ХИМИЯ ПОЧВЫ

ИЗУЧЕНИЯ ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА. Метод отпрессовывания почвенного раствора, лизиметрический метод

В настоящее время изучение почвенного раствора осуществляется тремя путями: 1) изучение почвенного раствора без предварительного его выделения, т. е. непосредственно в почве; 2) изучение почвенного раствора, выделенного из почвы тем или иным способом и 3) изучение почвенного раствора при помощи водных вытяжек.

1.         Изучение почвенного раствора без его выделения дает возможность составить представление лишь о некоторых его общих свойствах. Сюда можно отнести: определение концентрации почвенного раствора по его электропроводности или по точке замерзания; определение активности ионов Н+ (рН), ионов С1~и Na+; определение окислительно-восстановительного потенциала. В большинстве случаев эти определения проводятся в почвах, предварительно увлажненных до состояния пасты.

2.         Гораздо больше данных можно получить при исследовании почвенного раствора, выделенного из почвы. Для выделения почвенного раствора могут быть использованы различные методы: а) выжимание (отпрессовывание) путем применения высоких давлений, б) центрифугирование и в) замещение (вытеснение) другой жидкостью; возможно и сочетание замещения почвенного раствора другой жидкостью с выжиманием его при помощи пресса. К этой же группе методов относится лизиметрический метод, сущность которого заключается в получении из того или иного горизонта почвы почвенного раствора, вытесняемого в естественных условиях дождевой или талой водой.

В последние годы в разработке этих методов достигнуты дольшие успехи, что позволяет рассчитывать на возможность их широкого применения (Крюков и Комарова, 1956; Каури- чев, Комарова и др., 1963).

а) Выжимание почвенного раствора осуществляется при помощи прессов, сложность конструкций которых увеличивается по мере увеличения заданной величины производимого ими давления; последнее достигает 20 000 кГ/см . Чем меньше влажность почвы и чем больше ее во- доудерживающая сила, тем большее давление приходится применять для выделения почвенного раствора.

Для того, чтобы выделить свободную часть жидкой фазы и получить почвенный раствор из естественно влажных или орошаемых почв, нет надобности прибегать к высоким давлениям и мощным прессам. Вполне достаточно давление, развиваемое рычажным прессом или гидравлическим прессом небольшой мощности ( 45). Метод отжимания при относительно небольших давлениях (несколько сот килограммов на квадратный сантиметр) является вполне доступным и достаточно эффективным при исследовании почв с высокой естественной влажностью или орошаемых.

Для всех объектов, кроме торфа, влажность непрерывно уменьшается при возрастании давления; в торфе большое количество влаги оказалось неотжимаемым ().

б) Для выделения растворов из почв со значительной влажностью (близкой к полной влагоемкости) с успехом применяется сравнительно простой способ центрифугирования. Используются специальные стаканчики из плексиглаза в центрифуге, дающей 600 оборотов в минуту; почвенный раствор собирается в поддонник, отделенный от почвы решеткой с фильтром.

в) Достаточно доступным для широкого применения является метод выделения почвенных растворов путем его замещения другими жидкостями, в основном этиловым спиртом. В методе, разработанном Н. А. Комаровой (1956), узкие высокие трубки из стекла или пластмассы наполняются примерно на.4/5 длины почвой; сверху в трубку наливается вытесняющая жидкость. Просачиваясь под влиянием силы тяжести в почву, эта жидкость вытесняет почвенный раствор, который собирается в приемник у нижнего конца трубки ( 47).

Различные жидкости обладают различной вытесняющей способностью в зависимости от их физических свойств: удельного веса, вязкости, диэлектрической постоянной, поверхностного натяжения. Этиловый спирт оказался наиболее подходящей жидкостью как по высокой вытесняющей способности, так и по удобству работы с ним. Благодаря низкой величине поверхностного натяжения (22,76 дин/см против 72,75 дин/см для воды при 20° С) этиловый спирт не только вытесняет свободную часть почвенного раствора из каппилляров, но и замещает связанную воду.

Скорость вытеснения почвенного раствора зависит от механического состава почвы, ее пористости и влажности. Чем тяжелее почва, тем медленнее вытесняется почвенный раствор. Из тяжелых глинистых почв вытеснить раствор жидкостью практически невозможно. Смешивание почвы с песком, не внося изменений в химический состав почвенного раствора, делает возможным применение метода Р к почвам любого механического состава; соотношение почвы и песка устанавливается опытным путем и позволяет регулировать скорость просачивания.

На скорость процесса замещения значительное влияние оказывает и влажность почвы: чем выше эта влажность, тем медленнее вытесняется почвенный раствор.

Сравнение методов отпрессовывания почвенного раствора и вытеснения его этиловым спиртом показало, что полнота выделения почвенного раствора больше в последнем случае. Кроме того, вытеснение этиловым спиртом дает возможность получать раствор из почв с более низким содержанием влаги, чем метод отпрессовывания.

