1-го отбора пробы, мм
Глубина отбора пробы буром, м
Масса, кг
Габариты кейса, мм
200
до 200
до 2
11,8
460*340*170
Проба отбирается вращением пробоотборника за рукоятки по часовой
стрелке с одновременным надавливанием. Пробоотборник режущей кромкой
направляет почву во внутренний цилиндр наконечника, высота которого составляет 200 мм, при этом отбирается около 200 г почвы. После отбора бур вытаскивается, почва ссыпается через прорезь наконечника ножом или деревянной палочкой в подготовленный пакет или емкость и далее продолжается бурение и отбор пробы почвы с последующей глубины или следующей точки.
Упаковка для проб может быть выполнена из полиэтиленовой пленки,
хлопчатобумажной ткани или кальки-восковки.
3
При дальнейшей обработке, транспортировке и хранении пробы не должны подвергаться воздействию атмосферных осадков и других источников вторичного загрязнения.
Взятие пробы растений для анализа. При отборе растений для анализа
следует добиваться того, чтобы взятые растения соответствовали среднему состоянию растений на данном участке поля. Если посев однороден, то можно
ограничиться одной пробой; если же имеются пятна лучше развитых или,
наоборот, хуже развитых растений, то с каждого из таких пятен берут отдельную пробу для выяснения причины измененного состояния растения. Содержание питательных веществ в хорошо развитых растениях может быть использовано в этом случае как показатель нормального состава данного вида растений.
При проведении анализов необходимо унифицировать технику взятия и подготовки образца: взятие одинаковых частей растения по ярусности, положению на
растении и по физиологическому возрасту.
Выбор части растения для анализа зависит от метода химической диагностики. Для получения достоверных данных необходимо брать пробы не менее
чем с десяти растений.
Пробы растений с выделением основной и побочной продукции отбирают
на тех же участках, что и пробы почвы, перед уборкой урожая. Для получения
объединенной пробы растений массой 1 кг натуральной влажности рекомендуется отбирать не менее 10 точечных проб. Точечные пробы отбираются с пробных площадок, иногда называемых рамками, закладываемых по маршруту отбора проб почвы, с типичным состоянием растений. В зависимости от вида
сельскохозяйственных культур размер пробных площадок может быть 0,5× 0,5;
1×1 м для культур сплошного сева или 1×2 м для пропашных культур (см. рисунок).
В полевых условиях наземную часть растений срезают острым ножом,
ножницами или серпом на высоте 3-5 см над поверхностью почвы, укладывают
в полиэтиленовую пленку или крафт-бумагу, вкладывают этикетку установленного образца. Разделение срезанных растений на основную и побочную продукцию проводят в лаборатории. При отборе проб корнеплодов и клубнеплодов
желательно их укладывать для транспортировки отдельно от ботвы.
Одновременно с отбором проб растительной продукции проводят визуальную оценку состояния посевов и отмечают наличие признаков угнетения
4
или поражения сельскохозяйственных культур. Отбор проб травы и зеленой
массы сельскохозяйственных культур проводят по ГОСТ 27262-87.
Пробоподготовка – это комплекс определённых действий над объектом
для подготовки пробы к последующему анализу.
Отбор и пробоподготовка являются ключевыми этапами анализа. Выбор
операции на стадии подготовки пробы зависит главным образом от решаемой
задачи, природы объекта и метода последующего определения. Правильный
выбор методов отбора и пробоподготовки обеспечивает получение надежных
результатов всего исследования. Погрешности, заложенные на стадиях отбора
проб и их подготовки, не поддаются устранению на последующих стадиях анализа. Ошибки и неточности на этой стадии аналитической процедуры могут
существенно ухудшить качество анализа, а в ряде случаев – сделать его результаты сомнительными и даже бессмысленными. Для качественной пробоподготовки используют специализированное оборудование.
Первичная подготовка почвы к анализу. Доставленные в лабораторию образцы необходимо быстро и квалифицированно подготовить к анализу и хранению. Почвенные образцы при подготовке к анализу доводят до воздушносухого состояния в сушильном шкафу при температуре 40-45 ºС и разламывают
на специальной мельнице. Небольшие количества почвы растирают вручную
пестиком в фарфоровой ступке. После размола почву просеивают через сито
диаметром 1 мм. При определении общего азота и гумуса перед размолом из
почвы удаляют растительные остатки.
Размол растений проводят в воздушно-сухом состоянии. Скорость размола увеличивается, если образцы предварительно подсушиваются в термостате.
Отсутствие в них гигроскопической влаги определяется визуально: хрупкие,
легко разламывающиеся в руках стебли и листья - наиболее пригодный материал для размола. Для размола объёмных образцов, весом более 30 г, используют
лабораторные мельницы (типа МРП-2), для размола небольших проб используют бытовые кофемолки. При очень малых количествах растительные пробы
измельчают в фарфоровой ступке с последующим пропусканием материала через сито. Измельчённый материал просеивается через сито. Диаметр отверстий
зависит от специфики анализа: от 1 мм до 0,25 мм. Часть материала, не прошедшая через сито, повторно измельчается на мельнице или в ступке. "Отброс"
растительного материала не допускается, так как это изменяет состав средней
пробы. При большом объёме размолотых образцов можно снизить объём, перейдя от средней лабораторной пробы к средней аналитической, вес последней
составляет 10-50 г, а для зерна не менее 100 г.
Хранить измельченные растительные пробы можно в бумажных пакетах
или алюминиевых бюксах. Регистрация проб растений в лабораторных журналах проводится аналогично почвенным образцам.
2. Классификация методов исследований
Среди различных методов исследований различают фотометрические
(фотоэлектроколориметрирование, спектрофотометрия); пламенную спектро5
фотометрию (пламенные фотометры и атомно-эмиссионный спектральный анализ,); атомно-абсорбционную фотометрию пламени; оптические методы (рефрактометрия и поляриметрия); потенциометрию; ИК-спектроскопию анализа
кормов и растений; рентгенофлуоресцентный метод анализа, нейтронноактивационный анализ и другие.
Рассмотрим наиболее часто встречаемые и применяемые методы. Некоторые из них представлены в презентационном материале более подробно.
Спектроскопические (оптические) методы основаны на взаимодействии
вещества с электромагнитным излучением.
По значению используемых длин волн различают следующие разновидности методов оптической спектроскопии:
- ультрафиолетовая (180-400 нм)
- спектроскопия в видимой области (400-700 нм)
- спектроскопия в ближней инфракрасной области (740-2500 нм или 4000-10000
см -1)
- инфракрасная спектроскопия в основной области (2500-20000 нм или 2004000 см-1).
Взаимодействие вещества с электромагнитным излучением сопровождается различными явлениями: испускание, поглощение, отражение, рассеяние,
вращение плоскости поляризации излучения.
a)
Методы, основанные на поглощении (абсорбции) веществом электромагнитного излучения (спектрофотометрия, фотометрия, атомно-абсорбционный
метод).
Спектрофотометрия. Источником света являются лампы накаливания с
непрерывным излучением. Приборы: одно- и двухлучевые. У двухлучевых
приборов излучение от источника разделяется на два потока. У однолучевых –
поток света проходит через рабочую кювету или кювету сравнения поочередно.
Спектроскопия в ближней ИК-области. ИК-спектры обусловлены колебательными движениями атомов в молекулах и их переходами из одного колебательного состояния в другое. Отражательная ИК-спектроскопия позволяет
определять влажность, золу, жир, белок, крахмал, клетчатку. Одним из ярких
представителей отечественного лабораторного оборудования такого поколения
является Инфралюм ФТ-10 – прибор Санкт-Петербургского объединения
«Люмэкс».
Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) - один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, то есть его элементный анализ.
С его помощью могут анализироваться различные элементы: от бериллия
(Be) до урана (U). Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия на исследуемый материал рентгеновским
излучением.
При облучении атом переходит в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом электронов на более высокие квантовые уровни. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние).
6
В качестве источника излучения могут использоваться как рентгеновские
трубки, так и изотопы каких-либо элементов. Поскольку каждая страна имеет
свои требования к ввозу и вывозу излучающих изотопов, в производстве рентгенофлуоресцентной техники в последнее время стараются использовать, как
правило, рентгеновскую трубку. Трубки могут быть как с родиевым так и с медным, молибденовым, серебряным или другим анодом. Для разных групп элементов используются различные значения силы тока и напряжения на трубке.
Для исследования лёгких элементов вполне достаточно установить напряжение
10 кВ, для средних 20-30 кВ, для тяжелых — 40-50 кВ.
Кроме того, при исследовании лёгких элементов большое влияние на
спектр оказывает атмосфера, поэтому камеру с образцом либо вакуумируют,
либо заполняют гелием. После возбуждения спектр регистрируется на специальном детекторе. Чем лучше спектральное разрешение детектора, тем точнее
он сможет отделять друг от друга фотоны от разных элементов, что в свою очередь скажется и на точности самого прибора.
После попадания на детектор фотоэлектрон преобразовывается в импульс
напряжения, который в свою очередь подсчитывается счётной электроникой и
наконец передается на компьютер.
По пикам полученного спектра можно качественно определить, какие
элементы присутствуют в образце. Для получения точного количественного содержания необходимо обработать полученный спектр с помощью специальной
программы калибровки (количественной градуировки прибора). Калибровочная
программа должна быть предварительно создана с использованием стандартных
образцов, чей элементный состав точно известен.
Упрощённо, при количественном анализе спектр неизвестного вещества
сравнивается со спектрами полученными при облучении стандартных образцов,
таким образом получается информация о количественном составе вещества.
Атомно-абсорбционный. Метод основан на явлении поглощения (абсорбции) резонансного излучения определяемого элемента атомным паром исследуемого вещества. Источники излучения: лампы с полым катодом из определяемого металла или его сплава (фактором точности определения является стабильность излучения лампы); безэлектродные лампы в виде баллона или шарика с соответствующим металлом и инертным газом, поддерживающим разряд в
лампе. Приборы ААС Предел обнаружения многих элементов очень высокий
(0,1-0,01 мкг/см3) и производительный, применим для массовых анализов. Используются стандартные образцы (ГСО), из которых готовят растворы с гарантированной концентрацией – 1000 мкг/см3. Возможно приготовление ст. растворов из окислов или солей металлов (Zn. Mn. Cu. Pb. Cd. Ni. Co. Fe. Cr).
b) Эмиссионные методы: способность вещества испускать электромагнитные
волны под действием дополнительной энергии (источника возбуждения):
фотометрия пламени, эмиссионный спектральный анализ, атомнофлуоресцентный, люминисцентный, индуктивно-связанной плазмой (ИСП).
Атомно-эмиссионная спектроскопия (спектрометрия), АЭС или атомноэмиссионный спектральный анализ — совокупность методов элементного анализа, основанных на изучении спектров испускания свободных атомов и ионов
в газовой фазе.
7
Обычно эмиссионные спектры регистрируют в наиболее удобной оптической области длин волн от ~200 до ~1000 нм. АЭС — способ определения элементного состава вещества по оптическим линейчатым спектрам излучения
атомов и ионов анализируемой пробы, возбуждаемым в источниках света.
В качестве источников света для атомно-эмиссионного анализа используют пламя горелки или различные виды плазмы, включая плазму электрической
искры или дуги, плазму лазерной искры, индуктивно-связанную плазму, тлеющий разряд и др.
АЭС — самый распространённый экспрессный высокочувствительный
метод идентификации и количественного определения элементов примесей в
газообразных, жидких и твердых веществах, в том числе и в высокочистых.
Он широко применяется в различных областях науки и техники для контроля промышленного производства, поисках и переработке полезных ископаемых, в биологических, медицинских и экологических исследованиях и т.д.
Важным достоинством АЭС по сравнению с другими оптическими спектральными, а также многими химическими и физико-химическими методами
анализа, являются возможности бесконтактного, экспрессного, одновременного
количественного определения большого числа элементов в широком интервале
концентраций с приемлемой точностью при использовании малой массы пробы.
Нейтронно-активационный анализ (НАА) является чувствительным многоэлементным аналитическим методом для качественного и количественного
анализа практически всех элементов.
НАА существенно отличается от других спектроскопических методов анализа в
том, что он основан не на электронных переходах, а на ядерных переходах.
Для проведения анализа НАА образец помещается в подходящий объект
облучения и бомбардируется нейтронами. НАА может обнаружить до 74 элементов в зависимости от экспериментальной процедуры.
6
−1
Минимальные пределы обнаружения от 0,1 до 1x10 нг г в зависимости
от элемента. Более тяжелые элементы имеют большее ядро, поэтому они имеют
большую площадь сечения захвата нейтрона и, скорее всего, будут активированы. Некоторые ядра могут захватывать нейтроны и остается относительно стабильным, не подвергаясь трансмутации или распаду в течение многих месяцев
или даже лет. Другие ядра мгновенно распадаются, и образуются только стабильные изотопы.
НАА может выполнять неразрушающий анализ твёрдых тел , жидкостей,
суспензий, растворов и газов при отсутствии или минимальной подготовки.
В связи с проникающим характером нейтронов и гамма-лучей, результирующая технология обеспечивает точный анализ объёма. Различные радиоизотопы имеют различные периоды полураспада, что может отложить подсчёт до
устранения помех.
До введения АЭС и гамма-излучения, НАА был стандартным аналитическим методом для выполнения многоэлементного анализа с минимальными
пределами обнаружения в субпромилльном диапазоне. Точность НАА находится в районе 5%, а относительная точность часто лучше, чем 0,1%.
Существует два недостатка использования НАА: техника остаётся радиоактивной в течение многих лет после первоначального анализа, это требует об8
работки и утилизации радиоактивного материала; сокращается ряд подходящих
для активации ядерных реакторов, что связано со снижением популярности этого метода и с возрастающей ценой на реакторы.
Метод сухого сжигания в высокотемпературной печи. Этот метод используют для определения органического и неорганического углерода, азота и
серы в почвах. Метод основан на сожжении пробы в токе кислорода и избирательной регистрации выделившихся окислов (углерода, азота и др.).
Динамический анализатор углерода основан на сожжении пробы в токе кислорода при программированном изменении температуры до 1000-1100°С и регистрации выделяющегося СО2. Анализатор азота в почве основан на модифицированном методе Люма, сожжение пробы производится в присутствии окислителя – окиси меди- при температуре 1000°С в высокочастотной индукционной
печи. Окислы азота восстанавливаются до N2, другие газы, мешающие определению N2,поглощаются, и количество N2 измеряется детектором по теплопроводности в токе газа-носителя - гелия.
Анализатор серы в почве использует сожжение пробы почвы (1-2 г) в токе кислорода при температуре 1300-1400°С и измерении количества выделившегося SO2 инфракрасным детектором. Никаких реактивов при анализе почв на
содержание C, N, S на данных приборах не требуется. Почвы готовятся по стандарту, анализ их производится в сухом виде.
c) Рефрактометрический метод анализа основан на изменении величины показателя преломления света при переходе из одной прозрачной среды в другую.
d) Поляриметрический – способность оптически активных веществ вращать
плоскость поляризации поляризованного луча света.
3. Лабораторные и экспрессные методы анализа почв и растений
Химическая экстракция и анализ. Выявленные в результате анализа почвы физические и химические характеристики – единственная фактическая информация. Часто возникают недоразумения из-за словосочетания «питательные
вещества в почве в доступном культуре количестве». Помните, при анализе
почвы тестовые лаборатории изучают среду, изучая разные ее качества в зависимости от экстрагирующего вещества. Используемое экстрагируемое вещество будет зависеть от свойств почвы и общего назначения анализа.
Экстрагирующие вещества для анализа почвы разрабатываются для извлечения доступных культурам форм питательных веществ. Используемый химический метод или метод обмена по идее соответствуют типам почвы в определенной области. Существует метод, использующий для извлечения «потенциально» доступных форм фосфора раствор слабой кислоты (НCl). Разумеется,
эффективность метода для почв, содержащих СаСОз, будет минимальной.
Бикарбонатный метод подходит для щелочных и сильнощелочных почв, содержащих различные уровни СаСОз. Словом, результаты, полученные при анализе
почвы по одному методу, нельзя просто умножить на фактор «поправки» и получить аналогичные результаты по другому методу. Следовательно, для получения правильной интерпретации результатов анализа почвы необходима калибровка каждого метода, основанная на приемлемости метода для данного ре9
гиона.
Общие свойства анализа почвы. К свойствам почвы относятся уровень
рН, наличие органического вещества, азот, фосфор, калий, сера и др.
рН почвы. Существует 11 различных способов определения уровня рН
почвы, которые зависят от соотношения почвы и экстрагирующего вещества.
Результаты по каждому из этих методов могут сильно отличаться. В любом
случае основание для интерпретации – результаты исследования, полученные
при помощи соответствующего метода.
Органическое вещество почвы. Существует несколько методов для определения органического вещества почвы. Их можно разделить на две группы –
химические методы и потеря веса при накаливании. Первый обычно базируется
на химическом окислении органического углерода почвы, второй – на помещении образца в печь и нагревании его до таких температур, при которых разрушается органический углерод (любой находящийся в почве неорганический углерод тоже будет разрушен).
Азот. Азот в почве определяется в виде почвенного нитрата N (NO3-N),
который растворяется в воде, а значит, несмотря на большое количество используемых экстрагирующих веществ, форма остается той же, поскольку все
экстрагирующие вещества делаются на основе воды.
Фосфор. Фосфор (Р) – питательное вещество, для определения доступных
форм которого используется наиболее разнообразная методология.
Калий. Лаборатории, проводящие анализы почвы, используют несколько
методов определения доступных форм калия (бикарбонат, модификации Келовна). Поэтому количества «доступного» калия оказываются аналогичными
тем, которые получают по стандартному методу с использованием ацетата аммония.
Сера. Сера обычно экстрагируется в соотношении 1:2 почвы к 0,01 М
СаCl2 и определяется или через колориметрию, или при использовании хлорбутилкаучука.
Качество результатов анализа зависит от двух составляющих: погрешности и точности. Погрешность – отклонение предполагаемого результата от истинного значения. Именно она указывает на точность результата. Точность –
воспроизводимость определенного тестового значения. Результаты могут отличаться, поскольку различные лаборатории используют разные методы экстракции, или возникают проблемы, связанные с погрешностью и/или точностью.
Корреляция и калибровка результатов. Питательное вещество считается
доступным, если его могут достать корни культуры. Существует ошибочное
мнение, что уровни питательных веществ, полученные при анализе почвы, и
являются теми «доступными» для растения питательными веществами. Анализ
почвы заключается в поиске таких форм питательных веществ, которые «потенциально» доступны корням культуры. Количество само по себе ничего не
значит. Очень часто цифрам, выраженным в промилле, кг/га, мг/100 г, приписываются значения, которыми они не обладают. Эти показатели приобретают
смысл только после калибровки по отношению к урожайности. Очень важно
понимать правила корреляции, поскольку не всегда изменения урожайности
культуры полностью зависят от уровня питательных веществ в почве. Необхо10
димо учитывать также условия окружающей среды, болезни растений, влияние
вредителей и т. д. При анализе обычно используют калибровочные данные, однако, те, которые подходят для одного региона, часто не подходят хозяйствам
другого региона. При отсутствии данных с поля некоторые лаборатории используют сведения о выносе питательных веществ культурами. Таким образом,
отпадает необходимость в базе данных по каждому региону, откуда приходят
образцы, и не учитываются агроклиматические условия, которые также влияют
на результаты анализа. Этот подход слабо применим в полузасушливых климатических зонах, где для разработки рекомендаций по внесению удобрения используются остаточные количества веществ в почве осенью.
Своевременное проведение диагностики питания сельскохозяйственных
культур позволяет рационально использовать удобрения, прогнозировать урожай, его качество и при необходимости вносить коррективы в систему минерального питания в течение всей вегетации растений.
