Методы определения биологической активности почв

Биологическая активность почвы выражается суммарным проявле­нием активности биохимических процессов и характеризует размеры и направление превращения веществ и энергии в почве, происходящего под действием живых организмов.

Показатели биологической активности почвы могут быть использованы при тестировании состояния почв. При загрязнении почв небольшими количествами органических соединений может наблюдаться возрастание некоторых показателей биологической активности, так как более интенсивно развиваются группы микроорганизмов, участвующих в переработ­ке дополнительных субстратов (фенолов, углеводородов). При загрязне­ниях тяжелыми металлами, оксидами серы, большими количествами раз­личных органических веществ преобладает токсический эффект, вследствие чего биологическая активность подавляется.

В качестве показателей активности, характеризующих экологическое состояние почвы, в литературе чаще всего рекомендуются следующие: выделение почвами диоксида углерода (дыхание почвы), активность ферментов, токсичность почв по отношению к тестовым организмам, различные аппликационные методы.

Интегральной характеристикой напряженности микробиологических процессов является скорость выделения углекислого газа. В большинстве случаев чем она выше, тем лучше экологическое состояние почвы. В оптимальных условиях скорость выделения углекислого газа может достигать нескольких кг/га в час.

Так как интенсивность дыхания почвы является исключительно вариабельной величиной и зависит от большого количества факторов (температурного режима, влажности, состояния фитоценоза и др.), для оценки экологического влияния загрязнений необходимо проводить сравнение данных, полученных на различных участках в близких условиях.

Для школьного мониторинга доступен абсорбционный метод Штатнова в котором количество выделившегося в течение определенного времени углекислого газа определяют по нейтрализации им раствора щелочи.

Определение дыхания почвы этим методом заключается в том, что поверхность почвы изолируют от окружающего воздуха сосудом, под которым помещают чашку с 2 мл 0,1 н. раствора КОН для поглощения угле­кислого газа. Через определенное время (0,5-1 час) сосуд-изолятор сни­мают, щелочь оттитровывают 0,05 н. раствором НCl по фенолфталеину до обесцвечивания. Одновременно делают контрольные измерения (изо­лятор и щелочь ставят не на почву, а в какой-либо плоскодонный сосуд и также изолируют от воздуха). По разнице титрования определяют коли­чество выделившегося из почвы углекислого газа. Расчет проводят по формуле:

где F - скорость выделения углекислого газа из почвы, кг/га в час;

а - объем 0,05 н. НС1, пошедший на титрование щелочи при определе­нии содержания углекислого газа в воздухе контрольного сосуда, мл;

б - объем 0,05 н. НС1, пошедший на титрование щелочи при определе­нии содержания углекислого газа в воздухе сосуда-изолятора на почве, мл;

1,1 - масса углекислого газа, эквивалентная 1 мл 0,05 н. раствора кис­лоты, мг;

100 - пересчетный коэффициент (1 мг/см²=100 кг/га);

S - площадь почвы под сосудом-изолятором, см²;

t - время экспозиции, час.

Тестировать активность различных групп почвенных микроорганизмов в почвах можно при помощи различных аппликационных методов. Наиболее распространенным является измерение скорости распада целлюлозы. Этот метод был рекомендован академиком Е. Н. Мишустиным.

Для проведения исследований берут стерильную тонкую суровую льня­ную ткань (неотбеленную). Определяют массу 1 дм² этой ткани, затем ее полосы (шириной обычно 10 см, длина зависит от глубины изучаемого почвенного слоя) пришивают к полимерной пленке. В почве вырывают свежие разрезы, в которые помещают полосы ткани, полиэтилен с обрат­ной стороны придавливают почвой и разрез засыпают. Верхняя грань тка­ни должна быть на 3,5 см погружена в почву. Через определенное время ткань извлекают из разреза, отмывают и взвешивают. Потеря массы ха­рактеризует интенсивность разложения клетчатки. Для определения ди­намики процесса повторные куски ткани извлекают последовательно че­рез разные интервалы времени.

Для оценки интенсивности разложения клетчатки (% за сезон) исполь­зуется следующая шкала:

очень слабая Меньше 10%

слабая 10-30%

средняя 30-50 %

сильная 50-80 %

очень сильная больше 80 %

Шкала интенсивности позволяет определить микробиологическую активность почв: чем выше процент разложения клетчатки, тем она выше.