Л. А. Ричардсом (Richards, 1941) разработан метод выделения почвенного раствора при помощи давления газа (азота). Существенной частью прибора, сконструированного для этого метода, является хорошо укрепленная целлофановая мембрана, которая служит основанием (дном) камеры, куда помещается почва и создается давление газа. Под давлением в 16 атм влажность почв снижалась от полного насыщения до точки завядания в течение 24—26 ч.

Большое значение при исследовании почвенных растворов, полученных путем отпрессовывания или замещения, имеет вопрос об однородности состава последовательных фракций раствора. Мы видели выше, что почвенные растворы по самой природе своей неоднородны и имеют различную концентрацию в зависимости от расстояния от поверхности почвенных частиц: связанная часть почвенного раствора («нерастворяющий» объем почвенной влаги) имеет меньшую концентрацию, чем свободная часть.

В процессе вытеснения почвенного раствора первоначально происходит выход свободного раствора, а затем уже вытесняется связанная его часть. Соответственно этому, при анализе последовательно выделяемых фракций почвенного раствора, первые фракции (обычно большая часть вытесненного раствора) оказываются однородными по своему составу; меньшая часть раствора, получающаяся в конце выделения, имеет меньшую концентрацию ( 48).

Неоднородность растворов в разных случаях проявляется по-разному и зависит от степени дисперсности и гидрофильности твердой фазы почвы, а также от концентрации электролитов.

Высокодисперсные почвы, содержащие большие количества органического вещества, которое, как известно, обладает высокой гидрофильностью, содержат много связанной воды, отличающейся по своим свойствам от остальной части почвенного раствора, поэтому раствор, выделяемый из таких почв, неоднороден. В системах грубо- дисперсных (в легких почвах) при слабой гидрофильности минеральных веществ связанного раствора очень мало и при выделении его можно совсем не получить. Высокая концентрация электролитов также приводит к малому объему водной пленки. В засоленных почвах связанная часть почвенного раствора очень мала.

Кроме перечисленных методов, для исследования почвенного раствора применяется лизиметрический метод в различных его вариантах. Принцип метода заключается в том, что под колонку почвы, так или иначе обособленной от окружающей почвы, помещается приемник, в который собирается просачивающаяся через почву дождевая или талая вода; через некоторый срок собранный раствор извлекается из приемника и анализируется.

Существует несколько типов лизиметров. Лизиметры-контейнеры с бетонированными стенками и дном площадью 1—4 м2 и различной глубиной наполняются насыпной почвой и обычно засеваются растениями. Лизиметры-монолиты отличаются тем, что в них сохраняется строение и структура почвы в ее естественном залегании. Место закладки этих лизиметров окапывают со всех сторон траншеей и обносят кирпичными или бетонированными стенками; затем монолит подкапывают снизу и устанавливают на непроницаемое для воды дно, имеющее приспособление для сбора просачивающейся воды.

Лизиметры с насыпной почвой и лизиметры-монолиты позволяют получать растворы только с одной глубины, что ограничивает круг вопросов, которые могут изучаться при их помощи. Подставные лизиметры-воронки позволяют получать почвенный раствор с любой глубины и изучать его изменения по профилю. Е. И. Шиловой (1955) предложен метод плоских лизиметров закрытого типа, которые врезаются в почву и совершенно изолируются от сообщения с наружным воздухом.

В недавнее время разработан метод лизиметрических хромато- графических колонок (Кауричев и Ноздрунова, 1960). Метод основан на том, что в естественный профиль почвы вставляется колонка, в которой прослойки чистого кварцевого песка перемежаются с прослойками различных адсорбентов. При фильтрации через колонку почвенной влаги растворенные в ней вещества (как ионно-, так и молекулярнорастворенные) задерживаются соответствующими сорбентами. В качестве сорбентов используются окись алюминия, задерживающая железоорганические комплексные соединения, а также ряд органических веществ; катиониты и аниониты По окончании срока работы колонки вынимают для последующего анализа сорбентов. Колонки могут быть вмонтированы так, что раствор после фильтрации собирается в приемник. Это позволяет судить о количестве просочившейся жидкости.

К числу недостатков лизиметрического метода относится возможность получения лизиметрических вод лишь в периоды сильного переувлажнения почв, что отражается на их химическом составе (большая концентрация бикарбонатов благодаря увеличению парциального давления С02, чем в более сухие периоды). Кроме того, за период просачивания воды в лизиметры до момента взятия проб для анализа проходят более или менее длительные сроки, в течение которых могут развиваться микробиологические процессы, изменяющие химический состав изучаемых растворов.

Выбор тех или иных методов при изучении химического состава почвенного раствора зависит от целей исследования и должен производиться с учетом их особенностей.

3. До последнего времени наибольшее количество исследований почвенного раствора (особенно при изучении вопросов питания растений) проводилось при помощи водных вытяжек — метода, имеющего более чем столетнюю давность. Метод заключается в том, что почва обрабатывается водой в том или ином соотношении (1 : 3; 1:5; 1 : 10 и т. д.); после взбалтывания в течение некоторого времени (обычно несколько минут) производится фильтрование и фильтрат анализируется.