Методы диагностики питания растений подразделяют на почвенные и
растительные. Химический анализ почвы – очень важный фактор для рационального использования удобрений, проводить его рекомендуется не реже одного раза в год по макроэлементам (азот, фосфор, калий, кальций, магний) и раз
в 5 лет по микроэлементам. До недавнего времени эту задачу могли выполнить
только специализированные агрохимические лаборатории. В настоящее время
использование современных портативных приборов позволяет в кратчайшие
сроки определять содержание питательных веществ в почве и рассчитывать потребность в удобрениях.
Например, специалисты Группы компаний «АгроПлюс» проводят анализ
почвы, по результатам которого выдаются рекомендации по подбору и корректировке доз удобрений. При проведении анализов используется современное
немецкое оборудование: аграрная мобильная лаборатория «Амола» (см. рисунок), c помощью спектрофотометра и наборов реактивов определяет точное содержание азота, фосфора, калия, кальция, магния, марганца, меди, цинка, железа, молибдена и других элементов в почвенной вытяжке.
Определение потребности растений в удобрениях позволяет эффективно их использовать, получать высокую окупаемость прибавками урожая,
предотвращать затраты на применение избыточных
доз удобрений, не допускать загрязнений окружающей среды.
Однако, даже на высоком питательном фоне
(NPK) в отдельные фазы роста и развития может проявляться голодание растений из-за недостаточного
снабжения их тем или иным элементом питания, особенно при нарушении баланса между элементами.
Для получения стабильных высоких урожаев с хорошими качественными показателями необходимо применять приёмы дополнительной подкормки. Особое значение в эффективности питания растений имеют микроэлементы. Недостаток микроэлементов вызывает нарушения углевод11
ного и азотного обмена, синтеза белковых веществ, снижает устойчивость растений к засухе, воздействию низких и высоких температур и к заболеваниям.
Для того чтобы растения получали оптимальную дозу именно тех элементов питания, которые им необходимы с учётом слагающихся экологических
факторов, очень важно своевременно провести растительную диагностику.
Использование только традиционных методов агрохимического анализа почв
не даёт возможности скорректировать питательный режим в зависимости от
фазы развития, вида и сорта растений, влажности и температуры почвы и воздуха и изменения ряда других факторов внешней среды. Доступность питательных веществ, содержащихся в почве, определяет само растение. Поэтому
одним из перспективных направлений оценки потребности растений в элементах питания является растительная диагностика, которая уточняет и дополняет
агрохимическую характеристику почв.
Одним из перспективных направлений оценки потребности растений в
элементах питания является анализ листьев растений, то есть растительная диагностика. Растительная диагностика, в свою очередь, включает визуальную,
химическую и функциональную. Визуальная диагностика является наиболее
простым методом, но для успешного её применения необходим большой практический опыт, кроме того, часто внешние признаки нарушений питания растений проявляются поздно, как следствие необратимых процессов и будущих потерь урожая и качества продукции. Химическая диагностика позволяет определить химический состав растений в данный момент. Однако иногда элемент питания накапливается не вследствие его необходимости для развития растения.
Наряду с традиционными агрохимическими методами анализа важную
роль в оптимизации питания культуры играет метод функциональной диагностики.
Функциональная диагностика питания растений относится к качественным методам анализа и позволяет определить не содержание того или иного
элемента питания, а потребность растения в нём. Метод функциональной диагностики позволяет в течение примерно одного часа определить потребность
растений в 14 макро- и микроэлементах питания и дать рекомендации по проведению корневых и некорневых подкормок. Это особенно важно при возделывании новых сортов и расширении ассортимента культур. ОАО «Буйский химический завод» в содружестве с российскими учеными разработал и предлагает
для аграриев портативную лабораторию
функциональной диагностики «Аквадонис» (см. рисунок).
Данный метод может использоваться для диагностики питания растений, как
на грунтах, так и на гидропонике. Экспрессность метода позволяет перед каждой подкормкой растений количественно
определить потребность в макро- и микроэлементах и скорректировать питание
12
растений для повышения продуктивности культуры.
Специалисты проводят экспресс-анализ по определению потребности
растений в элементах питания, используя мобильную лабораторию, которая
включает в себя портативный фотометр и весь необходимый набор лабораторной посуды, принадлежностей, химических реактивов, размещённых в удобном
контейнере. Мобильная лаборатория удобна и проста в использовании, таким
образом, каждый специалист хозяйства может в полевых условиях определять
целесообразность и дозы подкормок растений в процессе вегетации.
Острая потребность в экспресс-контроле азотного питания растений всегда актуальна в связи с необходимостью уточнения доз азотной подкормки зерновых культур. N-тестер – это портативный прибор, предназначенный для
определения уровня азотного питания растений по содержанию хлорофилла в
листьях непосредственно в поле, без использования вспомогательных средств.
Он позволяет следить за динамикой азотного питания сельскохозяйственных
культур в ходе их вегетации, оперативно определять необходимость в азотной
подкормке для рационального использования удобрений с целью получения
максимально возможных урожаев качественной продукции растениеводства.
Экспресс анализы незаменимы при большом количестве исследуемых
участков.
Одним из важнейших показателей почвы, который должен контролировать каждый агроном при выращивании сельскохозяйственных культур, является кислотность или уровень рН. Кислотность почвы непосредственно действует на корневую систему растений, на почвенные микроорганизмы, на усвояемость растениями элементов питания. Практически для всех растений оптимальный уровень рН находится в диапазоне рН 6,0 – 7,0, за исключением культур предпочитающих очень кислую почву (рододендрон, азалия, вереск, малина
и др.). Низкий уровень рН препятствует полному поглощению таких основных
макроэлементов, как фосфор и калий, завышенный уровень рН (щелочная реакция) блокирует потребление микроэлементов. Быстрое и точное определение
величины рН является совершенно необходимым элементом оптимизации питания растений в профессиональном растениеводстве.
В настоящее время сельхозтоваропроизводителям предлагается широкий
спектр услуг и приборов для экспресс-диагностики почв и растений.
Например, компания «АгроПлюс» предлагает сельхозпроизводителям
широкий ассортимент портативных приборов для измерения величины рН: рНметр полевой, рН 3000 профессиональный, combo pH и ЕС, рН-метр для растворов, индикаторная бумага на рН. Быстрые результаты измерений с помощью данных приборов позволяют своевременно вносить соответствующие корректировки. Например, очень низкие значения рН можно повысить известкованием, высокие значения рН снижаются путём внесения кислых удобрений.
Не менее важным показателем является содержание активных питательных солей в почве. Измерение «активности» солей в настоящее время широко
применяется как наиболее лёгкий, быстрый и надёжный способ контроля питания растений. Засолённость определяется концентрацией растворённых в почвенном растворе солей. В воде, растворах и суспензии эти соли полностью
свободны и мобильны, и их концентрация может быть определена путём изме13
рения электропроводности раствора. Поскольку элементы питания растений
представляют собой ионы солей, измерение количества «активных» солевых
ионов даёт немедленное представление о состоянии корневого питания растений.
В растворах величина электропроводности прямо коррелирует с концентрацией общих растворённых солей – чем выше концентрация солей, тем выше
величина электропроводности. В процессе управления питанием растений
необходимо постоянно контролировать величину электропроводности: питательных растворов, поливной воды, особенно в районах с повышенной засолённостью грунтовых вод, всех видов гидрокультур, почвенных и субстратных
вытяжек (проба почвы или субстрата перемешивается с дистиллированной водой в определённом соотношении и определяется концентрация солей в мг/л
почвы или субстрата).
ООО «АгроПлюс» в зависимости от заказа предлагает измерители активности солей (PNT 3000) совместно с электродами в картонных упаковках или в
прочных алюминиевых кейсах для перевозки и хранения, профессиональные
кондуктометры (ЕС 3000), недорогие карманные приборы для измерения электропроводности в питательных растворах, а также комбинированные приборы
для проведения четырёх различных измерений: кислотности, электропроводности, концентрации солей и температуры.
Подвижность или «активность» питательных солей и, соответственно,
доступность их растениям, зависит от плотности почвы, от её влажности и температуры. В уплотнённых почвах потребление растениями воды и питательных
веществ возможно только в ограниченных количествах. В таких почвах снижается скорость воздухообмена и минерализации азота. Пенетрометр является
простым и надёжным прибором для измерения плотности почвы. Прибор позволяет установить, на какой глубине находится плужная подошва, и позволяет
определить глубину рыхления.
Приборы, измеряющие влажность почв и субстратов незаменимы в условиях регулярного орошения и в закрытом грунте. Набор тензиометров различной длины (от 0,3 до 1м) позволяет измерять осмотическое давление влаги почвы или субстрата, по которой определяется её доступность для растений.
Измерительные приборы позволяют не только проводить диагностику минерального питания растений для соответствующих корректировок, но и подтверждать эффективность корректирующих подкормок, которые в большой
степени повышают качество сельскохозяйственной продукции. Так, например,
рефрактометр – прибор, позволяющий непосредственно в полевых условиях
быстро и легко определить содержание сахара в сахарной свекле, винограде и
других фруктах и овощах. Нитрачек 404 – прибор для определения содержания
нитратов в плодах и овощах.
Целый ряд портативных измерительных приборов и комплектов (в виде
алюминиевых кейсов), позволяет агрономам производить измерения непосредственно в полевых условиях и своевременно вносить соответствующие корректировки для оптимизации питания сельскохозяйственных культур с целью повышения их продуктивности.
14
Таким образом, экспресс-диагностика включает легкие, компактные и
дешевые устройства (средства) и соответствующие простые методики (инструкции) по их применению, использование которых позволяет значительно
сократить время на проведение химического анализа; обеспечить оперативный
контроль состояния почвы и растений и вовремя повлиять рост и развитие растений.
4. Применение спутникового зондирования для оценки состояния
фитоценозов и почв, хранения информации и мониторинга.
Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов, судов и
подводных лодок, наземных станций. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также
от природных особенностей местности, атмосферных условий и т.п. Главные
качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления
карт, - это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изучения труднодоступных территорий.
Съемки ведут в различных зонах спектра: видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой. При этом
снимки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже - для лучшей различимости некоторых объектов - ложноцветными, т.е. выполненными в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти
не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темнота
тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.
Главные достоинства аэроснимков, космических снимков и цифровых
данных, получаемых в ходе дистанционного зондирования, - их большая обзорность и одномоментностъ. Они покрывают обширные, в том числе труднодоступные, территории в один момент времени и в одинаковых физических
условиях. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное
изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их
структуру и связи. Очень важное достоинство - повторностъ съемок, т.е. фиксация состояния объектов в разные моменты времени и возможность прослеживания их динамики.
Составление оперативных карт - еще один важный вид использования
космических материалов. Для этого проводят быструю автоматическую обработку поступающих дистанционных данных и преобразование их в картографический формат. Наиболее известны оперативные метеорологические карты.
В оперативном режиме и даже в реальном масштабе времени можно составлять
карты лесных пожаров, наводнений, развития неблагоприятных экологических
ситуаций и других опасных природных явлений. Космофотокарты применяют
для слежения за созреванием сельскохозяйственных посевов и прогноза уро15
жая, наблюдения за становлением и сходом снежного покрова на обширных
пространствах и тому подобными ситуациями, сезонной динамикой морских
льдов.
Главнейшее значение для реализации программы создания службы мониторинга окружающей среды имеют дистанционные (аэрокосмические) средства
и методы.
Оперативное слежение и контроль за состоянием окружающей среды и
отдельных ее компонентов по материалам дистанционного зондирования и картам называют аэрокосмическим (дистанционным) мониторингом.
Иногда в это понятие включают слежение за средой с помощью приборов,
установленных в труднодоступных местах Земли (в горах, на Крайнем Севере),
показания которых передаются в центры наблюдения с помощью методов
дальней передачи информации (по радио, проводам, через спутники и т. п.).
Аэрокосмический мониторинг подразделяется на авиационный и космический.
Авиационный мониторинг осуществляют с самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов (включая парящие воздушные шары и т. п.), не поднимающихся на космические высоты (в основном из пределов тропосферы).
Космический мониторинг - мониторинг с помощью космических средств
наблюдения. Авиационный мониторинг ориентирован на региональные или локальные явления. Например, он широко используется при инвентаризации лесов, выявлении площадей, пораженных пожарами, промышленными загрязнения, вредителями. Космический мониторинг позволяет составить представление об отдельных изменениях в биосфере, которые при других методах не выявляются.
Первый экологический искусственный спутник земли (ИСЗ) «Космос1906» был запущен в конце 1987 г. Программа полета ИСЗ предусматривает
получение и обработку данных дистанционного зондирования Земли, выполнения съемок ряда территории СНГ, Антарктиды и Мирового океана. На основе
космической информации ведутся планомерные широкомасштабные исследования природных ресурсов, ОС, изучаются результаты воздействия на нее хозяйственной деятельности.
Спутник мгновенно может обеспечить съемку от 8 до 40 тыс. км 2 земной
поверхности, а за 10 мин работы - около 1 млн. км2 . Такой огромный объем
информации обрабатывается, естественно, с применением ЭВМ. С помощью
спутниковых данных изучают изменение границы тундры и лесотундры (это
характеризует динамику глобального потепления), динамику и состояние лесов,
определяют очаги распространения вредителей сельскохозяйственных культур,
отслеживают динамику растительности. В настоящее время в народном хозяйстве по материалам космических съемок решается около 300 различных задач,
и перечень их продолжает расти.
Так как мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или
явлением, но также его оценку, прогноз распространения и развития, а кроме
того - разработку системы мер по предотвращению опасных последствий или
поддержанию благоприятных тенденций, оперативное картографирование становится средством контроля за развитием явлений и процессов и обеспечивает
принятие управленческих решений. Картографический метод создания гло16
бальной системы мониторинга предполагает развертывание paбот при обследовании и изучении любой территории в двух основных наравлениях:
1.Создание базовой инвентаризационной картографической документации, отражающей современное состояние и оценку природных ресурсов;
2.Картографирование динамики изменений природной среды, предусматривающее обновление инвентаризационных карт, создание специальных карт
динамики и прогноза, т. е. систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и ее изменениями, обусловленными хозяйственной
деятельностью людей.
Масштабы картографического представления и периодичность составления оперативных тематических карт мониторинга во многом зависят от характера использования земель и степени развития природно-территориального
комплекса.
Масштабы и периодичность карт мониторинга природной среды в различных регионах приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Масштабы и периодичность составления
оперативных карт мониторинга природной среды в различных регионах
Использование Степень развития территориальноземель
производственного комплекса
Интенсивное
Развитие со сложной инфраструктурой
Развивающиеся
Формирующиеся
Экстенсивное
Слабая, но природнотерриториальные комплексы высоко динамичные
Слабая
Отсутствует (природоохранные
зоны)
Масштаб
карт
Период
составления
карт
1:200 000 и Ежегодно
крупнее
1:200 000
1…3 года
1:500 000
1:200 000
3…5 лет
1:500 000
1:200 000
1…3 года
1:500 000
1:1000 000
1:200 000
1:500 000
5..7 лет
более
1…3 года
и
Структура космической системы изучения ПРЗ состоит из 4 основных
подсистем: получения космической информации; получения дополнительной
дистанционной информации; сбора и хранения информации; обработки информации .
Подсистема получения космической информации включает: космические
носители измерительной аппаратуры; измерительную аппаратуру, устанавливаемую на космических носителях; аппаратуру, передающую полученную
информацию на Землю (на пункты приема информации - ППИ) в подсистему
сбора информации.
17
Данные, полученные с помощью космической измерительной подсистемы, содержат для каждого отдельного элемента природного объекта информацию о его состоянии. Эти данные передаются на пункты приема информации и оттуда в банк данных подсистемы сбора информации на хранение.
Подсистема получения дополнительной дистанционной информации объединяет средства и методы получения дистанционной информации о
природных и антропогенно измененных объектах, осуществляемых в основном
в пределах тропосферы.
В эту подсистему включены: авиационные средства (самолетылаборатории и вертолеты); суда-лаборатории, буйковые станции, наземные передвижные лаборатории, установленная на этих носителях измерительная аппаратура, установленная на них аппаратура, передающая получаемую информацию на пункт приема информации.
В структуру космической системы изучения природной среды Земли и
Мирового океана в подсистему получения дополнительной информации включены также научно-исследовательские суда-лаборатории, буйковые станции и
наземные передвижные лаборатории.
В состав судов-лабораторий входят научно-исследовательские суда, экспедиционные суда, морские, озерные и речные суда, специально построенные
или перестроенные из другого типа судов для комплексных исследований и для
проведения различных специальных исследований (геофизических, гидробиологических и др.) в толще водных масс, морского дна, атмосферы и космического пространства.
Так, на борту научно-исследовательского судна космической службы
«Космонавт Юрий Гагарин» имеется 110 научных лабораторий.
Буйковые станции (автоматические станции) снабжены специальной аппаратурой для получения определенных типов информации через спутники на пункты
приема информации, космической системы изучения природных ресурсов.
Наземные передвижные лаборатории позволяют получать достоверные и точные данные о природных объектах, процессах и данные на локальных участках
земной поверхности. Наземные измерения выполняют синхронно космическими и авиационными измерениями точно в момент прохождения космических
аппаратов и авиасредств над данной точкой.
Наземные измерения служат базой для проведения необходимых методических работ, связанных с проблемой идентификации природных ресурсов и
изучения их свойств на основе сопоставления и корреляции различных данных
дистанционного зондирования с данными непосредственных наземных измерений.
Все вышесказанное относится к измерениям, выполняемым судамилабораториями и автоматическими буйковыми станциями.
Основные требования, предъявляемые к измерениям (данным), получаемым в подсистемах космической и дополнительной дистанционной информации:
- синхронность получения всех видов информации;
- метрологическое единство всех видов измерений;
18
- репрезентативность наземных и измерений с самолета относительно
территорий, охватываемых космической съемкой;
- сопоставимость масштабов и разрешающей способности всех видов измерений;
- оперативность доставки информации с самолета и наземной в пункты
приема и обработки космической информации.
Репрезентативность в статистике - главное свойство выборочной совокупности, состоящее в близости ее характеристик (состава, средних величин и
др.) к соответствующим характеристикам генеральной совокупности, из которой отобрана выборочная.
Подсистема сбора и хранения информации формирует банк данных
огромного и постоянно меняющегося объема различного вида информации. Задачи этой подсистемы - формирование, хранение и управление базой данных,
нахождение необходимой для определенных конкретных целей информации и
оперативная передача ее в блок подсистемы обработки информации.
База данных должна содержать:
1.Разновременные и разномасштабные материалы космических и аэрофотосъемок;
2.Характеристики измерительной аппаратуры;
3.Результаты наземных (натурных) измерений (выполненных синхронно с
космическими съемками) параметров состояния природной среды в отдельных
пунктах земной поверхности;
4.Разновременные и разномасштабные картографические материалы (топографические и специальные тематические карты);
5.Статистические и другие данные.
Эта структура (сбора, хранения, управления базой данных) подсистемы
должна обеспечить оперативный обмен информацией между ее частями и доступ к ней подсистемы обработки информации.
Подсистема обработки информации заключается в оперативной обработке полученной из банка данных информации и выдаче результатов обработки в
виде картографических материалов в требуемом масштабе.
Лекция 2. Почва как объект исследований (4 часа).
1. Значение анализа почвы.
2. Методы определения физических и физико-механических свойств почвы.
3. Методы определения химических показателей и органического вещества
почвы.
4. Определение вредного влияния сорной растительности.
1. Значение анализа почвы.
Перед поиском информации и определении цели и задач исследований
необходимо (см. рисунок):
1. Обозначить исследуемую проблему (центральный овал).
19
2. Указать факторы, от которых зависит ее решение (овалы второго уровня).
3. Детализация информации о факторах (овалы третьего уровня).
Почву можно рассматривать как сложную химическую систему, изучение
свойств которой проводят на разных уровнях. Почву изучают как природное
образование, состоящее из атомов различных химических элементов, и в процессе исследования определяют их содержание. Это атомный или элементный
уровень изучения состава почв. В то же время почвоведы ставят перед собой
более сложные задачи и изучают состав почв на более высоких уровнях (ионном, молекулярном и пр.).
Почва — сложный объект исследования. Сложность исследования химического состояния почв обусловлена особенностями их химических свойств и
связана с необходимостью получения информации, адекватно отражающей
свойства нативных почв и обеспечивающей наиболее рациональное решение
как теоретических вопросов почвоведения, так и вопросов практического использования почв.
Анализ почвы определяет те составные части почвы, которыми обусловливается ее плодородие. Последнее зависит от способности почвы доставлять
растениям питательные вещества в усвояемом виде. Анализ почвы может дать
указания, имеются ли в почве эти питательные вещества, или выяснить отношение почвы к воде и воздуху, а именно гранулометрический анализ. Для анализа и практических результатов значение имеет выбор образца исследуемой
почвы. Необходима, прежде всего, определенная степень однородности исследуемой почвы в отношении ряда существенных признаков, каковы: мощность
верхнего перегнойного слоя, структура, гранулометрический состав, а также
свойства подпочвы и топография местности (равнина, склоны, низменность или
возвышенность).
20
Для взятия образца исследуемую площадь разделяют на участки и затем
берут либо средний образец, т.е. смешивают образцы, взятые с каждого участка, либо производят исследования каждого образца отдельно. Последний способ предпочтительнее.
Выемка образца производится по определенным правилам так, чтобы были захвачены все слои почвы. Образцы складывают или в особые цинковые
ящики или в мешочки из плотной ткани.
Химический анализ почвы проводят или частичный, для определения
только некоторых веществ, или полный, выясняющий общий состав почвы.
Действуя на почву различного рода растворителями, получают вытяжки. В качестве экстрагирующих растворов употребляются: дистиллированная вода; вода, содержащая углекислоту; соляная, лимонная, серная и фтористоводородная
кислоты. Работа с последней, в виду ее чрезвычайной ядовитости, производится
в вытяжном шкафу. Так как большая часть веществ, необходимых для питания
растений (кальций, магний, железо, серная и угольная кислоты), находится
обычно в достаточном количестве в почве, то практическое значение имеет,
определение фосфорной кислоты, калия и азота.
Для получения вытяжек пользуются преимущественно соляной кислотой
различных концентраций и температуры. Что касается общего азота, то определение его производится посредством серной кислоты, под действием которой
органические вещества почвы окисляются в аммиак. Для определения количества азота в аммиачной соли пользуются разложением, причем выделяется свободный азот, измеряемый особым аппаратом—азотометром.
Гранулометрический анализ устанавливает содержание в почве частиц
различной крупности, механических элементов почвы: камней, хрящей, песка.
Наиболее крупные частицы почвы (до 0,25 мм в диаметре) определяются просеиванием через сито, мелкие частицы почвы (до 0,001 мм)— при помощи особого прибора для отмучивання. Перед механическим анализом почва должна
быть лишена своей структуры.
Гранулометрический анализ почвы настолько неразрывно связан с химическим анализом почвы, что для производственных исследований один вид
анализа без одновременного другого не имеет значения. Для осуществления основной производственной задачи сельского хозяйства—создания органического
вещества, необходимо, чтобы в распоряжении растений был определенный запас зольных элементов. Этот запас должен находиться в почве, так как растения могут усвоить его только при помощи корней. В состав «зольной пищи»
растений должны обязательно входить следующие семь элементов: фосфор, сера, калий, натрий, магний, кальций и железо.
Еще один из элементов, слагающих органическое вещество, азот—также
усваивается растениями через почву в виде солей азотной кислоты, нитритов.
Современное состояние наших знаний в области химии дает нам возможность осуществить только химический анализ почвы, то есть определить общее
количественное содержание каждого элемента, входящего в состав почвы. Попытки определения количественного содержания отдельных форм (усвояемой и
неусвояемой) одного и того же зольного элемента и азота до сих пор не дали
достаточно удовлетворительных результатов. Даже самые точные и неоспори21
мые сведения о количестве различных форм, усвояемой и неусвояемой, одного
и того же питательного вещества могут оказаться бесполезными для производственных целей, так как эти формы находятся в состоянии беспрерывно меняющегося подвижного равновесия. Поэтому нам практически важнее получить
от анализа почвы, кроме указаний на валовое содержание в почве элементов
пищи растений, еще указания на то, насколько быстро и полно могут в данной
почве совершаться переходы элементов пищи растений из одной формы или
состояния в другое.
Оценивая внешние условия развития растений, определяемые условиями
погоды, можно регулировать и управлять производственными операциями (обработка почвы, посев растений, севооборот и так далее).
2. Методы определения физических и физико-механических
свойств почвы.
Знание физических свойств почвы необходимо для успешного выращивания сельскохозяйственных растений, а также для изучения генезиса почв.
Наиболее тесный контакт физика почвы как наука имеет с земледелием и мелиорацией, основной задачей которых является временное и коренное улучшение,
главным образом, физических свойств почвы для практических целей сельскохозяйственного производства. Так, при разработке агротехники различных
культур по зонам основными показателями являются физические свойства почв
данной зоны. В зоне недостаточного увлажнения положительную оценку получают те приемы, которые будут способствовать накоплению и сохранению влаги в почве, и, наоборот, в условиях избыточного увлажнения мелиоративные и
агротехнические мероприятия должны быть направлены в сторону уменьшения
влажности почвы, увеличения ее аэрации.
Оптимальными физическими свойствами и режимами (водным, воздушным и тепловым) следует считать такие, при которых можно получить максимальный урожай культивируемого растения на данной почве при полной обеспеченности ее элементами питания.
Методы определения физических свойств почв. Физические свойства
определяются по ГОСТ 17.4.3.06-86.
Влажность почвы определяется весовым методом по ГОСТ 28268-89
Почва. Методы определения влажности, максимальной гигроскопической
влажности и влажности устойчивого завядания растений.
Пробы почвы для определения влажности весовым методом берут специальными бурами отдельно для каждого исследуемого слоя в трехкратной повторности.
Бур погружают в почву до соответствующей метки, обозначающей данную
глубину. Затем бур осторожно вынимают. Взятую пробу почвы высыпают в алюминиевую чашку, быстро перемешивают и ложкой или лопаткой берут из разных
мест небольшие порции почвы, которые помещают в заранее взвешенные с точностью до 0,01 г алюминиевые стаканчики и плотно закрывают их крышками. Стаканчик с почвой ставят в сушильный шкаф в открытом виде, где почва сушится
22
при температуре 105 °С до постоянного веса. Первый раз почву взвешивают после
6-часовой сушки и охлаждения закрытого стаканчика с почвой в эксикаторе. Затем
почву вновь сушат в течение двух часов и снова взвешивают. Высушкивание прекращают при достижении постоянного веса. Разница в весе стаканчика с почвой
до сушки и после сушки означает количество воды, содержащейся в навеске почвы.
Аппаратура: бур для взятия пробы в поле, стаканчики алюминиевые, весы
лабораторные, ложка, эксикатор с хлористым кальцием, сушильный шкаф. Форма
записи и расчета приводится в таблице 2.
Таблица 2 – Форма записи и расчета определения влажности почвы
Глубина
отбора,
см
1
№
бюкса
2
Масса
пустого
бюкса, г
(А)
3
Масса
бюкса с
почвой
до высушивания,
Г
(Б)
4
Масса
бюкса с
почвой
после высушивания,
Г
(В)
5
Масса
испарившейся
влаги,
Г
(Г=Б-В)
6
Масса
абсолютно
сухой
почвы,
г
(Д=В-А)
Влажность
почвы
%
средняя,
%
7
8
9
Продуктивная
влага,
мм
10
Определение структуры почвы. Подготовка почвы к анализу. С исследуемого участка берут образец почвы и доводят его до воздушно-сухого состояния.
2,5 кг такой почвы просеиванием через набор сит разделяют на фракции с
диаметром комков: более 10 мм; 10-5; 5-3; 3-2; 2-1; 1-0,5; 0,5; 0,25 мм и менее 0,25
мм. На нижнее сито надевают дно. Верхнее сито закрывают крышкой для предохранения почвы от потерь при просеивании. Для большей точности и единообразия просеивания применяют механический стол. На нем закрепляют набор сит. С
помощью ручки могут быть соблюдены при просеивании одинаковая скорость и
число качаний набора сит.
После сухого просеивания почвенной фракции с каждого сита взвешивают,
вычисляют процент комков по каждой фракции, принимая за 100 % всю навеску в
2,5 кг.
Среднюю пробу для определения водопрочности составляют весом 50 г. Для
этого с каждого сита берут навеску, численно равную половине процентного содержания фракции. Средние пробы берут в двух и более повторностях. Чтобы,
нижнее сито не забивалось при мокром просеивании среднего образца почвы, рекомендуется фракцию пылеватых частичек (мельче 0,25 мм в диаметре) в пробу не
брать, хотя при дальнейших расчетах ее учитывают.
Размывание почвы. Подготовленную среднюю пробу почвы всыпают через
широкогорлую воронку в литровый цилиндр, наполненный почти доверху водой.
Помещенную в цилиндр пробу оставляют в покое на 10 минут. Это необходимо
для того, чтобы из почвенной пробы вышел весь воздух, который при дальнейших
операциях может механически разрушать комки. Для более полного удаления воздуха через 1 - 2 минуты после переноса пробы почвы в цилиндр последний доливают доверху водой, затем закрывают часовым стеклом, быстро наклоняют до горизонтального положения и ставят опять вертикально. После этого из почвы выходят мелкие пузырьки воздуха. Через 10 минут, когда воздух будет удален, ци23
линдр прикрывают толстым прошлифованным стеклом так, чтобы в цилиндре не
оставалось пузырьков воздуха, быстро переворачивают вверх дном и удерживают
в таком положении до тех пор, пока главная масса отдельностей почвы не переместится вниз. Затем цилиндр переворачивают обратно. Опять ждут осаждения почвы на дно. Так делают 10 полных оборотов. При этом комки диаметром более 10
мм и все непрочные комки распадаются на составные части.
Просеивание почвы в воде. Берут набор из пяти сит диаметром 20 см, высотой 3 см с отверстиями диаметром 0,25; 1; 2; 3; 5 мм. Сита помещают в широкую
цилиндрическую ванну, наполненную водой так, чтобы над бортом верхнего сита
находился слой в 5 - 6 см.
Придерживая стекло, цилиндр быстро опрокидывают и погружают в воду.
Стекло, закрывающее цилиндр, отнимают под водой над верхним ситом. Почва
проходит через слой воды и падает на верхнее сито набора. Чтобы почва равномерно распределялась на поверхности сита, цилиндр плавно водят над ситами, не
вынимая из воды.
Для того, чтобы почвенные комочки не задержались на крутых плечиках цилиндра, его надо наклонять в разные стороны.
Через 40 - 50 секунд, когда все отдельности почвы диаметром крупнее 0,25
мм упадут на сито, цилиндр закрывают под водой стеклом, вынимают из воды и
оставляют.
Просеивание проводят так. Набор сит поднимают на 5 - 6 см, не вынимая
верхнего сита из воды. Быстрым отрывистым движением сито опускают вниз, в
этом положении оставляют 2 - 3 секунды, пока комки, поднявшиеся благодаря
инерции над ситами, не упадут вновь на сита и не просеиваются через них. Затем
набор сит снова медленно поднимают и быстро опускают. После таких десяти
встряхиваний верхние сита с отверстиями диаметром 2 - 3 мм и более, освобожденные от мелких комков, снимают, а нижние дополнительно встряхивают пять
раз.
Учет водопрочных комков. Оставшиеся на ситах после купания комки смывают струей воды из промывалки в большие фарфоровые или алюминиевые чашки. Избыток воды после осветления из чашек сливают. Почвенные комки переносят в заранее взвешенные и пронумерованные маленькие чашки. После оседания
почвы воду из чашек удаляют. Чашки ставят на водяную баню, воду выпаривают,
а остаток доводят до воздушно-сухого состояния и взвешивают. Для каждой фракции вычисляют процентное содержание водопрочных комков. Для этого вес каждой фракции комочков умножают на два. Процент частичек диаметром менее 0,25
мм определяют вычитанием из 100 суммы процентов более крупных фракций.
Расхождения в параллельных анализах по прочным комкам почвы одного и того
же диаметра были в пределах 3-4 %.
Аппаратура и материалы: набор сит с отверстиями диаметром 10; 5; 3; 2; 1;
0,5; 0,25 мм с поддонником и крышкой, ванна или бачок диаметром 60 см и высотой 30-35 см; литровый цилиндр диаметром 7 см и высотой 45 см и шлифованным
рантом, стеклом и пробкой; фарфоровые или алюминиевые чашки большие и малые; весы с разновесами; водяная баня; сушильный шкаф; промывалка.
Запись производится по форме таблицы 3.
24
Таблица 3 – Определение структуры почвы
Название почвы __________________________________________________
Место взятия образца ______________________________________________
Дата ______________ Взято почвы для сухого просеивания _____________ г
Просеивание воздушно-сухой почвы
Величичашки
масса
чистая содержана
фарфоро- чашки с
масса ние агречастивые
агрегата- агрегагатов,
чек,
ми,
г
тов,
%
масса
мм
%
№ тары, г
Крупнее
10
Взято для
мокрого
просеивания,
%
После просеивания в воде
чашки
масса
чистая содержафарфоро- чашки с
масса ние агревые
агрегата- агрегагатов,
ми,
тов,
%
масса
г
г
№ тары, г
От 10 до
5
от 5 до 3
от 3 до 2
от 2 до 1
от 1 до
0,5
от 0,5 до
0,25
менее
0,25
Всего:
Определение плотности почвы. Подготовка к взятию почвенных проб в полевых условиях. Для определения плотности почвы пробы с соответствующей
глубины. Отвесную стенку почвенного разреза зачищают и на ней выделяют слой
и генетические горизонты; из которых берут почвенные пробы. При однородности
почвенной среды определение делают в трех повторностях.
Техника взятия почвенных проб. Почвенные пробы берут буром. Емкость
такого бура может быть 50, 100, 200, 500 и 1000 см3. Малый бур удобен тем, что
весь образец почвы вмешается в алюминиевый стаканчик, в котором и высушивается. Пробы большого объема более точно отражают строение и объемную массу
почвы.
При погружении бура в почву следует добиваться перпендикулярного вдавливания его и избегать прессования почвы при окончании вдавливания. В некоторых случаях бур вгоняют в почву ударами деревянного молотка. При этом для
лучшего вдавливания бура на него надевают массивную крышку для оголовок
(иногда с ручками). Поверх оголовка кладут дощечку. Бур вгоняют в почву так,
чтобы верхняя часть его была вдавлена на 1-1,5 см глубже поверхности почвы.
Когда все буры вдавлены в почву, их аккуратно откапывают лопаткой и потом срезают лишнюю почву вровень с краями. Буры очищают от приставшей поч25
вы, закрывают крючками и взвешивают на месте, в поле. Затем образец почвы завертывают в плотную бумагу и доставляют в лабораторию для определения влажности. Если имеется возможность, можно взять почвенные пробы на влажность
непосредственно в поле.
Ход определения. Перенесенную и взвешенную в алюминиевых стаканчиках
почву высушивают, в термостате при температуре 105 °С до постоянного веса. Вес
взятой пробы до высушивания и абсолютно сухой почвы в стаканчике после сушки позволяет сделать перерасчет на вес абсолютно сухой почвы в объеме всего бура. Объем взятого образца почвы рассчитывают умножением площади режущей
части бура на его высоту. Деление массы абсолютно сухой почвы бура на объем
образца дает объемную массу.
Оборудование и материалы: железная лопата, железный нож, буры для взятия образца почвы, крышки или наголовки буриков; линейка для измерения диаметра и высоты бура; алюминиевые стаканчики; весы с разновесами; плотная
оберточная бумага; этикетки; сушильный шкаф.
Записи и расчеты ведут по форме, представленной в таблице 4.
Таблица 4 – Определение плотности почвы
№
образца
Глубина,
см
Повторность
Номер
кольца
Масса
пустого
кольца, г
(А)
Масса
кольца с
почвой, г
(Б)
Влажность
почвы,
% (W)
Масса
влажной
почвы,
г (В)
Масса
абсолютно сухой
почвы, г
Объем
кольца,
см3
Плотность
почвы,
г/см3
К физико-механическим свойствам относятся пластичность, липкость,
набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке. Физико-механические свойства активно воздействуют на рост и развитие растений,
например, прорастание семян, распространение корней растений в глубину и
ширину. Они оказывают большое влияние на почвообрабатывающие орудия.
Пластичность - способность почвы изменять свою форму под влиянием
внешней силы без нарушения целостности и сохранять нужную форму после
устранения действия этой силы. Пластичность проявляется только во влажном
состоянии почвы. При сухом и избыточном увлажнении она практически не
проявляется. Пластичность зависит от механического состава и определяется
содержанием тяжелых глинистых частичек в почвенной толще. Определение
механического состава полевыми методами (влажный способ) проводится по
оценке пластичности. Химический состав также в значительной мере влияет на
пластичность. Обогащение почв гидроксидами железа и алюминия — А1(ОН)3,
Fе(ОН)3, насыщение ионами натрия ППК увеличивает пластичность почв. Пластичность характеризуется числом, которое представляет разность между
влажностью почвы при верхнем и нижнем пределах пластичности. Чем больше
26
число пластичности, тем пластичнее почва. По этому показателю выделяют четыре категории почв:
– высокопластичные >17;
– пластичные — 7-17;
– слабопластичные <7;
– непластичные — 0.
Существуют различные методы определения пределов пластичности:
1) методы для определения верхнего предела пластичности с помощью
конуса и нижнего предела по влажности на границе раскатывания грунта в
шнур (ГОСТ 5183—64 и ГОСТ 5184—64);
2) конусные методы для определения верхнего и нижнего пределов пластичности.
Конусные методы позволяют определить предельное напряжение сдвига.
Величина предельного напряжения сдвига не зависит от нагрузки на конус и
угла при вершине конуса.
Для определения пределов пластичности рекомендуется использовать
пластометр Ребиндера, конус Бойченко и др.
Наиболее распространенными являются классификации связных грунтов
по числу пластичности и показателю консистенции согласно СНиП П-Б.1-62.
Показатели пластичности и естественной влажности характеризуют консистенцию грунта.
По показателю консистенции связные грунты классифицируют следующим образом:
Супеси: твердые, пластичные, текучие.
Суглинки и глины: твердые, полутвердые, тугопластичные, мягкопластичные, текучепластичные, текучие.
Липкость — свойство влажной почвы прилипать к другим телам. Количественно этот параметр характеризуется нагрузкой (в г/см2), требующейся для
отрыва металлической пластинки от влажной почвы. В результате прилипания
почвы к рабочим частям машин и сельскохозяйственным орудиям увеличивается их тяговое сопротивление, ухудшается качество обработки почвы, повышается расход горючего. Липкость может изменяться в широких пределах (таблица 5) и зависит от химического состава почвы, особенно от состава поглощенных катионов. Так, при увеличении насыщенности почвы основаниями, т. е.
возрастании в ППК Са2+ и Мg2+, происходит снижение липкости и, наоборот,
при увеличении содержания Nа+ липкость возрастает.
Таблица 5 - Категории липкости почв (по Н.А. Качинскому)
Липкость, г/см2
Предельная
Сильновязкая
Средневязкая
Слабовязкая
Состояние почвы
>15
5-15
2-5
0,5-2
27
Рассыпчатая
0,1-0,5
Для определения липкости грунтов и почв используется прибор ПЛГ-Ф, который предназначен для определения липкости грунтов и почв в лабораторных
условиях по методике В. В. Охотина (см. ).
Набухание — увеличение объема почвы при
увлажнении. Обусловлено поглощением воды почвенными коллоидами. Выражается в объемных % к исходному образцу.
Усадка — сокращение объема почвы при высыхании.