Легко понять, что водные вытяжки резко отличаются от естественного почвенного раствора как по концентрации отдельных компонентов, так и по общему количеству извлекаемых из почвы веществ. Вода, взаимодействуя с почвой, оказывает на нее разнообразные влияния. К основным видам воздействия воды на почвенные соединения при получении водных вытяжек относятся: а) растворение и б) гидролиз.

а)         Растворяющее действие воды касается прежде всего простых солей почвы, которые делятся на легкорастворимые (нитраты, нитриты, хлориды; сульфаты натрия и магния; карбонаты натрия); среднерастворимые (гипс) и труднорастворимые (карбонаты кальция и магния; фосфаты кальция, железа и алюминия). Уже при небольших количествах воды легкорастворимые соли целиком переходят в водную вытяжку. Среднерастворимые соли переходят в раствор при большом количестве воды и времени воздействия. При помощи водных вытяжек можно количественно учесть эти две группы солей. Труднорастворимые соли переходят в раствор в незначительных количествах. Изменения соотношений почвы и воды позволяют изучить характер и скорость растворения этой группы солей, что имеет существенное значение для суждения о динамике почвенного раствора. Кроме простых солей, вода растворяет, хотя и очень слабо, сложные соли (алюмо- и феррисиликаты), а также органические соединения почвы.

б)        Благодаря своему гидролизующему действию вода расщепляет находящиеся в почве соли сильных кислот и слабых оснований или слабых кислот и сильных оснований, придавая раствору в первом случае кислую, а во втором — щелочную реакцию. Так, сода, гидролитически расщепляясь, дает

Na2C03 + 2Н20 = 2NaOH + Н2С03

(щелочная реакция)

Хлорное железо, гидролизуясь, подкисляет реакцию, давая сильную кислоту и слабое основание:

FeCl3 + ЗН20 = Fe(OH)3 + ЗНС1.

(кислая реакция)

Это гидролизующее действие воды — одна из причин разных величин рН почвенного раствора и водных вытяжек.

Важным вопросом для методики водных вытяжек является вопрос о соотношении между почвой и водой. Этим вопросом много занимался К. К. Гедройц (1932). Им было показано, что с увеличением объема воды количество извлекаемых веществ растет для большинства почв. Однако здесь наблюдается определенная разница между отдельными почвами в зависимости от содержания в них легкорастворимых солей.

Ниже приведены данные Гедройца по количеству извлекаемых веществ в зависимости от соотношения между почвой и водой для незаселенных почв ( 97) и для засоленных почв ().

Концентрация водной вытяжки в незасоленных почвах падает при увеличении отношения воды к почве ( 97) и, следовательно, все более удаляется от концентрации почвенного раствора. Но общее количество извлекаемых водной вытяжкой веществ растет при увеличении объема растворителя за счет большего перехода в раствор труднорастворимых соединений.

Из натрового солончака () вода извлекает одинаковое количество веществ независимо от ее объема, т. е. общее количество веществ, переходящих в вытяжку при различных отношениях воды к почве, остается почти постоянным. Это объясняется тем, что легкорастворимые соли, преобладающие в натриевом солончаке, нацело переходят в раствор уже при небольшом объеме растворителя.

В случае почвы, содержащей гипс, мы видим уже иное: концентрация вытяжки остается почти постоянной при разных объемах воды, очевидно, соответствуя растворимости гипса. Общее количество растворенных веществ при этом растет почти пропорционально увеличению отношения между почвой и водой.

Таким образом, на основании изучения общего количества веществ, переходящих в водные вытяжки при разных соотношениях почвы и растворителя, можно сделать некоторые выводы о растворимости преобладающих почвенных соединений. Картина осложняется, если почва содержит одновременно и легко- и среднераство- римые соли.

Если отмеченные соотношения характерны для разных почв в отношении суммы минеральных веществ, то они могут значительно меняться для отдельных компонентов, входящих в состав почвенного раствора ( 99).

Труднорастворимые соединения, такие, как фосфаты, извлекаются водной вытяжкой в значительно больших количествах, чем они находятся в почвенном растворе. Что же касается легкорастворимых нитратов (NO3), извлекаемых водной вытяжкой, то оно близко к количеству этих ионов в почвенном растворе ().

Из сказанного видно, что водная вытяжка значительно отличается от почвенного раствора и не может дать полного представления о его составе и свойствах. В частности, водная вытяжка не дает правильного представления о содержании в почвенном растворе таких компонентов, растворимость которых связана с составом газовой фазы (как НСО3) или окислительно-восстановительными условиями (как Fe2+). Но для решения отдельных вопросов этот метод вполне пригоден. К таким вопросам прежде всего относятся содержание в почве легкорастворимых и среднерастворимых солей и их концентрации при разных состояниях влажности.