При определении набухания грунта с нарушенной
структурой образец готовят следующим образом. Грунт, высушенный на воздухе, размельчают в фарфоровой чашке пестиком, просеивают через сито № 05
на лист бумаги. Просеянный грунт ссыпают в фарфоровую чашку, заливают
водой и доводят до консистенции, обеспечивающей неприлипание к рукам при
раскатывании. Из приготовленного теста кольцом вырезают образец точно так
же, как из монолита. После отбора пробы грунта кольцо тщательно очищают от
приставших к нему снаружи частиц грунта и взвешивают на технических весах.
Прибор изображен на рисунке.
Прибор для определения набухания грунта
1 - индикатор;
2 - режущее кольцо;
3 - перфорированный диск;
4 - поршень;
5 - соединительная скоба;
6 – ванночка
Затем кольцо с грунтом ставят в углубление перфорированного диска (3),
на дно которого предварительно кладут смоченный водой фильтр. На поверхность грунта кладут второй бумажный фильтр и устанавливают поршень (4).
Соединительную скобу (5) винтами крепят к диску (3).Затем устанавливают
28
индикатор (1) так, чтобы его ножка касалась головки поршня. Установленный
индикатор закрепляют винтом. Собранный прибор устанавливает на дно ванночки (6) и записывают показание индикатора (нулевой отсчет). Ванночку заполняют водой и отмечают, время заливки. Следя за показаниями индикатора,
записывают их в таблицу через 10, 20, 30мин, 1, 2 часа от начала опыта, а затем
через 24 часа. Опыт считается законченным, если приращение показания индикатора не превышает 0,02 мм/сут.
Связность почвы — способность противодействовать внешнему усилию,
стремящемуся разъединить частицы почвы. Степень связности определяется
силой взаимодействия между механическими элементами почвы и зависит от
механического, минералогического и химического состава, а также влажности
почвы. Связность в значительной мере определяет твердость почвы.
Твердость почвы — способность почвы сопротивляться сжатию и расклиниванию. Это свойство почвы количественно выражается в кг/см2. Высокая
твердость почвы и даже ее отдельных горизонтов неблагоприятно влияет на
рост корневых систем растений, особенно плодовых и ягодных культур, указывает на плохие в агрономическом плане водно-физические свойства, увеличивает затраты энергии на обработку почв. С уменьшением влажности твердость
почвы возрастает. Присутствие Са2+ и Мg2+ в ППК способствует уменьшению
твердости в 10-15 раз по сравнению с таковой в солонцовых горизонтах. Механический состав в значительной мере влияет на твердость почвы. Так, глинистые почвы имеют максимальную твердость на раздавливание — 150-180
кг/см2. Твердость почвы определяет такое важное в технологическом плане
свойство, как удельное сопротивление при обработке.
Существует очень много приборов для определения твердости почвы, они
называются твердомерами почвы (см. рисунок).
Одно из таких устройств работает следующим образом. Устройство для
определения твердости почвы устанавливают на очищенную от растительных
остатков поверхность почвы, станину 1 закрепляют фиксаторами 2, чем обеспечивают плотное соединение станины с почвой. Через рычажную систему 4 усилие передают на шток 3, за счет чего сегменты 5 вдавливаются в почву. Сегмент меньшего объема с минимальной нагрузкой проходит рыхлый слой почвы
и уходит в более плотные слои, а в рыхлый слой вдавливается сегмент большего объема. Постепенное увеличение выдавливаемого объема почвы позволит
29
провести измерение твердости дифференцированно, с учетом различной твердости почвы. Развиваемая нагрузка на вдавливание сегментов фиксируется измерителем 6.
Применение предлагаемого изобретения позволит определить твердость
почвы по генетическим горизонтам с различной структурой сложения.
Удельное сопротивление— это сопротивление почвы при обработке, приходящееся на единицу поперечного сечения пласта. Удельное сопротивление
выражается в кг/см2. Оно затрачивается на надрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность плуга и сельскохозяйственных орудий. Удельное
сопротивление может изменяться в пределах 0,2-1,2 кг/см2 и зависит от механического, химического состава и влажности почвы. Наименьшее сопротивление имеют почвы легкие, не насыщенные основаниями, например, песчаные и
супесчаные. Самым большим удельным сопротивлением обладают глинистые
почвы, насыщенные Na+.
Физические и физико-механические свойства определяют такое важное в
агрономическом плане состояние почвы, как спелость.
Выделяют физическую и биологическую спелость почвы, которая имеет
очень важное практическое значение.
Физическая спелость — состояние почвы, при котором она легко поддается механической обработке, а качество пашни — ее рыхлость и комковатость
— наилучшее. Почва перестает прилипать к сельскохозяйственным орудиям и
приобретает способность крошиться на комки.
Весной быстрее всего достигают физической спелости почвы легкого
гранулометрического состава (песчаные и супесчаные) по сравнению с тяжелыми (глинистыми и суглинистыми).
Биологическая спелость — состояние почвы, при котором активно идут
биологические процессы (микробиологическая деятельность, растения высшие
и т.д.). Физическая и биологическая спелость наступает практически одновременно. Физические и физико-механические свойства почв могут изменяться в
результате агрономического, химического и биологического воздействия.
Агротехнические мероприятия, такие, как вспашка, культивация, прикатывание, могут изменять плотность почвы, а значит, и порозность как пахотного, так и подпахотного горизонтов, при этом происходит снижение удельного
сопротивления почв.
Химические воздействия активно изменяют физические и физикомеханические свойства почвы. Так, известкование изменяет реакцию среды, состав обменных катионов, что приводит к уменьшению плотности почвы, пластичности, липкости.
Гипсование также изменяет реакцию среды, состав обменных катионов и
в значительной степени физические и физико-механические свойства. При гипсовании солонцов снижаются плотность и твердость солонцового горизонта,
удельное сопротивление, ослабевает способность к заплыванию и т.д.
Биологические приемы помогают улучшить физическое состояние почвы.
Так, непосредственное возделывание культурных растений изменяет физические и физико-механические свойства. Применение зеленых и органических
30
удобрений, например, навоза, помогает создавать благоприятные физические и
физико-механические свойства почв.
3. Методы определения химических показателей
и органического вещества почвы.
Для количественного описания химического состояния почв используют
широкий набор показателей. В него входят показатели, определяемые при анализе практически любых объектов и разработанные специально для исследования почв. Например, валовое (общее) содержание железа, марганца, фосфора,
кремния, углерода металлурги определяют в чугуне и стали, а почвоведы в почвах.
Специфическими показателями, разработанными специально для оценки
химического состояния почв, являются, например, обменная и гидролитическая
кислотность, показатели группового и фракционного состава гумуса, степень
насыщенности почв основаниями и др.
Набор и соподчиненность показателей химического состояния почв обусловлены особенностями почвы как химической системы и как объекта практического использования. Особенностями почвы как химической системы является гетерогенность, полихимизм, дисперсность, неоднородность, изменение и
динамика свойств, буферность и др.
В качестве особенности почвы как объекта производства, влияющей на
специфику анализа, можно рассматривать необходимость оптимизации свойств
почвы.
Полихимизм почв. В почвах один и тот же химический элемент может
входить в состав разнообразных соединений: легкорастворимых солей, сложных алюмосиликатов, органоминеральных веществ. Эти компоненты обладают
разными свойствами, от которых, в частности, зависит способность химического элемента переходить из твердых фаз почвы в жидкую, мигрировать в профиле почвы и в ландшафте, потребляться растениями и т.п. Поэтому в химическом анализе почв определяют не только общее содержание химических элементов, но и показатели, характеризующие состав и содержание индивидуальных химических соединений или групп соединений, обладающих близкими свойствами. Эти показатели позволяют диагностировать почвенные процессы, исследовать трансформацию химического элемента в процессе почвообразования,
при внесении удобрений и техногенном загрязнении, оценивать плодородие и
мелиоративные особенности почв.
Полидисперсность почв. Твердые фазы почвы состоят из частиц разного
размера от крупинок песка до коллоидных частиц диаметром в несколько микрометров. Они неодинаковы по составу и обладают разными свойствами. При
специальных исследованиях генезиса почв определяют показатели химического
состава и других свойств отдельных гранулометрических фракций.
С дисперсностью почв в какой-то мере связана их способность к ионному обмену, которая в свою очередь характеризуется специфическим набором показателей — емкостью катионного и анионного обмена, составом обменных катионов и пр. От уровней этих показателей зависят многие химические и физические свойства почв.
31
Разнокачественность состава почв. Разные типы и даже виды и разновидности почв могут иметь столь разные свойства, что для их химической характеристики используют не только разные аналитические приемы, но и разные
наборы показателей.
Например, в подзолистых, дерново-подзолистых, серых лесных почвах,
как правило, определяют рН водных и солевых суспензий, обменную и гидролитическую кислотность, обменные основания вытесняют из почв водными
растворами солей.
В то же время при анализе засоленных почв определяют рН только водных суспензий, а вместо показателей кислотности — общую, карбонатную и
другие виды щелочности. Обменные основания в засоленных почвах невозможно определить простым вытеснением их из почвы водными растворами солей
без
использования
специальных
аналитических
приемов.
Перечисленные особенности почв во многом обусловливают принципиальные основы методов исследования химического состояния почв, номенклатуру и классификацию показателей химических свойств почв и химических
почвенных процессов.
Неоднородность, вариабельность, динамика, буферность химических
свойств почв. Свойства почв неодинаковы даже в пределах одного и того же
генетического горизонта. При исследовании процессов формирования почвенного профиля оценивают химические свойства отдельных элементов организации почвенной массы (кутан, педов и пр.).
Свойства почв варьируют в пространстве, изменяются во времени и в то
же время почвы обладают способностью противостоять изменению своих
свойств, т. е. проявляют буферность. Разработаны показатели и способы характеристики вариабельности, динамики, буферное свойств почв.
Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства почв.
В состав почв входят компоненты, проявляющие свойства кислот и оснований,
окислителей и восстановителей. При решении разнообразных теоретических и
прикладных проблем почвоведения, агрохимии, мелиорации определяют показатели, характеризующие кислотность и щелочность почв, их окислительновосстановительное состояние.
Изменение свойств почв. В почвах непрерывно протекают разнообразные
процессы, которые приводят к изменению химических свойств почв. Практическое применение находят показатели, характеризующие направление, степень
выраженности, скорости протекающих в почвах процессов; исследуются динамика изменения свойств почв и их режимы. Могут изменяться химические
свойства даже изолированных почвенных проб при их высушивании, растирании, просто при хранении. Многочисленными исследованиями показано, что
высушивание почвенных проб влияет на результаты определения рН, гидролитической кислотности, подвижных соединений азота, фосфора, калия и пр. В
качестве примера рассмотрим результаты определения калия, переходящего в 1
М CH3COONH4-вытяжку из не получавшего калийных удобрений сильновыщелоченного чернозема. Анализировались почвенные пробы с естественной
влажностью и высушенные до воздушно-сухого состояния. Результаты показывают, что высушивание увеличивает подвижность калия, оказывая наиболее
32
сильное влияние на состояние калия в горизонтах, которые не подвергаются
высушиванию в реальных почвенных условиях.
Высушивание почвенных проб из пахотного горизонта увеличило содержание подвижного, переходящего в 1 М CH3COONH4-вытяжку калия с 10,3 до
12,9 мг/100 г почвы. В то же время высушивание пробы из подпахотного горизонта (25—35 см) увеличило содержание подвижного калия в 2 раза, а проб из
горизонта, залегающего на глубине 75-85 см — почти в 4 раза.
Возможное изменение свойств почвенных проб необходимо принимать во
внимание при оценке химического состояния реальных почв.
Системы показателей химического состояния почв. Как отмечалось в
предыдущем разделе, для описания химических свойств почв и химических
почвенных процессов используются разнообразные показатели. Набор используемых показателей химического состояния почв не является неизменным. По
мере развития представлений о химии почв и расширения круга решаемых задач набор их увеличивается. Так, в 1929-1930 гг. Н.П. Ремезов ввел в практику
исследования почв определение окислительно-восстановительного потенциала
(ОВП) как показателя окислительно-восстановительных свойств почв. А в конце семидесятых годов В.И. Савич обосновывает введение еще двух показателей
—
окислительно-восстановительной
емкости
и
окислительновосстановительной буферности почв. Опасность подкисления почв, вызываемого техногенными кислыми осадками, привела к увеличению числа часто определяемых показателей кислотно-основных свойств почв.
Ориентироваться в показателях, суметь выбрать тот из них, определение
которого позволит наилучшим образом и с наименьшими затратами решить поставленную задачу, бывает нелегко не только студенту. Трудность выбора усугубляется тем обстоятельством, что одна и та же проблема может быть решена с помощью разных показателей и в то же время один какой-либо показатель может быть использован в разных целях.
Чтобы почвоведы, агрохимики, мелиораторы могли ориентироваться в
многообразии понятий, терминов, показателей, а также для установления связей между ними, необходима их систематизация. Известно, что успехи и эффективность использования достижений любой науки зависят от разработанности понятийно-терминологического аппарата и системы показателей, позволяющих согласованно оценивать свойства и трансформацию объекта.
Систематизация показателей может быть основана на разных принципах,
и, несомненно, любая классификация в той или иной мере условна. Однако в
тех случаях, когда в основе их разработки лежит системный подход, ориентирующий на раскрытие целостности или внутреннего единства системы, классификации являются полезным средством для установления связей между понятиями или объектами, составляющими систему.
В химии почв предложена общая система, объединяющая все показатели,
с помощью которых характеризуют химические свойства почв и химические
почвенные процессы. В общей системе все известные показатели химического
состояния почв разделены на две большие группы.
В одной объединены показатели химических свойств почв, в другой —
показатели химических почвенных процессов.
33
Показатели первой группы позволяют получить статическую характеристику химических свойств почв на момент исследования. Показатели второй
группы отражают степень выраженности, скорость природных и антропогенных химических почвенных процессов. Каждая из групп включает подгруппы,
в которых представлены показатели, характеризующие одно из свойств почвы
или степень выраженности, скорость процесса. В самом общем виде эта система может быть представлена следующим образом:
Система показателей химического состояния почв
Группа 1. Показатели свойств почв и почвенных компонентов
Подгруппы:
1. Показатели состава почв и почвенных компонентов;
2. Показатели подвижности химических элементов в почвах;
3. Показатели кислотно-основных свойств почв;
4. Показатели ионообменных и коллоидно-химических свойств почв;
5. Показатели окислительно-восстановительных свойств почв;
6. Показатели каталитических свойств почв;
Группа 2. Показатели химических почвенных процессов
Подгруппы:
1. Показатели направления и степени выраженности процесса;
2. Показатели скорости процесса.
Однако при решении конкретных задач удобнее пользоваться не общей, а
частными системами. Частные системы включают показатели, которые находятся в определенных соотношениях и позволяют в конечном итоге получить
целостное представление о химии отдельных почвенных компонентов, о химическом состоянии той или иной группы почв, отдельном свойстве почвы или
почвенном процессе.
В качестве частной системы можно рассматривать любую подгруппу показателей общей системы, так как каждая из подгрупп представлена совокупностью взаимосвязанных показателей, которая позволяет получить целостное
представление об отдельном свойстве почвы или почвенном процессе. Кроме
того, разработаны самостоятельные частные системы, составленные из показателей разных подгрупп, например — система показателей гумусного состояния
почв, система показателей химического состояния засоленных почв и др.
Удобны для работы наборы показателей целевого назначения. В них объединяют показатели, которые необходимы и достаточны для решения конкретных проблем, связанных с исследованием или практическим использованием
почв. Например, составлены перечни показателей, определение которых необходимо для оценки степени окультуренности почв, для выбора мероприятий
при мелиорации солонцовых почв и другие.
Методы измерения, часть 1. До сих пор, если мы и рассматривали методы анализа почв, то останавливались главным образом на химической обработке почвенных проб или на приемах получения вытяжек из почв. Этот раздел
посвящен методам количественного анализа вытяжек или любых других полученных в ходе анализа почв растворов, или методам измерения. В подавляю34
щем большинстве случаев интерпретация результатов анализа почв от метода
измерения не зависит.
В химическом анализе почв может быть использован практически любой
из методов, которыми располагают аналитики. При этом измеряется либо непосредственно искомая величина показателя, либо величина, функционально с
ней связанная. Например, концентрация солей в жидких фазах насыщенных водой почвенных паст и степень засоления почв могут быть оценены по величине
удельной электрической проводимости фильтратов из паст. Этот прием используют потому, что легче определить удельную электрическую проводимость
раствора, чем концентрацию в нем солей.
В лабораторной практике анализа почв используют классические химические и инструментальные методы.
С помощью классических химических методов можно получить наиболее
точные результаты. Относительная погрешность определения составляет 0,10,2%.
Погрешность большинства инструментальных методов значительно выше — 2-5% (Основы аналитической химии, 1996). При анализе почв погрешности могут быть выше указанных. Классические химические методы в настоящее время за редким исключением применяют главным образом для оценки
правильности результатов определений, получаемых инструментальными методами.
Среди инструментальных методов в анализе почв наиболее широко используются электрохимические и спектроскопические. Среди электрохимических
методов находят применение потенциометрические, кондуктометрические, кулонометрические и вольтамперометрические, включающие все современные
разновидности полярографии.
Методы измерения, часть 2. Систематизация и некоторые особенности
спектроскопических методов приведены в табл. Среди спектроскопических методов по характеру взаимодействия излучения с веществом выделяют спектроскопию испускания (эмиссионную), поглощения (абсорбционную), рассеяния и
отражения. Кроме того, спектроскопию подразделяют на атомную и молекулярную. В анализе почв используют как методы атомной, так и молекулярной
спектроскопии.
В химическом анализе почв применяют атомную эмиссионную спектроскопию. В почвенно-агрохимической литературе этот метод называют эмиссионным спектральным анализом (Зырин, Обухов. Спектральный анализ почв,
растений и других биологических объектов, 1977).
Для определения щелочных металлов, как правило, используют эмиссионную фотометрию пламени,
часто почвоведы называют ее методом пламенной фотометрии. Среди эмиссионных методов атомной спектроскопии в почвоведении находит применение
рентгенофлуоресцентная спектроскопия.
В последние десятилетия для определения большого набора химических
элементов широко используют атомно-абсорбционную спектроскопию пламени
(Обухов, Плеханова, 1991).
И традиционно в каждой из почвенно-химических лабораторий используют методы молекулярной спектроскопии в видимой и, реже, в ультрафиоле35
товой области спектра. Методы называют спектрофотометрическими или фотометрическими. Приборы, в которых для монохроматизации излучения используют монохроматоры, называют спектрофотометрами, а те приборы, в которых для выделения необходимого интервала длин волн применены светофильтры, называют фотоэлектроколориметрами (ФЭК). Н.М. Гриндель (1982)
опубликована монография, в которой рассмотрены спектрофотометрические
методы анализа почв.
Применению инструментальных методов в почвоведении посвящено
учебное пособие «Физико-химические методы исследования почв» (1980).
Применение полярографических методов в анализе природных объектов рассмотрено в монографии Л.A. Воробьевой и Д.С. Орлова (1972). Используются и
многие другие методы. Чем обусловлен выбор метода измерения?
При выборе метода измерения учитываются особенности химических
свойств анализируемой почвы, природа показателя, необходимая точность
определения его уровня, возможности методов измерения и выполнимость требуемых измерений в условиях проведения эксперимента.
Методы измерения, часть 3.В свою очередь, точность измерений обусловливается целью исследования и природной вариабельностью изучаемого
свойства. Точность — собирательная характеристика метода, оценивающая
правильность и воспроизводимость получаемых результатов анализа. Необходимо учитывать, что более точные методы, как правило, и более трудоемки.
Поэтому вряд ли стоит выбирать особо точный метод измерения в тех случаях,
когда оценивается свойство, в значительной мере варьирующее в пространстве. А вот если целью исследования является оценка самого варьирования
признака, тогда нужен точный метод, позволяющий выявить изменения признака в пространстве или во времени.
Известно, что в состав почв входят практически все встречающиеся в
природе химические элементы. Их содержание изменяется в очень широких
пределах — от десятков процентов для кремния до миллионных долей процента, например, для селена и ртути. Разные уровни содержания и разные химические свойства элементов не всегда позволяют или не всегда делают целесообразным применение одного и того же метода измерения для количественного
определения всего необходимого набора элементов. В элементном (валовом)
анализе почв используют методы с разными пределами обнаружения. Для
определения химических элементов, содержание которых превышает десятые
доли процента, принципиально возможно использование классических методов
химического
анализа
—
гравиметрических
и
титриметрических.
В прошлом гравиметрический метод использовали для определения кремния, суммарного содержания элементов группы полуторных оксидов, щелочноземельных (Са, Mg), щелочных (К, Na) элементов, фосфора. В настоящее время
гравиметрический метод используют главным образом для определения в почвах кремния. С помощью титриметрических методов могут быть определены
алюминий, железо, кальций, магний, хлорид- и сульфат- ионы, углерод органических соединений и пр.
Методы измерения, часть 4. Несмотря на то, что классические химические методы во многих случаях уступают место более производительным ин36
струментальным, необходимо иметь в виду, что эти методы, особенно гравиметрические, являются наиболее точными. Поэтому, несмотря на свою трудоемкость, они, безусловно, будут использоваться в качестве стандартных арбитражных методов при разработке новых (в том числе инструментальных) методов анализов почв и создании стандартных с известным (заданным) содержанием химических элементов образцов почвенных масс. Стандартные образцы
почвенных масс используют как при контроле правильности получаемых результатов анализа, так и для калибровки приборов.
Методы с разными пределами обнаружения используются не только при
определении химических элементов, различающихся по свойствам и содержанию в почвах. Даже при определении разных показателей химического состояния одного и того же элемента бывает целесообразно и даже необходимо использовать разные методы измерения или разные их варианты. Например, общее содержание свинца в почвах определяют пламенным вариантом атомноабсорбционного метода, тогда как концентрация свинца в водных вытяжках из
почв может быть определена после предварительного концентрирования непламенным (с помощью графитовых кювет) вариантом метода, который имеет
более низкий предел обнаружения.
Таким образом, разные свойства химических элементов, разные уровни
их содержания, необходимость определения разных показателей химического
состояния элемента в почве делают необходимым использование методов измерения с разными пределами обнаружения.
Основу почвенной массы составляют труднорастворимые силикаты,
алюмосиликаты, оксиды. Поэтому в элементном анализе почв либо используют
специальные приемы, позволяющие перевести определяемые элементы в раствор, либо применяют методы, которые позволяют анализировать почвенные
пробы в твердом состоянии. Возможность анализа твердых почвенных проб
чрезвычайно важна и частично реализуется эмиссионным спектральным, рентгенофлуоресцентным и некоторыми другими методами.
Теоретические основы методов количественного анализа объектов, их
возможности и условия применения студенты изучают в курсе аналитической
химии. Эти вопросы рассматриваются в соответствующих учебниках. Кроме
того, особенностям применения инструментальных методов к анализу почв посвящены специальные монографии и учебные пособия. В настоящем издании за
некоторыми исключениями общие вопросы теории количественного анализа не
рассматриваются.
Интерпретация уровней показателей. Размеры и объективность информации о химическом состоянии почв, получаемой по результатам их химических анализов, зависят от степени соответствия представлений исследователя о
свойствах почв и механизмах почвенных процессов их реальному проявлению.
Развитие представлений о химическом состоянии почв должно приводить к
развитию и даже к изменению принципов интерпретации результатов их химических анализов. Объективная оценка процессов, происходящих в почве в природных условиях и в навеске почвы при ее обработке различными растворителями, поможет избежать ошибок в интерпретации результатов анализа почв.
Это положение будет проиллюстрировано двумя примерами.
37
При определении гумуса методом Тюрина органическое вещество почвы
окисляют сернокислым раствором дихромата калия. По количеству Cr 2O7, пошедшему на это окисление, оценивают содержание углерода органических соединений и затем расчетным путем находят содержание гумуса в почве. Однако
в связи с тем, что, взаимодействуя с почвой, дихромат калия реагирует не только с углеродом органических соединений, но и с другими почвенными компонентами, при интерпретации результатов анализа необходимо принимать во
внимание влияющие на них сопутствующие процессы:
1. взаимодействие дихромат-иона с входящим в состав гумуса водородом;
2. взаимодействие дихромат-иона с минеральными компонентами почвы —
Cl-, Fe(II). Эти процессы приводят к получению завышенных результатов
определения углерода органических соединений.
В качестве второго примера рассмотрим процессы, происходящие при
определении подвижных соединений фосфора в гипсоносных почвах по методу
Мачигина. Решение вопроса о применении фосфорных удобрений, как правило,
основывают на результатах определения количества подвижных фосфатов в
почвах. В частности, при исследовании карбонатных почв для этой цели используют метод Мачигина, согласно которому фосфор извлекают из почв 1%ным (0,2 н.) раствором (NH4)2CO3 с рН, равным 9.
Однако известно, что на результаты определения подвижных фосфатов
методом Мачигина влияет гипс (Мещеряков, 1966; Молодцов, 1982). Увеличивая концентрацию кальция, гипс действительно подавляет растворимость (по
фосфатам) фосфатов кальция, в форме которых фосфаты присутствуют в твердых фазах карбонатных почв. Поэтому уменьшение подвижности фосфатов в
почвах при появлении в них гипса объективно отражает происходящие в почвах процессы. Однако при анализе почв методом Мачигина определяемое содержание подвижных фосфатов зависит от количества гипса. В то же время
концентрация кальция в жидких фазах реальных почв и почвенных суспензий в
известных пределах зависит не от количества гипса, а обусловлена его растворимостью.
В.А. Молодцов (1982) показал, что при анализе почв, не содержащих
гипс, результаты определения подвижных соединений фосфора, найденные методами Мачигина и Олсена (0,5 М NaHCO3), близки. При анализе гипсоносных
почв методом Мачигина получают более низкие значения, чем методом Олсена,
а при высоком содержании гипса метод Мачигина практически не обнаруживает подвижных фосфатов в почвах.
Результаты анализа почвенных проб (в которых массовая доля внесенного гипса составляет 20%) из горизонта А, не содержащего гипс светлого серозема, и пахотного горизонта гипс содержащей сероземно-луговой почвы показывают, что как гипс, содержащийся в исходной сероземно-луговой почве, так
и внесенный гипс, влияют на свойства экстрагирующего раствора, которым извлекают из почв фосфаты по методу Мачигина. Взаимодействие карбонатных
ионов экстрагирующего раствора с гипсом приводит к образованию труднорастворимого карбоната кальция, и как следствие — к уменьшению рН и концентрации карбонатных ионов.
38
Рассмотренный пример показывает, что при анализе почв методом Мачигина на оценку содержания подвижных соединений фосфора и потребности
почв в фосфорных удобрениях оказывают влияние химические реакции, которые осуществляются в почвенной суспензии при проведении анализа. Этот
пример показывает также, что правильный с точки зрения химика-аналитика
результат анализа, полученный в соответствии с выбранной методикой и даже
ГОСТом, не дает гарантии правильного решения вопроса.
Безусловно, каждый исследователь стремится получить из результатов
анализа максимально возможную информацию и надеется, что эта информация
объективна, т. е. адекватно отражает свойства реальных почв. Однако интерпретация результатов анализа в какой-то мере является процессом субъективным. Размеры и объективность информации о свойствах почв и почвенных
процессах зависит, во-первых, от того, насколько представления исследователя
о механизмах почвенных процессов соответствуют их реальному проявлению
и, во-вторых, от того, насколько полно и объективно выявлены факторы, которые влияют на определяемую величину показателя или на результат анализа. В
1900 г. Н.М. Сибирцев писал, что при разработке методов анализов необходимо
отчетливо представлять типы химических соединений, находящихся или могущих встречаться в почвах, и отношение этих соединений к различным реактивам. К.К. Гедройц количественно оценивал влияние условий проведения анализа почвы на его результаты.
Принципы определения уровней показателей. Результаты анализа почв,
или найденные в процессе анализа уровни показателей, содержат информацию
о свойствах почв и почвенных процессах и на этой основе позволяют решить
стоящую перед исследователем задачу. Поэтому исключительно важно уметь
извлекать из результатов анализа объективную и возможно большую информацию или владеть приемами интерпретации результатов анализов. К сожалению,
обоснованная теория и приемы интерпретации результатов анализа разработаны слабо. Одни и те же результаты исследований разные школы почвоведов
могут интерпретировать по-разному. Примером может служить исследование
природы почвенной кислотности. Одна группа почвоведов трактовала результаты исследований в пользу водородной, вторая — в пользу алюминиевой природы почвенной кислотности. При интерпретации результатов анализа большое
значение имеет интуиция исследователя, его способность проникнуть в суть
явления, основанная на предшествующем опыте и научных знаниях.
Приемы интерпретации уровней показателей зависят от методов их определения. Эти методы можно разделить на две группы. Методы первой группы позволяют без изменения химического состояния почвы оценить ее свойства.
Например, в полевых условиях путем потенциометрических измерений
можно
оценить
окислительно-восстановительный
потенциал
почвы.
Вторую группу составляют методы, в основе которых лежит химическая обработка анализируемой почвенной пробы. Цель этой обработки — либо воспроизвести химические равновесия, которые осуществляются в реальной почве,
либо заведомо нарушить сложившиеся в почвах взаимосвязи и извлечь из почвы компонент, количество которого, по мнению исследователя, позволяет оценить химическое свойство почвы или протекающий в ней процесс. Именно этот
39
этап аналитического процесса — химическая обработка навески почвы — отражает главную особенность метода исследования и обусловливает приемы интерпретации уровней большинства определяемых показателей.
При проведении анализов навеску почвы, как правило, обрабатывают водой, растворами солей, кислот, комплексообразующих реагентов или оснований. Чтобы по результатам анализов полученных систем составить адекватное
представление о химическом состоянии исследуемой почвы и избежать ошибок
в интерпретации результатов анализов, необходимо четко представлять соотношение процессов, которые происходят в почве в реальных условиях и в
навеске почвы при ее обработке химическими реагентами. Если процессы, которые осуществляются в лабораторной колбе при анализе почвы, соответствуют реальным, можно надеяться, что полученный результат анализа будет отражать свойства реальной почвы. Если в анализируемой системе протекают процессы, сопутствующие реальным, и они влияют на результат анализа, это влияние тем или иным способом необходимо принимать во внимание при его интерпретации. В противном случае можно сделать ошибочные выводы.
МИНЕРАЛЬНЫЙ АЗОТ ПОЧВЫ И ЕГО ФОРМЫ.
Основное количество почвенного азота сосредоточено в органическом
веществе почвы. Азот органического вещества почвы непосредственно недоступен для растений, поэтому об обеспеченности растений почвенным азотом
судят по содержанию в почве минерального азота.
Минеральные соединения азота в пахотном слое составляют не большую
часть (1-5%) от общего содержания азота в почве. Эти соединения представлены в основном нитратами и аммонием.
Основным природным резервом, поставляющим растениям минеральный
азот, является органическое вещество почвы. В результате жизнедеятельности
микроорганизмов, использующих органическое вещество почвы как источник
энергии, происходит аммонификация азотсодержащих органических веществ.
Значительная часть освободившегося при этом аммония подвергается нитрификации.
Аммоний присутствует в почвах в форме водорастворимых солей обменного аммония, фиксированного (необменного) аммония. В пахотных горизонтах преобладает обменный аммоний.
Нитраты находятся в почве в виде водорастворимых солей. Они отличаются высокой подвижностью, в связи, с чем содержание их в почве подвержено
большим колебаниям. Из пахотных горизонтов почв, особенно песчаных, нитраты могут вымываться атмосферными осадками и поливными водами в более
глубокие слои. В образцах почвы с одного и того же варианта опыта, но взятых
в различные сроки, содержание нитратов может значительно варьировать.
Нитраты и обменный аммоний являются основными источниками азота,
обеспечивающими питание растений.
Содержание минеральных форм азота в почве весьма лабильно и зависит
от целого ряда факторов: микробиологических процессов - аммонификации,
нитрификации, денитрификации, азотфиксации и др., гранулометрического состава; физико-химических свойств почвы; гидро-термических условий периода
вегетации растений, вида выращиваемой культуры. Поэтому определение ми40
неральных форм азота в почвенных образцах устанавливает их содержание
только для срока взятия образца, но не даёт представления об обеспеченности
растения почвенным азотом в течение вегетации. В связи с этим, минеральный
азот в почве, как правило, определяют несколько раз за период вегетации растений, т.е. в динамике. Это позволяет рассчитать или корректировать дозы и
сроки внесения азотных удобрений, проведение подкормок растений азотом.
Содержание минерального азота в почве до посева и по фазам развития
растений определённым образом коррелирует с содержанием азота в вегетативных органах растений и величиной урожая сельскохозяйственных культур, что
является основой для почвенной диагностики питания растений азотом.
Для оценки способности почв обеспечивать растения элементами питания, а также необходимости во внесении удобрений и их доз важное значение
имеет определение подвижных (доступных растению) форм азота. С этой целью используются водные, слабокислотные, солевые и слабощелочные вытяжки из почвы с последующим определением различными методами (колориметрическим, спектрофотометрическим и др.) количества извлеченного элемента.
Ниже излагаются общепринятые в почвенно-агрохимических исследованиях в России методы определения подвижных форм азота.
Одним из наиболее важных элементов питания растений является азот. Существуют различные методы его определения, краткую
характеристику которых приводим ниже.
Методы определения общего азота (гост 26107).
Предлагаемые методы определения общего азота в почвах применяются
при выполнении массовых почвенных, агрохимических и мелиоративных обследований и при оценке пригодности нарушенного плодородного слоя почв
для землевания.
Стандарт не распространяется на почвы с массовой долей органического
вещества более 25%.
Пробы почвы для анализов должны храниться в помещении, свободном
от паров аммиака, и должны быть предварительно доведены до воздушносухого состояния, измельчены, пропущены через сито с круглыми отверстиями
диаметром 1 - 2 мм, хорошо перемешаны и распределены по ровной поверхности слоем толщиной не более 1 см. Аналитическую пробу массой 15 г отбирают
ложкой или шпателем не менее чем из пяти разных мест, равномерно расположенных по площади на всю глубину слоя, выбирают из нее видимые глазом
корни и полностью пропускают через плетеное проволочное сито с отверстиями ячеек 0,25 мм. Частицы, оставшиеся на сите, измельчают с помощью любых
устройств и снова пропускают через сито.
Из аналитической пробы берут две навески почвы для определения гигроскопической влаги (ГОСТ 5180).
Колориметрические методы определения общего азота в почве.
Определение водорастворимых и обменных форм аммиачного азота.
Метод с реактивом Несслера.
41
В основу метода положено взаимодействие иона аммония со щелочным
раствором ртутно-иодистого калия с образованием нерастворимого иодистого
меркураммония - соединение желтого цвета (при большой концентрации образуется желто-бурый осадок):
NH4OH+2K2HgI4+3KOH=NH2HgIO+7KI+3H2O
йодистый меркураммоний
Интенсивность окраски пропорциональна концентрации NH4. Предельно
допустимая концентрация 0,002 мг в 1 мл.
Метод очень чувствителен. Предельная концентрация, допускающая
определение аммония, не должна превышать 0,15 см3 азота в 100 см3 раствора.
Определению мешают катионы металлов. Для устранения этого в вытяжку перед добавлением реактива Несслера вносят комплексообразующий реактив.
Феноловый метод.
В основу метода положена реакция Бертло, в результате которой при взаимодействии аммиака с фенолом в присутствии окислителя гипохлорита натрия
образуется индофенол, окрашивающий раствор в щелочной среде в синий цвет.
Чувствительность метода такая же, как при использовании реактива Несслера.
Определение нитратов в почве
Определение содержания нитратов с помощью
ионоселективного электрода.
Метод основан на определении концентрации нитратов в почве с помощью ионоселективного электрода в солевой суспензии 1%-го раствора
алюмокалиевых квасцов при соотношении проба: раствор 1:2,5
Метод используют для определения нитратов во всех почвах, кроме засоленных.
Определение содержания нитритов с альфа-нафтиламином
и сульфаниловой кислотой.
Метод основан на извлечении нитритов из проб дистиллированной водой
и взаимодействии их с альфанафтиламином и сульфаниловой кислотой в кислой среде с образованием азосоединения розово-красного цвета. Реакция специфична для нитритов.
Определение обменного аммония и нитратов в почве
из одной навески по Кудеярову.
Нитратный азот и обменный аммоний можно определить в одной вытяжке колориметрически с использованием фенолят-гипохлоритной реакции. Для
этой цели применяют вытяжку 0,1 н раствора K2SO.
Определения содержания нитратов с гидразином
в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26488).
Метод основан на восстановлении нитратов гидразинов в присутствии
меди в качестве катализатора с последующим фотоколориметрическим определением в виде окрашенного диазосоединения.
42
Определение содержания нитратов в почве по Грандваль-Ляжу.
Определение нитратов производится в день взятия пробы и при естественной влажности почвы.
Метод основан на взаимодействии нитратов с дисульфофеноловой кислотой с образованием тринитрофенола (пикриновая кислота), который в щелочной среде даёт жёлтую окраску за счёт образования тринитрофенола калия (или
натрия в зависимости от используемой щёлочи) в количестве, эквивалентном
содержанию нитратов:
3HNO3 + C6H3(HSO3)2OH = C6H2(NO2)3OH + 2H2SO4 + H2O
C6H2(NO2)3OH + KOH = C6H2(NO2)3OK + H2O
желтое окрашивание
Интенсивность окрашивания определяют на фотоколориметре.
Определение подвижных соединений азота в почве.
Азот в почве находится в форме органических и минеральных соединений. Принято определять общее содержание азота в почве (по Кьельдалю), а
также следующие формы его соединений в зависимости от подвижности и доступности их растениям (по Шконде и Королевой):
а) минеральные соединения азота, растворимые в воде (нитриты, нитраты, аммонийные соли) и вытесняемые растворами нейтральных солей, например 0.1 н. КС1 (поглощенный аммоний);
б) легкогидролизуемые органические соединения азота, вытесняемые
действием на почву 0,5 н. H2SO4;
в) трудногидролизуемые соединения азота (азот аминов, амидов, гуминов, необменный аммоний), вытесняемые действием на почву 5 н. H2SO4;
г) негидролизуемые формы соединений азота, представленные азотом
аминов, гуминов, меланинов, битумов, частично необменным аммонием, определяются как разность между общим и трудногидролизуемым азотом.
Доступный азот определяют в модельных и вегетационных опытах. Из
методов определения азота путем модельных опытов наиболее распространено
определение нитрификационной способности почв по Кравкову и минерализуемого азота по Бремнеру. Для определения нитрифи-кационной способности
почв по Кравкову 20 г почвы, увлажненной до 60% полной влагоемкости, компостируют 7 дней при температуре 26—28°С. По истечении указанного срока
определяют содержание нитратов при вытеснении их 0,05%-ным K2SO,; п : р *
= 1:10, t=3 мин. Для определения азота, минерализуемого из органического вещества (по Бремнеру), почву компостируют 14 дней при 30°С в смеси с песком
в отношении 1:3. Азот вытесняется 2 н. КС1; n:р = 1 : 10, t=30 мин.
В лабораториях для оценки азотного режима почв в производственных
целях принято определять следующие формы соединений азота: 1) общий азот
по Кьельдалю; 2) минеральный (аммиачный и нитратный) в вытяжке 0,1 н.
КС1; 3) легкогидролизуемый азот по Корнфилду или Тюрину; 4) фиксированный аммоний по Бремнеру в модификации Кудеярова.
Определение аммиачного азота.
43
Аммиачный азот может быть в почве в различных формах. Для вытеснения водорастворимых форм аммония используют водные вытяжки при отношении n:р = 1:5 или 1:10. Для вытеснения обменного NH4 применяют солевые растворы (при этом, естественно, вытесняются и водорастворимые формы). Для
извлечения обменного аммония по методу Конева используют в качестве десорбента 0,05 н. NaCl; п : р = 1 : 25; t=1 ч. Для извлечения обменного аммония
по методу Мачигина в качестве десорбента применяют 1%-ный КС1; п : р =
1:10, t = 1 ч. Более широко распространено применение вытяжки 0,1 н. КС1; п :
р = 1:5, t=0,5 ч. Фиксированный аммоний вытесняется после разрушения кристаллической решетки глинистых минералов.
Определение фиксированного аммония по Могилевкиной включает озоление почвы в муфеле при 400°С в течение 72 ч, добавлении K2SO4, CuSO4, Se,
H2SO4, сжигании и определении отогнанного NH4.
Определение фиксированного аммония по Сильва и Бремнеру заключается в освобождении почвы от органического вещества при ее обработке гипобромитом калия. NH4 извлекают, разрушая почву смесью плавиковой и соляной
кислот. В модификации Кудеярова 2 г почвы взбалтывают в полиэтиленовых
флаконах с 50 мл смеси 2 н. HF и 1 н. НС1 и оставляют на 22 ч. Затем суспензию нейтрализуют 150 мл 3,8% -ной КОН до рН 9,0—9,5. Через 10—15 мин
фильтруют и определяют NH4 одним из методов.
Количественное определение аммиачного азота.
Аммиак в почве образуется в результате аммонификации — разложения
азотсодержащих органических соединений. Поскольку микробиологические
процессы в почве могут изменить содержание аммиака, то его определяют в
свежих ее образцах без предварительного высушивания.
Для пересчета полученных данных на сухую навеску одновременно определяют влажность анализируемой почвы.
Для количественного определения аммония в основном используют колориметрические методы, хотя они и не являются очень точными. При наличии
окрашенных или мутных вытяжек приходится пользоваться методом дистилляции. Наиболее распространены два колориметрических метода — с реактивом
Несслера и с использованием фенола.
Определение легкогидролизуемого азота по Тюрину и Кононовой
в модификации Кудеярова.
Метод основан на допущении, что раствор серной кислоты извлекает из
почвы ту часть азотсодержащих органических соединений, которые легко минерализуются в природных условиях и служат ближайшим источником минерального азота, используемого растениями. Метод предусматривает учет азота
нитратов, поглощенного аммония и легкогидролизуемых органических соединений.
Определение щелочногидролизуемого азота в почве по Корнфилду.
Подвижный щелочногидролизуемый азот, определяемый по методу
Корнфилда, является, по существу, легкогидролизуемым азотом почвы и харак44
теризует содержание потенциально доступного для растений азота. Метод довольно широко используется для прогнозирования доз азотных удобрений под
различные с.-х. культуры.
Сущность метода. Определение щелочногидролизуемого азота по Корнфилду основано на гидролизе органических соединений почвы раствором гидроокиси натрия NaOH концентрации 1 моль/дм3 (1 н.). Выделившийся аммиак (
с учетом обменного аммония) опреднляют микродиффузным методом с использованием модифицированных литых чашек Конвея. Аммиак при этом поглощается раствором борной кислоты и оттитровывается серной кислотой.
Определение фиксированного аммония в почве по Могилевкиной.
Фиксированным называется аммоний, который не извлекается из почвы
при обработке ее 1 н. раствором KCl.
Фиксация ионов аммония обусловливается вхождением их в межпакетные промежутки кристаллической решетки трехслойных почвенных глинистых
минералов.
Фиксированный аммоний может быть частично использован растениями:
доступна та его фракция, которая не является структурным элементом решетки.
Предварительное удаление из почвы обменного аммония и органических
соединений азота достигается прокаливанием почвенного образца в муфеле.
Для разрушения минеральной фракции почвы и определения аммония применяют метод Кьельдаля.
Определение содержания обменного аммония.
Основная часть аммонийного азота в почве находится в поглощённом или
обменном состоянии и легко вытесняется из ППК другими катионами, например натрием или калием; поэтому определение содержания аммонийного азота
в почве проводят в солевой вытяжке:
NH4
/ Na
[ППК] <
+ 2NaCl → [ППК]
+ 2 NH4Cl
NH4
\ Na
Образовавшийся хлорид аммония при взаимодействии с реактивом
Несслера в щелочной среде образует комплексное соединение оранжевого цвета йодистый меркураммоний. Интенсивность полученной окраски пропорциональна содержанию аммония в растворе:
NH4Cl + 2K2HgJ4 + 4КОН = NH2HgOJ + 7KJ + ЗН2О + KCl
(меркураммоний)
Окрашенный раствор колориметрируют на фотоколориметре.
Определение содержания аммония в модификации ЦИНАО
(ГОСТ 26489).
Метод основан на получении окрашенного индофенольного соединения,
образующегося в щелочной среде при взаимодействии аммиака с гипохлоритом
45
и салицилатом натрия. Метод непригоден для карбонатных и засоленных почв.
Принят как стандарт для кислых почв.
Навеска почвы может варьировать от 10 до 40 г в зависимости от содержания аммиака. При этом необходимо соблюдать соотношение почвы и экстрагирующего раствора 1:2,5.
В сельскохозяйственной практике и в научных исследованиях чаще всего
используют методы анализа почв, указанные в таблице 6.
Таблица 6 – Основные методы анализа почв
Отбор проб
Влажность
Нитраты
Фосфор
подвижный
Калий
обменный
Органическое
вещество
Обменный
аммоний
Общие
требования к
отбору проб
ГОСТ 28168-89 Почвы. Методы отбора проб.
ГОСТ 28268-89 Почва. Методы определения влажности, максимальной
гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания
растений.
ГОСТ 26951-86 Почвы. Определение нитратов ионометрическим
методом
ГОСТ 26488-85 Почвы. Определение нитратов по методу ЦИНАО.
ГОСТ 26205-91 Почвы. Определение соединений фосфора и калия по
методу Мачигина в модификации ЦИНАО.
ГОСТ 26213-91 Почвы. Методы определения органического вещества.
ГОСТ 26489-85 Почвы. Определение
обменного аммония по методу ЦИНАО.
ГОСТ 17.4.3.01-83 (СТ СЭВ 3847-82) Охрана природы. Почвы. Общие
требования к отбору проб
Объекты и методы определения биологической активности почвы
Исследование ее целесообразно проводить в опытах, в которых изучают
действие на почву мелиорирующих факторов (глубокая обработка, систематическое применение больших доз удобрений, известкование, поливы), а также
предшественников. При невозможности охватить показателями биологической
активности почвы все варианты опыта можно ограничиться наблюдениями в
наиболее контрастных из них. Их ведут в начале, середине и конце ротации севооборота, в двух-трех заложенных опытах; при изучении звена севооборота
наблюдения можно вести в последний год.
Исследование биологической активности почвы проводят в динамике
(кроме определения интенсивности разложения клетчатки). Для этого в течение
года 3—5 раз берут пробы для анализов, приурочивая их сроки к особенностям
агротехники и основным фазам развития растений. Почву для этого используют
через 10—30 дней после внесения удобрений, вспашки или обработки химическими препаратами при возделывании зерновых и зернобобовых культур из
междурядий, пропашных — из рядков. В последнем случае с окучиванием перед взятием пробы удаляют верхний слой почвы (5—10 см). В зависимости от
задачи исследуют при глубоких обработках пахотный и подпахотный слои почвы, в других случаях — чаще весь пахотный. Биологические свойства почвы
46
желательно определять на делянках тех повторений опыта, с которых берут
пробы для физико-химических анализов; еще лучше если исследуют одни и те
же образцы.
Большинство показателей биологической активности почвы определяют в
лабораторных условиях в средних смешанных пробах, которые составляют из
индивидуальных образцов, взятых буром. Число их должно быть не менее четырех с каждой делянки двух несмежных повторений исследуемого варианта
опыта. Пробы берут по одной или двум диагоналям, избегая нехарактерных
мест. Перед взятием проб верхний слой почвы (0,5—1 см) удаляют. Средний
образец массой около 1,5 кг помещают в полиэтиленовый или пергаментный
пронумерованный мешок, в который вкладывают этикетку с указанием названия опыта, даты, глубины слоя почвы, номера варианта. В лаборатории средний
образец измельчают шпателем, тщательно перемешивают и удаляют из него
корни растений и различные включения. Определение биологической активности почвы начинают проводить в первые сутки в свежих образцах; минимальный срок хранения при пониженной температуре — двое суток.
Об общем уровне биологической активности почвы можно судить по совокупности целого ряда показателей. Их можно разделить на две части: первая
— численность различных групп микроорганизмов, каждая из которых обладает способностью трансформировать определенные вещества; вторая — показатели суммарной деятельности микроорганизмов (продукты микробного синтеза, разложения и др.).
К показателям суммарного эффекта деятельности почвенных микроорганизмов, определение которых нетрудоёмкое и не требует специальной подготовки и специализированной лаборатории, можно отнести: нитрификационную
способность, интенсивность разложения льняной ткани («аппликационный»
метод), протеазную активность, а также токсичность почвы.
Нитрификационная способность почвы характеризует потенциальную
возможность почвы по накоплению минерального азота. Процесс нитрификации осуществляется специфическими микроорганизмами, деятельность которых во многом зависит от температуры, влажности, аэрации, наличия питательных веществ, реакции среды. Высокая требовательность к условиям существования позволяет считать уровень их жизнедеятельности объективным
показателем степени плодородия почвы.
Нитрификационную способность определяют по возрастанию в почве содержания нитратов при некотором выдерживании ее в оптимальных для микроорганизмов условиях. В опытах, не связанных со специальным изучением азотного режима почвы, определение нитрификационной способности проводят в
почве без добавления каких-либо веществ. Для этого 100 г почвы помещают в
коническую колбу на 250 мл, увлажняют кипяченой водой, количество которой
должно довести влажность почвы до 60% полной влагоемкости (чаще 10—15
мл). Колбу закрывают ватной пробкой, взвешивают и помещают на 30 дней в
термостат с температурой 27—28°С. Контролем служит стерильная почва,
предварительно выдержанная в сушильном шкафу при 160—180°С 3 ч, в которую для получения требуемой влажности добавляют дополнительное количество воды. Влажность в колбах в течение опыта должна быть постоянной (не47
обходимость доувлажнения устанавливают при периодическом взвешивании
колб). В конце опыта в агрохимической лаборатории определяют содержание
нитратов в почве по методу Грандваль-Ляжу; данные контроля (стерильная
почва) вычитают из результатов вариантов опыта. Выражают нитрификационную способность почвы в мг N—N03 на 1 кг почвы. Повторность каждого варианта — трех-, четырехкратная.
В опытах, имеющих задачу подробного исследования азотного режима
почвы, помимо определения нитрификационной способности почвы в естественном состоянии, проводят еще одно определение с внесением дополнительных веществ — сульфата аммония, органики, мела. При этом выявляют
потребность почвы в удобрении, ее буферность, необходимость известкования, интенсивность нитрификации органических азотистых соединений.
Целлюлозную активность почвы методом «аппликации» определяют по
разложению в ней льняной ткани. Но поскольку степень активности целлюлозных микроорганизмов зависит от наличия в почве также доступного азота,
фосфора и других элементов, то степень распада, можно считать, отражает
«напряженность хода микробиологических процессов вообще» (Е.Н. Мишустин).
Применяемые в практике опытного дела способы закладки ткани в почву
несколько различаются. Можно рекомендовать следующую модификацию этого метода, разработанную в НИИСХ ЦРНЗ. Белую льняную ткань размером
20×5 см взвешивают и нитками в нескольких местах прикрепляют к полоске
полиэтиленовой пленки такого же размера. (Помещать полотно в различного
рода синтетические сетки нецелесообразно, так как при этом отсутствует непосредственный контакт между полотном и почвой.) Длина полос ткани может
быть различной в зависимости от особенностей опыта и почвы. На делянках
делают равномерно прикопки, к ровной вертикальной стенке каждой из них
прижимают ткань и засыпают с другой стороны почвой, уплотняя ее до исходного состояния. Место закапывания полотна отмечают этикеткой, колышком
или дранкой. На каждом варианте делают пять-шесть таких прикопок и более.
На варианте с ожидаемой большей активностью целлюлозных микроорганизмов закапывают дополнительно два-три полотна для периодического
контроля.
Экспозицию определяют интенсивностью разложения полотна, которая
зависит от плодородия почвы, погодных условий, удобрений, характера растительности и других условий. Полотна вынимают из почвы, когда становится
очевидным, что продолжение экспозиции приведет к потерям ткани при выкопке. После отмывания и просушивания их взвешивают. По разности массы до и
после экспозиции определяют убыль сухой массы ткани и выражают ее в процентах. Полотно можно разделить на части и получить числовые данные для
разных слоев и горизонтов.
Интенсивность микробиологической активности в почве «аппликационным» методом можно установить быстрее, если на еще неразложившейся ткани
специальными реактивами «проявить» продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Так, уже на седьмой-десятый день пребывания в почве на ней обнаруживаются следы аминокислот, которые синтезируются микроорганизмами
48
при разложении клетчатки. Экспозиция полотна в почве при выявлении аминокислот сокращается до 15-30 дней. В этом случае его не моют, а после высушивания осторожно ершиком очищают от почвы. Затем полоски ткани помещают
на 10 мин в раствор 0,5%-го нингидрина в ацетоне и высушивают при комнатной температуре в течение 24 ч. За это время на полотне проявляются аминокислоты в виде фиолетовых пятен. (Всю работу с полотном проводят в резиновых перчатках.)
Метод «аппликаций» очень нагляден для демонстрации интенсивности
микробиологической деятельности в разных слоях пахотного горизонта при
проведении различных обработок, внесении удобрений, сравнении приемов
орошения. Например, при заделке соломы в почву степень разложения ткани в
междурядье ячменя свидетельствует о разной напряженности микробиологических процессов, на которые оказывали влияние удобрения, способы основной
обработки и сроки ее проведения. Продуктивность растений коррелировала с
микробиологической активностью. Так, она составляла в 32 варианте 490 г/м2, в
26-м — 462, в 15-м — 469, в 5-м варианте —213, во 2-м—234, в 17-м—224 г/м2.
Токсичность почвы проявляется при некоторых условиях в угнетении
высших и низших растений. В значительной степени она обусловлена накоплением токсинов и антибиотиков, являющихся продуктами жизнедеятельности
различных микроорганизмов; определяют ее при помощи растительного теста
по методу, применяемому на кафедре биологии почв Московского государственного университета. Навеску каждого образца почвы (60 г) помещают в чашку Петри, увлажняют до пастообразного состояния и металлическим шпателем
выравнивают поверхность, затем на ней равномерно раскладывают, а потом
вдавливают 25 семян тест-растепия, которые предварительно замачивают (сутки) в водопроводной воде; в контрольном варианте их раскладывают на фильтровальную бумагу, под которой находится смоченная водой вата. Проращивание семян продолжается пять—семь дней при ежедневном увлажнении почвы
равными порциями воды. После окончания опыта с контрольным вариантом
сравнивают число проросших семян и длину проростков и корней растений.
Токсичными следует считать почвы, снижающие всхожесть семян или угнетающие
рост
проростков
и
корней
не
менее
чем
на
20—30%.
Повторность
при
этом
должна
быть
трехкратной.
Для опыта можно использовать семена различных растений — пшеницы, вики,
гороха и др., но с учетом того, что мелкие имеют меньший запас питательных
веществ и более подвержены влиянию внешней среды. Обязательное условие
— возможно минимальный срок между взятием почвенного образца и посевом
семян, так как токсины — нестойкие вещества.
3. Определение вредного влияния сорной растительности
Для разработки и осуществления планомерных мероприятий по борьбе с
сорной растительностью необходимо в каждом предприятии систематически
проводить обследование и учет засоренности полей севооборотов, а также других сельскохозяйственных угодий.
49
Засоренность полей изменяется под влиянием многих причин, в том числе агротехнических мероприятий. Поэтому обследование полей на засоренность необходимо проводить ежегодно. Эта работа выполняется два раза в год:
в начале лета для учета наличия ранних сорняков и в конце лета — поздних,
яровых, озимых зимующих, двухлетних и многолетних сорняков. Учет сорняков следует проводить перед прополкой.
В результате обследования и учета дается оценка засоренности полей по
количеству (в баллах) растений на 1 кв. м, по массе (сырая, воздушно-сухая, абсолютно сухая) в граммах на 1 кв. м, по проективному покрытию, т. е. доля поверхности почвы, занимаемой горизонтальной проекцией надземных частей
растений, выраженной в процентах. Для подсчета сорняков обычно пользуются
рамочками разного размера — 0,1; 0,25; 0,50; 1 кв. м и более.
Учет сорных растений основан на определении их численности и массы.
При этом первый показатель выражается через количество стеблей (растений),
приходящихся на 1 м2, а второй – через массу органов растений (сырых и сухих) с 1 м2 (в граммах). Существуют прямые (инструментальные) и визуальные
методы учета сорняков.
Прямой метод. В полевых опытах количество сорняков устанавливают
подсчетом их стеблей на пробных площадках, выделяемых с помощью рамки.
Наиболее удобны рамки квадратной и прямоугольной формы (отношение ширины к длине – 1:3). На посевах картофеля лучше использовать прямоугольные
рамки. Ширина рамки должна быть кратной расстоянию между соседними рядками, длина произвольная. Минимальный размер пробной площадки для учета
малолетних сорняков – не менее 0,25 м2, многолетних – не менее 3 м2. Площадки в большинстве случаев располагают на участке в шахматном порядке. При
необходимости проведения за сезон нескольких учетов площадки закрепляют
колышками или вешками и отмечают на схематическом плане. Количество
площадок определяют по следующей формуле (Доспехов, 1979):
где n – объем выборки (количество учетных площадок принятого размера);
Vt – коэффициент вариации (стандартное отклонение, выраженное в процентах
от средней арифметической взятой совокупности);
Sx – точность учета (ошибка выборки, вычисленная в процентах от средней
арифметической), %.
Сорняки выбирают с площадки и помещают в полиэтиленовый пакет,
чтобы избежать их высыхания. В помещении сорняки разбирают по видам,
подсчитывают, отрезают на уровне корневой шейки и взвешивают. При необходимости их подсушивают и устанавливают воздушно-сухую массу. При
определении массы размер пробных площадок может быть единым для всех
видов сорняков – не менее 0,25 м2.
Сроки учета должны совпадать со временем появления основных видов
сорняков.
На каждом обследуемом поле или участке площадью до 50 га рамку
накладывают не менее чем в 10 местах, от 50 до 100 га – в 15, и на полях более
100 га – в 20 местах.
50
Визуальный (глазомерный) метод. Из существующих в настоящее время
визуальных методов учета сорняков наиболее удобным является метод, предложенный кафедрой земледелия и методики опытного дела ТСХА (разработан
А.М. Туликовым, 1985).
В основу данного метода положен учет наличия на полях сорняков по их
абсолютной численности на единицу площади. Оценку ведут в баллах отдельно
для малолетних и многолетних сорняков по шкале, приведенной в таблице 7.
Таблица 7 - Шкала глазомерной оценки численности сорняков
Балл
1
2
3
4
5
Малолетние
интервалы
среднее
классов
значение
численности,
класса,
2
шт./м
шт./м2
1-30
16
31-100
65
101-200
150
201-300
250
301-500
400
Многолетние
интервалы
среднее
классов
значение
численности,
класса,
2
шт./м
шт./м2
0,1-1
0,5
1,1-3
2,0
3,1-6
4,5
6,1-10
8,0
10,1-15
12,5
Степень
засоренности
очень слабая
слабая
средняя
сильная
очень сильная
Для полного учета сорняков поле проходят не менее чем по 2-3 ломаным
линиям, общее направление которых совпадает с длинной стороной поля. Через
равные расстояния делают остановки, внимательно осматривают посев в радиусе около 1 м и в ведомости встречаемости видов знаком “+” отмечают встретившиеся виды. Затем в ведомости визуальной оценки численности сорняков
ставят балл их наличия сорняков в каждой группе.
После обследования всего севооборота результаты оценки засоренности
обрабатывают отдельно по каждому полю. Встречаемость вида R (%) рассчитывают по формуле:
где n – общее количество мест учета;
n1 – количество мест учета, на которых присутствует конкретный вид сорного
растения.
Средний балл засоренности по каждой группе сорняков рассчитывают по
баллам их численности в каждом месте учета по формуле:
где ВГ – средний балл численности определенной вредоносно-морфологической
группы сорняков;
b – балл визуальной оценки численности на каждом месте учета (i = 1, 2, 3,.., n);
n – общее число мест учета.
Общую засоренность (общий балл) всеми вредоносно-морфологическими
группами сорняков на месте учета вычисляют по формуле:
51
где Bo – общий балл численности всех групп сорняков на данном месте учета;
bj – балл визуальной оценки численности каждой группы сорняков на данном
месте учета;
k – количество вредоносно-морфологических групп сорняков.
Общую засоренность севооборота рассчитывают по приведенной выше
формуле, исходя из средней засоренности каждой группой сорняков.
Для оперативной оценки засоренности посевов существует метод А.И.
Мальцева. При этом наличие сорняков оценивают по относительной численности сорняков в сравнении с густотой стеблестоя и выражают в баллах (таблица
8).
Таблица 8 - Шкала степени наличия сорняков
Балл
Характеристика засоренности посевов
1
Сорняки встречаются в посеве единичными
экземплярами
2
Сорняков среди посевов мало, обычно теряются среди культурных растений
3
Сорняков среди посевов много, но культурные растения преобладают
4
Сорняки преобладают над культурными растениями, глушат их
Степень засоренности
слабая
средняя
сильная
очень сильная
Поле или участок при проведении учета засоренности проходят по двум
диагоналям и внимательно осматривают, определяя численность различных видов или групп сорняков. В конце прохода в ведомость вносят единую по каждому виду (биологической группе) оценку наличия сорняков в баллах.
Лекция 3. Биохимические и химические методы исследований растений,
зерна и семян (4 часа).
1. Внедрение экспрессных и автоматических методов анализа. Использование
государственных стандартных образцов (ГСО) и отраслевых стандартных
образцов (ОСО) зерна (кормов и т.п.) для контроля качества измерений.
2. Значение содержания воды в образцах и методы ее определения. Использование показателей влажности и содержания сухого вещества для научных
исследований и практики.
3. Классические и современные методы определения белков (азота), жиров, сахаров, органических кислот, витаминов, активности ферментов.
4. Роль макро- и микроэлементов в растениях.
5. Использование данных биохимического анализа для оценки качества зерна
(семян) и готовой продукции.
52
1.
Внедрение экспрессных и автоматических методов анализа
Методы диагностики питания растений подразделяют на почвенные и
растительные. Растительная диагностика, в свою очередь, включает визуаль
ную, химическую и функциональную.
Визуальная диагностика является наиболее простым методом, не требующим специального оборудования, она позволяет относительно быстро установить нарушения в минеральном питании и устранить их причины. Однако,
для успешного выполнения визуальной диагностики помимо знаний необходим
значительный практический опыт, так как, недостатки и избытки разных элементов часто выглядят внешне очень похоже. Кроме того, часто внешние признаки нарушений питания растений проявляются только тогда, когда из-за этих
нарушений уже произошли необратимые потери урожая.
Химическая диагностика минерального питания (тканевая или листовая) позволяет определить химический состав растения в данный момент.
Только при постоянном обеспечении необходимыми элементами питания в оптимальных соотношениях на протяжении всего вегетационного периода возможно максимальное использование биологического потенциала каждого сорта. Однако, иногда элемент питания накапливается в растении не вследствие
его необходимости для развития. Кроме того, недостаток или избыток одного
из элементов может нарушать поступление в растение другого элемента. Эти
факторы ограничивают возможности применения методов химической диагностики.
Функциональные методы диагностики позволяют оценить не содержание того или иного элемента питания, а потребность растения в
нем. Потребность растений в элементах можно оценить, контролируя интенсивность физиолого-биохимических процессов. А.С. Плешковым и Б.А. Ягодиным (1982) разработан принцип диагностики питания растений по определению
фотохимической активности хлоропластов.
Принцип данного метода заключается в следующем. Определяют фотохимическую активность суспензии хлоропластов, полученной из средней пробы
листьев диагностируемых растений, затем в суспензию хлоропластов добавляют элемент питания в определенной концентрации и вновь определяют фотохимическую активность суспензии. В случае повышения фотохимической активности суспензии хлоропластов по сравнению с контролем (без добавления
элементов) делается вывод о недостатке данного элемента, при снижении об
избытке, при одинаковой активности – об оптимальной концентрации в питательной среде.
Подготовка оборудования и реактивов. В качестве основного прибора,
для анализа используется фотоколориметр «Экотест-2020» производства НПП
«ЭКОНИКС» (Номер в Госреестре средств измерений РФ 31761-06).
Для анализа используют 3-4-й лист (сверху) взрослых растений или целиком молодые растения. В случае, когда трудно определить 3-4-й лист (например, в теплицах после перегибания плети через шпалеру) отбирают молодые, не
загрубевшие, хорошо освещаемые листья. В среднюю пробу отбирают растения
наиболее характерные для исследуемой площади. На одну пробу должно при53
ходиться не менее 200 точек отбора листьев (отбирается часть листа площадью
2-3 см2), расположенных равномерно по всей площади. При слабой выравненности грунтов по химическому составу с участков, на которых растения имеют
выраженные нарушения в своем развитии, необходимо отбирать отдельные
пробы. Отбор проб листьев производят в полиэтиленовые пакеты. Срок доставки листьев для анализа должен быть по возможности коротким – не более 3040 мин. Однако, при хранении проб в холодильнике при температуре +5-6°С, он
может быть увеличен до 2-3 часов.
Метод позволяет в течение 40-50 минут определить потребность любых
растений в 12-15 макро- и микроэлементах питания и дать рекомендации по
проведению корневых и некорневых подкормок, что особенно важно при введении новых сортов и при расширении ассортимента культур. Данный метод
может использоваться для диагностики питания растений, выращиваемых, как
на грунтах, так и на гидропонике
Экспрессность метода позволяет перед каждой подкормкой растений количественно определить потребность в макро- и микро- элементах и скорректировать питание растений в каждом поле (вплоть до отдельного растения) по
азоту, фосфору, калию, кальцию, магнию, бору, меди, цинку, железу, марганцу,
молибдену, кобальту, иоду.
Данный метод используется уже во многих хозяйствах России, Белоруссии и Украины, в том числе в Ивановской области (“Тепличный”) с 1990 года, а
в Московской области (“Белая дача”) с 1992 года. Использование метода в производстве показало его высокую эффективность.
Весь комплект лабораторного оборудования, реактивов и расходных материалов размещается в чемодане на колесиках весом до 7 кг. Анализ может
выполнять лаборант, рекомендации для проведения подкормок должен выдавать специалист по питанию растений.
В настоящее время есть возможность на фотометре проводить химический анализ растворов нитратного и аммонийного азота, фосфора, калия, бора,
марганца, общего железа, цинка, меди и молибдена. Стоимость необходимых
реактивов определяется исходным образцом (почва или раствор) и количеством
определений (кратно 10).
Государственные стандартные образцы состава зерна, аттестованные
по показателям питательной ценности и токсикологического загрязнения, являются средством метрологического обеспечения и могут применяться для поверки, калибровки, градуировки средств измерений; метрологической аттестации методик выполнения измерений и контроля погрешностей методик выполнения анализа в процессе их применения; проведения межлабораторных сравнительных испытаний в качестве контрольного образца, позволяющего обеспечить необходимую точность измерений и достоверность оценки качества и безопасности зерновых культур, а также кормов, пищевой продукции на их основе.
2.
Значение содержания воды в образцах и методы ее определения.
Использование показателей влажности и содержания сухого вещества для
научных исследований и практики.
54
Вода. В тканях растущих вегетативных органов растений содержание воды колеблется от 70 до 95%, а в запасающих тканях семян и в клетках механических тканей — от 5 до 15%. По мере старения растений общий запас и относительное содержание воды в тканях, особенно репродуктивных органов, снижается.
Функции воды в растениях обусловлены присущими ей физическими и
химическими свойствами. Она обладает высокой удельной теплоемкостью и
благодаря способности испаряться при любой температуре предохраняет растения от перегрева. Вода — прекрасный растворитель для многих соединений, в
водной среде происходит электролитическая диссоциация этих соединений и
усвоение растениями ионов, содержащих необходимые элементы минерального
питания. Высокое поверхностное натяжение воды определяет ее роль в процессах поглощения и передвижения минеральных и органических соединений. Полярные свойства и структурная упорядоченность молекул воды обусловливают
гидратацию ионов и молекул низко- и высокомолекулярных соединений в
клетках растений.
Вода является не просто наполнителем растительных клеток, но и неотделимой частью их структуры. Оводненность клеток тканей растений обусловливает их тургор (давление жидкости внутри клетки на ее оболочку), является
важным фактором интенсивности и направленности разнообразных физиологических и биохимических процессов. При непосредственном участии воды происходит огромное число биохимических реакций синтеза и распада органических соединений в растительных организмах. Особое значение вода имеет в
энергетических преобразованиях в растениях, прежде всего в аккумуляции солнечной энергии в виде химических соединений при фотосинтезе. Вода обладает
способностью пропускать лучи видимой и близкой к ней ультрафиолетовой части света, необходимой для фотосинтеза, но задерживает определенную часть
инфракрасной тепловой радиации.
Содержание воды в растениях зависит от вида и возраста растений, условий водоснабжения, транспирации и в определенной степени от условий минерального питания. Влагообеспеченность наряду с другими факторами внешней
среды оказывает значительное влияние на величину, качество урожая сельскохозяйственных культур и эффективность удобрений.
Сухое вещество. Сухое вещество растений на 90-95% представлено органическими соединениями — белками и другими азотистыми веществами, углеводами (сахарами, крахмалом, клетчаткой, пектиновыми веществами), жирами,
содержание которых определяет качество урожая.
Сбор сухого вещества с товарной частью урожая основных сельскохозяйственных культур может колебаться в очень широких пределах — от 15 до 100
ц и более с 1 га.
Содержание воды и сухого вещества являются важными показателями
видовой принадлежности и физиологического состояния растений, широко используются при оценке качества продукции и научных исследованиях. Их
определяют весовым методом.
55
Освоить весовой метод определения содержания воды и сухого вещества
и определить эти показатели у различных растений и их органов магистранты
смогут во время проведения лабораторных работ.
Для определения содержания влаги измельченный растительный материал помещают, заполнив около половины объема бюкса, и взвешивают. После
этого крышку бюкса снимают, ставят на нее бюкс, помещают в сушильный
шкаф и высушивают до постоянной массы при температуре 105 °С (определяют
путем повторного взвешивания через 10-15 минут).
При выполнении необходимо соблюдать следующие правила. Бюкс с
навеской необходимо ставить в предварительно нагретый до 105 °С сушильный
шкаф. Материал в бюксе должен лежать рыхло. Бюксы нельзя приближать
близко к стенкам шкафа, которые могут иметь более высокую температуру.
Вынимать бюксы из шкафа надо с помощью щипцов. После высушивания бюкс
с сухой навеской вынимают из шкафа, закрывают крышкой и помещают для
охлаждения в эксикатор, затем взвешивают. Производят расчет содержания
влаги и эти данные используют при расчетах на абсолютно сухую навеску, что
дает возможность обоснованно и корректно сравнивать между собой различные
варианты изучаемых образцов одного типа.
3.
Классические и современные методы определения белков (азота),
жиров, сахаров, органических кислот, витаминов, активности ферментов
Одним из важнейших показателей качества продукции, определяющим ее
пищевую ценность, является содержания белка. Классическим способом определения белка является метод, разработанный еще в 1883 году датским химиком Иоганном Кьельдалем, который впоследствии был назван его именем. Это
очень трудоемкий и продолжительный анализ, и потому в современной лабораторной практике метод Кьельдаля часто пытаются заменить альтернативными
методами определения белка, в том числе, с использованием дорогостоящих
программно-аппаратных комплексов. Но метод Кьельдаля, несмотря на его
сложность, до сих пор остается единственным общепризнанным арбитражным
методом определения белка, и чаще всего используется в качестве эталонного
для калибровки и настройки других методик анализа сырья и готовой продукции. По этой причине аппараты для определения белка по методу Кьельдаля
есть практически в каждой лаборатории по анализу пищевой продукции, а альтернативные методики применятся только как вспомогательные при очень
большом количестве ежедневных анализов. Для предприятия, только начинающего становление своей лаборатории, безусловно, предпочтительным является именно метод Кьельдаля.
Почему же методу Къельдаля, не смотря на более чем 120-летнюю историю, до сих пор не найдено достойной альтернативы? Причиной тому - высокая
специфичность выбранной реакции окисления белка серной кислотой, в результате которой разрушаются пептидные связи в его молекуле и образуются ионы
аммония, которые в последующем и могут быть легко проанализированы стандартными методами. Однако воспроизводимость и точность метода Кьельдаля
в существенной степени зависит от опыта аналитика. Стремясь свести к минимуму влияние человеческого фактора на результаты анализа, ускорить выпол56
нение методики и повысить ее безопасность, ведущие производители аналитического оборудования разработали специализированные комплекты оборудования для анализа по методу Кьельдаля. Метод включает в себя несколько основных этапов: отбор и подготовку проб, мокрое озоление, отгонку с паром и
определение концентрации аммония (фотометрически или титриметрически).
Для каждого этапа предусмотрены свои аппаратные решения, которые в настоящее время фактически стали стандартом де-факто и практически полностью
заменили действия, выполняемые лаборантом вручную.
Метод БИК-спектроскопии. В настоящее время во многих странах мира
для оперативного (экспрессного) анализа целого ряда показателей качества некоторых видов сельскохозяйственной продукции широко применяется метод
спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК-спектроскопия). Инструментальную базу спектрального анализа составляют ИК-анализаторы и
спектрофотометры. Основными достоинствами всех известных приборов являются:
значительное сокращение времени на проведение анализа;
существенная экономия энергоресурсов;
применение недорогостоящих расходных материалов и химических реактивов;
менее жесткие требования к квалификации обслуживающего персонала,
производящего рутинные измерения (по сравнению с их коллегами, осуществляющими традиционные лабораторные методы анализа).
Техническая ценность масличных культур в первую очередь определяется
количеством жира в их семенах. Стандартными методами определения масличности являются экстракция в аппарате Сокслета и рефрактометрия.
В экстракционном методе жир из навески семян извлекают с помощью
растворения его этиловым эфиром. Потом эфир отгоняют, жир сушат, взвешивают и рассчитывают из полученной массы его процентное содержание. Перед
анализом семена дополнительно подсушивают для уменьшения содержания в
сыром жире дополнительных веществ, растворимых в эфире.
Метод экстрагирования длительный и громоздкий, требует тщательной
подготовки всего оборудования и семенной пробы, а также перегонки растворителя. Лишь этап экстракции длится около 20 часов, а при необходимости
долгой просушки семян анализ может занимать несколько суток.
Ускоренное определение масличности можно осуществить с помощью
жирового рефрактометра. Жир извлекается нелетучим растворителем, а его
концентрация определяется по разнице показателей преломления жира и растворителя. Время для проведения таких измерений требуется значительно
меньше, чем при экстрагировании, однако анализ также требует тщательной
подготовки, точного взвешивания и расчета, следования технологии. И в том, и
в другом методе есть вероятность ошибки лаборанта.
ИК-анализаторы зерна дают возможность проведения экспресс-анализа
для количественной оценки содержания жира в пробе. При этом в анализаторах, работающих на пропускание, не требуется проводить размол пробы и измерение занимает всего несколько минут. Жир, находящийся в семенах, влияет
на их спектр в инфракрасной области, давая полосы поглощения с интенсивно57
стью, зависящей от его концентрации. Полученный спектр анализируется с помощью программного обеспечения на основе данных, собранных в лабораториях разработчиков, и на экране прибора отображаются готовые численные значения концентрации, не требующие пересчета, как в химических методах анализа.
Функцию определения жировой компоненты в семенах масличных и других культур (сои, кукурузы, подсолнечника, рапса) имеют анализаторы Спектран, Спектран-ИТ, Инфраскан, Cropscan и другие. Данные о доступных анализах и поставляемых калибровках смотрите в описании конкретного прибора.
Преимущества, инфракрасной спектроскопии перед другими методами
определения масличности:
- Высокая скорость и производительность. Для определения параметров ИКанализатору зерна нужно всего несколько минут.
- Нет необходимости в реактивах или других расходных материалах, подготовке пробы и создании специальных условий для анализа.
- При постоянном пользовании прибором себестоимость одного измерения становиться очень малой.
- Получение конечных данных. Нет необходимости в анализе и пересчете результатов измерений.
Инфракрасный анализатор зерна станет хорошей альтернативой химическим и другим методам с точки зрения времени и удобства измерений и может
заменить лабораторию для небольших сельскохозяйственных предприятий, в
которых ее содержание нецелесообразно.
Так, например, инфракрасный анализатор «ИнфраЛЮМ® ФТ-10» – стационарный лабораторный прибор, который может быстро определить состав и
качество таких продуктов, как пшеница, ячмень, рожь, овес, пшеничная и ржаная мука, кукуруза, соя, соевая мука, соевый шрот, подсолнечный жмых и
шрот, мясокостная мука, рыбная мука, кормовые дрожжи, комбикорма, сухое
молоко, молоко, йогурты, творога, сыры, сырные массы, мясные фарши и др.
Большинство типов проб анализируются без подготовки. Некоторые
твердые несыпучие пробы (подсолнечный жмых, соевый шрот) или пробы в
сильнопоглощающих оболочках (семена подсолнечника) необходимо предварительно измельчить. «ИнфраЛЮМ ФТ-10» сконструирован так, чтобы максимально упростить подготовку пробы и увеличить точность анализа.
«ИнфраЛЮМ ФТ-10» основан на регистрации спектров поглощения с использованием эффективного метода фурье-преобразования. «ИнфраЛЮМ ФТ10» измеряет спектр на нескольких сотнях длин волн. Это значительно улучшает точность анализа за счет большего объема и высокой точности обрабатываемой информации.
Отличительные особенности прибора:
одновременное определение нормируемых показателей за минуты;
высокая точность и простота анализа;
анализ проводится без реактивов, для большинства типов - без пробоподготовки;
надежные градуировки (градуировочные модели), возможность их обновления;
58
возможность переноса градуировочных моделей с одного прибора на
другой;
русскоязычная программа;
аттестованные методики анализа.
Особенности программного обеспечения:
Программа «СпектраЛЮМ/Про®» позволяет пользователю изменять градуировки и разрабатывать собственные градуировочные модели. При разработке
градуировок используются самые современные математические модели - метод
частных наименьших квадратов (PLS), метод регрессии по главным компонентам (PCR).
4.
Роль макро- и микроэлементов в растениях
В состав растений входят вода и сухое вещество, представленное органическими и минеральными соединениями. Соотношение между этими компонентами в растениях, их органах и тканях изменяется в широких пределах.
Содержание сухого вещества в плодах овощных и бахчевых культур может составлять до 7 % их массы, а в зерне хлебных злаков и бобовых культур –
85-90 %. Содержание воды в тканях растущих вегетативных органов растений
колеблется от 70 до 95 %, а в запасающих тканях семян и в клетках механических тканей от 5 до 15 %.
Сухое вещество представлено на 90-95 % органическими соединениями –
белками и другими азотистыми веществами, жирами и углеводами, содержание
которых определяет качество урожая и растениеводческой продукции.
Ценность отдельных органических соединений зависит от вида и характера использования растениеводческой продукции. Основные вещества, определяющие качество урожая зерна хлебных злаков, - белки и углеводы.
Азот – один из основных элементов, необходимых для роста и развития
растений. Он входит в состав простых и сложных белков, нуклеиновых кислот
(РНК и ДНК), хлорофилла, витаминов, ферментов и т.д. Источником азота для
растений являются соли азотной кислоты и аммония.
Белковые вещества обладают достаточно высокой молекулярной массой и
содержат кроме углерода, водорода и кислорода еще азот, серу и фосфор. Процентное содержание этих элементов в типичных белках колеблется в следующих пределах: С— 60-55 %, Н —6,9-7,3 %, N— 15-19 %, О— 19-24 %, S—0,82,4 %, Р— 0-0,8 %.
Имеются белковые соединения без фосфора — простые белки; белки же,
составляющие главную массу клеточных ядер, постоянно содержат фосфор.
Белки являются главной составной частью протоплазмы клеток животных и
растений и представляют собой непременную материальную основу жизненных
явлений: каждая живая клетка содержит белок. Белок присутствует в растениях
в ядре, плазме клетки, в растворе клеточного сока, а также в твердом виде, образуя запасные вещества — эндосперм злаков, семядоли бобовых. Содержание
белка в растениях зависит от условий произрастания их и возраста: молодые,
растущие части, почки, листья, камбий богаче белком, чем отживающие старые
части растений. Степень обеспеченности растений азотом оказывает влияние на
содержание белков в растениях.
59
Содержание белковых веществ в различных
сильно колеблется (таблица 9).
растениях
и их органах
Таблица 9 - Содержание белка в семенах различных растений
Культура
Соя
Люпин
Горох
Пшеница
Овес
Рис
Содержание белка, %
33,0
32,0
22,4
13,0
12,0
8,0
Фосфор. Без фосфора невозможна жизнь не только высших растений, но и
простейших организмов. Подавляющее большинство процессов обмена веществ в растении происходит лишь при участии фосфорной кислоты.
В растении фосфор содержится в минеральной и органической формах.
Минеральная форма фосфора представлена в виде солей Ca, K и Mg ортофосфорной кислоты, но их мало. Основная часть фосфора в растениях содержится в органической форме и входит в состав ряда веществ: 1) - нуклеиновых
кислот, которые участвуют в синтезе белка, росте и размножении передаче
наследства (ДНК – дезоксирибонуклеиновая и РНК – рибонуклеиновая кислоты); нуклеиновые кислоты содержатся в любой растительной клетке; их масса
составляет 0,1-1,0 % от сухой массы растения; 2) - фосфоропротеидов (белки
ферменты); 3) – фосфатидов, представленных сложными эфирам глицерина,
жирными высокомолекулярными кислотами и фосфорной кислотой, связанной с холином и каламином; фосфатиды образуют белково-липидные мембраны, которые регулируют проницаемость клеточных органелл и плазмолеммы;
содержание фосфора в семенах пшеницы достигает 0,6 %, а в сое – до 2 %; 4) –
фитина (фосфорсодержащее безазотистое соединение); в молодых органах,
тканях и семенах растений содержание фосфора в фитине составляет 0,5-2, 0 %;
5) – фосфорных эфиров сахаров, которые принимают участие в фотосинтезе,
дыхании и превращении углеводов в сахара; содержание фосфора в этих соединениях колеблется от 0,1 до1,0 %; 6) – АТФ (аденозинтрифосфорная кислота),
которая является акцептором энергии.
Обмен веществ, в различных стадиях развития растений сопровождается
переходом фосфора из одних соединений в другие. Например, прорастание семян характеризуется сильным снижением фосфора органических соединений и
увеличением фосфора неорганической формы, которая передвигается в места
образования новой ткани и участвует и синтезе органических соединений ткани. Процесс созревания семян характеризуется, усилением притока в них фосфора в форме неорганических соединений и отложением фосфора преимущественно в форме фитина.
Основным источником фосфора для растений являются соли ортофосфорной кислоты, которые диссоциируют в почве на 3 иона – H2PO4-, HPO42- и
PO43. Соли NH4+, Na+ и K+, образованные на основе ортофосфорной кислоты,
60
легко растворимы в воде и хорошо усваиваются растениями. Двухзамещённые
фосфаты Ca2+ и Mg2+ в свежеосажденном состоянии хорошо растворимы в воде. Они хорошо растворимы в слабых кислотах, в том числе и органических,
выделяемых корнями растений. Это является важнейшим источником обеспечения растений усвояемыми формами фосфора. Основная масса растений 3-х
замещенные фосфаты не усваивает. Частично усваиваются свежеосажденные
фосфаты железа и алюминия. Однако эти соединения хорошо усваивают люпин, гречиха, горчица, эспарцет, донник и горох, в результате высокой кислотности корневых выделений у этих растений (рН=4-5). Пoглощённые окисленные неорганические соединения фосфора вступают в растениях в биохимические процессы, не подвергаясь восстановлению, что составляет их отличительную особенность в сравнении с нитратами.
Растения поглощают фосфор из питательной среды наиболее интенсивно
в первый период своего развития (до цветения), в дальнейшем происходит перераспределение внутри растения в направлении обеднения фосфором листьев
и стеблей и обогащения семян (это далеко не означает, что полное лишение
растений фосфора после цветения не имеет отрицательного влияния). Например, отдельные исследователи наблюдали, что при созревании овса в семена
перешло 7,2 г Р2О5 в пересчете на 1 000 растений. За это же время эти же 1 000
растений поглотили из почвы только 4 г Р2О5. Следовательно, момент созревания растений характеризуется концентрированием фосфора в репродуктивных
органах и обеднением вегетативных.
Долголетняя практика показывает положительное влияние фосфатного
питания на ускорение созревания растений, в частности хлебов, и увеличение
содержания углеводов в растениях — тростникового сахара у свеклы и крахмала у картофеля.
При недостатке фосфора происходит снижение урожая, недобор белка,
задерживается образование органических кислот. Признаками недостатка фосфора является темно-зеленая с синеватым оттенком пластинка листа с краснофиолетовой окантовкой.
При нормальном обеспечении растений фосфором развитие растений
ускоряется. Они становятся более устойчивыми к полеганию. Возрастает сбор
урожая и улучшается его качество.
Избыток фосфора приводит к ускорению развития растений (вегетационный период укорачивается). В семенах накапливается много минерального
фосфора. Происходит снижение урожая и качества производимой продукции.
Калий относится к числу питательных элементов с особыми физиологическими функциями, отличными от азота, фосфора и серы. В растении калий
находится в ионной форме и не входит в состав органических соединений клеток. Его проницаемость через мембрану клетки значительно выше, по сравнению с другими ионами, за исключением иона Н+. Калий стабилизирует структуру хлоропластов и митохондрий, способствует образованию АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Он повышает степень дисперсности цитоплазмы, тем
самым способствует удержанию воды в клетках растения в период засухи; холодостойкость и зимостойкость, путём повышения осмотического давления сока; усиливает синтез высокомолекулярных углеводов (целлюлоза, пектиновые
61
вещества). Нормальное калийное питание способствует утолщению стенок
стеблей у злаков и как следствие способствует снижению полегания растений,
улучшает качество волокна у прядильных культур. Имеются указания на то, что
калий способствует образованию механических элементов растений, в частности сосудисто-волокнистых пучков.
Особенно богаты калием молодые и жизнедеятельные органы: молодые
листья, почки и др.; в них содержание калия составляет свыше 50% всех зольных элементов. Калий находится внутри клеток, в цитоплазме и вакуолях, преимущественно в клеточном соке (до 80 %). Согласно данным акад. С. П. Костычева и др. водой удается извлекать из растения около 90—95% калия от общего его содержания в растении, на основании чего и делается заключение, что
калий находится в растениях преимущественно в водорастворимой форме.
Калий играет активную роль в углеводном обмене веществ в растении,
способствует накоплению углеводов у свеклы, крахмала и картофеля, моносахаридов в плодах и овощах. К числу калиелюбивых растений кроме корнеклубнеплодов (свекла, картофель) относится и табак. Существует мнение, что
оптимальные условия калийного питания благоприятно влияют как на первичный синтез простейших углеводов при ассимиляции углерода, так и на взаимное превращение углеводов друг в друга и на их передвижение. Процессы ассимиляции и передвижения углеводов между собой идут строго координировано. Например, благоприятное действие калия на передвижение углеводов может иметь своим следствием увеличение энергии фотосинтеза.
Установлено, что недостаток калия приводит к метаболизму в растении,
ослабляет деятельность некоторых ферментов, что приводит к нарушению углеводного и белкового обмена. Происходит увеличение затрат сахаров на дыхание, снижение всхожести семян; повышается их щуплость; усиливается поражение растений болезнями. Недостаток калия тормозит деление, рост и развитие клеток, замедляет отток из листьев продуктов фотосинтеза. Недостаток
калия отрицательно влияет на образование семян. Абсолютный вес их бывает
меньше, кроме того, при калийном голодании семена иногда теряют всхожесть.
Критический период при недостатке калия – первые 15 дней после появления
всходов. Наибольшее потребление калия происходит в период интенсивного
прироста биомассы.
Необходимо отметить, что внесение калия в питательную среду, в которой отсутствует кальций, может вызвать отравление корней, поэтому определенное соотношение в питательной среде между калием и кальцием является одним из важных условий благоприятного действия калия на рост растений.
Сера усваивается растениями в форме солей серной кислоты (K2SО4,
CaSO4 и др.). Содержание серы в различных растениях колеблется в широких
пределах. Наиболее бедными серой оказываются хлебные злаки. Содержание
серы в пересчете на SO3 в зернах злаков составляет 0,35— 0,40%, в то время как
в капусте это значение достигает 2,05% SO3 от массы сухого вещества. Сера
входит в состав белковых соединений растений, причем содержание серы в
белке гораздо ниже, чем азота (от 0,4 до 2,8% от массы белка); кроме того сера
входит в состав некоторых аминокислот и других органических соединений,
62
например горчичных масел (крестоцветные).
Кальций. Содержание кальция в различных растениях и
сильно варьирует (таблица 10).
их
органах
Таблица 10 - Содержание кальция в различных частях растений
(по данным Штуцера)
Культура
Вид продукции
Содержание СаО,
% на воздушно-сухое вещество
Озимая пшеница
Зерно
Солома
Зерно
Солома
Зерно
Солома
Зерно
Солома
0,07
0,28
0,10
0,39
0,22
0,56
0,28
0,97
Ячмень
Вика
Люпин
Из приведенной таблицы видно, что кальций относительно больше
концентрируется в стеблевых органах, содержание же его в семенах
относительно низко.
Щавелевокислый кальций является преобладающей формой кальция
в растениях. Кальций в растениях находится также и в форме кислых и углекислых солей. Формы соединений кальция в растениях определяют и то,
что в отличие от калия водой из растений кальция извлекается только 20—
50°/0 от всего его содержания.
По мнению некоторых авторов, кальций в высших растениях принимает
участие в азотистом обмене, способствует синтезу белковых соединений за
счёт аминокислот.
Установленным фактом является благоприятное влияние присутствия
кальция в питательной среде на развитие кормимой системы, так как кальциевое питание способствует развитию мелких корневых волосков, играющих
активную роль в промессе поглощении солей и волы.
Роль катиона кальция отчетливо проявляется в создании «физиологически уравновешенного раствора». Физиологами и ботаниками давно установлен факт определенного обезвреживания одностороннего избытка калия или
магния солями кальция. Кроме того, вредное влияние высокой концентрации Ниона в питательной среде значительно смягчается наличием катиона кальция в
растворе.
Микроэлементы. В растениях микроэлементы либо входят в состав ферментов, либо активируют их работу. Поэтому, если ферменты - катализаторы,
то микроэлементы можно назвать «катализаторами катализаторов». Они необходимы растениям в ничтожно малых количествах; увеличение и уменьшение
концентрации их в растворе сверх оптимальной приводит к угнетению и даже
гибели организма. Отрицательное действие неоптимальных доз микроэлементов также связано с нарушением деятельности ферментативного аппарата кле63
ток и, следовательно, обмена веществ в растениях.
Магний. В отношении физиологической роли магния является строго установленным то, что он входит в состав хлорофилла, который играет важную
роль в процессе фотосинтеза. Кроме того, известно, какое положение занимает
магний в сложной формуле хлорофилла, а также и то, что с магнием непосредственно связан процесс присоединения угольной кислоты к хлорофиллу и ее
восстановление в формальдегид (т. е. первая стадия фотосинтеза).
Предполагают, что магний играет роль в синтезе жиров в растениях. В отличие от кальция магний концентрируется в семенах, а содержание его в стеблевых органах ниже, чем в семенах. В связи с этим указывают на то, что магний
является спутником фосфора. Из этого делают заключение, что передвижение
фосфора в растении происходит преимущественно в форме магниевых солей
фосфорной кислоты.
Железо. Характерным внешним признаком недостатка или отсутствия железа является пожелтение листьев растений; это явление называют хлорозом, и
заключается оно в том, что при хлорозе сильно расстроен процесс образования
хлорофилла. Бесхлорофилльные растения лишены зеленой окраски. На этом
основании предполагают, что железо, не входя непосредственно в состав хлорофилла, чем и отличается его роль от магния, является необходимым элементом для процесса синтеза хлорофилла и растениях. Железо является катализатором в реакциях окисления, сопровождающих процесс синтеза хлорофилла.
Бор. К числу элементов, необходимых в малом количестве для полного
развития растений, относятся бор и марганец. Бор широко распространен в
природе в виде кислородных соединений борсодержащих минералов борной
кислоты (Н3ВО3) и буры (Na2B4O7· 10H2O). Наибольшее количество бора в растении находится в рыльцах и столбиках цветов, усиливая тем самым рост кольцевых трубок. Он способствует также лучшему прорастанию пыльцы. Содержание бора (в процентах борной кислоты от сухой массы) измеряется следующими примерными величинами: кукуруза — в соломе до 0,018%, овёс — в
зерне до 0,0108%, пшеница — в зерне до 0,0085%; конопля — в стебле до
0,0088%.
Опытными данными установлено, что 1 частица борной кислоты на
50 тыс. частиц воды является достаточной для стимуляции роста ячменя и
гороха. Положительная физиологическая роль бора сказывается в том, что он
способствует лучшему обмену углеводов, благоприятствуя их передвижению.
Опытными данными установлено положительное действие бора на развитие
клубеньковых бактерий бобовых растений, так как бор благоприятствует более
интенсивной фиксации бобовыми элементарного азота воздуха.
Внешним признаком голодания растений бором является отмирание точки
роста у растений, поражение «сухой гнилью» у корнеплодов, пожелтение люцерны, усыхание верхушек у табака. Необходимо иметь в виду, что известкование приводит к уменьшению доступности бора растениям.
Марганец присутствует во всех живых клетках. Он принимает участие в
регулировании окислительно-восстановительных процессов, участвует в синтезе аскорбиновой кислоты, необходим при восстановлении в растении нитратов
и нитритов до аммиака. Содержание марганца в некоторых растениях может
64
быть охарактеризовано следующими примерными величинами (процент к сухому веществу): лен — семена 0,0038; конопля—семена 0,0165; люпин - семена
0,0678; шпинат — надземная часть 0,0141%. Для проявления положительного
действия марганца на рост растений достаточно его содержания в питательном
растворе в количестве 0,02—0,2 части на 1 млн. частей раствора, т. е. в 500 или
5 000 раз меньше, чем азота.
Марганец необходим для процесса фотосинтеза, в частности для образования хлорофилла. Недостаток марганца вызывает серую пятнистость, пожелтение листьев и их хлороз. Кроме того, в растениях понижается содержание
крахмала и сахара.
Таким образом, соединения элементов минерального питания, составляя
сравнительно небольшую часть общего состава растений, играют существенную роль во всей совокупности физиологических процессов. В основном
значение их можно свести к следующим общим положениям:
1. Синтез в растениях основных веществ невозможен в отсутствии элементов минеральной пищи; например, образование белковых соединений совершенно исключено при отсутствии азота, фосфора, серы, ибо они
входят в качестве составной части этих веществ. Кроме того, определенные
соединения серы и азота в растениях играют роль катализаторов для ряда
процессов. Калий, магний, железо имеют непосредственное отношение к
процессу ассимиляции растениями углерода, т. е. синтезу углеводов.
2. Минеральные вещества (соли калия, кальция, фосфора и других питательных элементов) регулируют физико-химические свойства клетки и
тем самым оказывают сильное влияние в ту или иную сторону на ее биологические функции; ферментативные процессы, направляющие синтез и
распад соединений, связаны с влиянием на них элементов минерального питания.
3. Питательные элементы, взятые в питательной смеси в определенных количественных соотношениях, создают физиологически «уравновешенный раствор». В настоящее время твердо установлено, что взятые порознь соли могут быть ядовиты для растений. Соли же, взятые в питательную среду в
определенных соотношениях, создают оптимальные условия для роста
растений. Специфически благоприятную роль в этом отношении оказывают
соли кальция.
4. Условия минерального питания влияют на состав растений и качество урожая. Например, накопление соответствующего процента сахара в сахарной
свекле требует заботливого обеспечения этой культуры, в особенности
фосфором и калием. Крахмалистость картофеля повышается улучшением калийного питания и понижается от хлора (техника внесения в почву
хлорсодержащих калийных удобрений — сильвинита — внесением его заблаговременно до посева позволяет устранить отрицательное действие хлора
и использовать положительное действие калия).
5. Минеральным питанием, можно регулировать темп развития отдельных органов и растения в целом. Так, достаточная обеспеченность растения фосфором и оптимальные сроки питания ускоряют созревание растений и
способствуют образованию репродуктивных органов; фосфатное питание
65
оказывает благоприятное влияние на развитие корневой системы. Исключительная ценность рядкового фосфатного удобрения под сахарную свеклу
обосновывается главным образом тем, что рядковое фосфатное удобрение благоприятно сказывается на развитии корневой системы.
На основании современных научных данных агрохимии и физиологии является вполне установленным, что все сложнейшие процессы, протекающие в
клетке, тканях и отдельных органах растения и определяющие его рост, развитие и состав, неразрывно связаны с процессами минерального питания растений. Расстройство этой стороны их жизни приводит к болезни или полной гибели растений. Наоборот, создание благоприятных условий минерального питания растений обеспечивает получение наивысшего и лучшего качества урожай.
Поэтому обеспеченность растений элементами питания необходимо контролировать по их химическому составу с учетом биологических возможностей
и особенностей сорта, темпов роста и продолжительности различных периодов
вегетации. Это возможно при осуществлении растительной диагностики, методы и виды которой были рассмотрены при изучении дисциплины «Агрохимия»
и вначале данной темы.
5. Использование данных биохимического анализа
для оценки качества зерна (семян) и готовой продукции
Биохимический анализ включает определение химического состава зерна
и/или семян, а также продуктов их переработки; биохимические процессы, протекающие при созревании, хранении и переработке зерна. Биохимический анализ позволяет осуществить пищевую ценность зерна и продуктов их переработки.
Изучение и выявление закономерностей варьирования признаков качества и их взаимной обусловленности – задача исключительной важности. И в
этом одна из первостепенных задач не только биохимического, но и других видов анализа сырья и готовой продукции.
Исследования биохимических и технологических свойств и показателей
качества зерна можно проводить на образцах, выращенных на различных уровнях окультуренности почвы.
Большое значение имеет дальнейшая разработка и совершенствование на
основе биохимических данных объективных методов оценки качества зерна и
муки, а также методов технохимического контроля технологических процессов
и качества готовой продукции.
В последние годы особое значение приобретает разработка и внедрение
специальных экспрессных и автоматических методов на основе хроматографии,
электрофореза, спектроскопии, люминесцентного и изотопного анализа, а также других современных методов химического и физического анализа.
Ускоренные системы оценки химического состава зерна, промежуточных
и конечных продуктов его переработки можно включить в общую технологическую схему и создать предпосылки для сокращения времени для оценки качества продукции.
66