7.2.5. Качественное определение химических элементов в почве [16,30]

Определение химического состава почвы чаще всего начинают с ана­лиза водной почвенной вытяжки, так как хорошо растворимые соединения почвы в первую очередь поглощаются растениями. Избыточные количе­ства растворимых солей (более 0,2% от массы сухой почвы) создают по­вышенную концентрацию ионов в почвенном растворе, а это снижает пло дородие почвы и ее экологическое состояние. С агрономической точки зрения наиболее вредными для растений считаются гидрокарбонаты, кар­бонаты и сульфаты натрия, а также хлориды (особенно магния и кальция). По степени экологической опасности химические вещества, попадающие в почву различными путями, делят на 3 класса: 1 - кадмий, ртуть, свинец, цинк, фтор, мышьяк, селен, бенз(а)пирен; 2 - кобальт, молибден, бор, медь, хром, никель, сурьма; 3 - ацетофенон, барий, вольфрам, марганец, вана­дий, стронций.

При анализе почв прежде всего следует обратить внимание на кислот­ность почвенной вытяжки. Помимо того, что кислотность почвы - один из наиболее важных агрохимических показателей, по ее величине можно предсказать наличие тех или иных микроэлементов в почве, а также оце­нить их подвижность (табл. 7.15).

Сухой остаток почвенной вытяжки - это общее содержание раство­римых солей в водной почвенной вытяжке. Его определяют путем выпа­ривания в фарфоровой чашке некоторого объема фильтрата. Прокалива­нием можно разделить сухой остаток на минеральный и органический.

В прокаленную и взвешенную фарфоровую чашку наливают при помо­щи пипетки по 25-50 мл фильтрата водной вытяжки столько раз (по мере выпаривания), чтобы в сумме получить от 100 до 250 мл вытяжки (в зави­симости от засоленности почвы - чем выше засоленность, тем меньший объем вытяжки берут на анализ). После выпаривания жидкости чашку помещают в сушильный шкаф и высушивают ее содержимое при темпе­ратуре 105°С в течение 3-4 ч. (до постоянной массы). Содержание сухого остатка выражают в процентах:

а) к воздушно-сухой почве:

б) к абсолютно сухой почве:

m₁ - масса чашки с сухим остатком, г,

m₂- масса пустой чашки, г,

V₁ - общий объем фильтрата, мл,

V₂ - объем фильтрата для анализа, мл,

m - масса почвы для приготовления вытяжки, г,

у - влажность воздушно-сухой почвы, %.

Рассчитанное значение общего солесодержания в процентах к воздушно-сухой массе почвы заносится в табл. 17 экопаспорта.

Если содержимое чашки после взвешивания озолить и прокалить, то потеря от прокаливания даст ориентировочное содержание в вытяжке органических веществ, а остаток в чашке - содержание минеральных солей. Озоление и прокаливание можно провести на газовой горелке или в муфельной печи при температуре не выше 525°С. Расчет ведут аналогично сухому остатку (минеральная часть); органический остаток узнают по разности между сухим остатком и минеральной частью.

По количеству минерального остатка судят о засоленности почвы (табл. 7.16)

Довольно точное представление о степени засоленности почвы дает определение плотности водной вытяжки из почвы ареометром или при помощи пикнометра (взвешиванием).

Карбонат-ионы. Небольшое количество почвы помещают в фарфо­ровую чашку и приливают пипеткой несколько капель 10%-ного раствора соляной кислоты. Образующийся по реакции оксид углерода СО₂ выделяется в виде пузырьков (почва «шипит»). По интенсивности их выделения судят о более или менее значительном содержании карбонатов.

Почву, вскипающую от 10%-ного раствора соляной кислоты, относят к группе карбонатных почв. Для такой почвы проводят анализ водной вытяжки. Если почва не «вскипает», то для качественных реакций готовят не водную, а солянокислую вытяжку.

Хлорид-ионы. К 5 мл фильтрата, помещенного в пробирку, прибавля­ют несколько капель 10%-ного раствора азотной кислоты и по каплям 0,1 М раствор нитрата серебра. Образующийся осадок в виде белых хлопьев указывает на присутствие хлоридов в количестве десятых долей процента и более. При содержании сотых и тысячных долей процента хлоридом осадка не выпадает, но раствор мутнеет.

Сульфат-ионы. К 5 мл фильтрата добавить несколько капель концентрированной соляной кислоты и 2-3 мл 20%-ного раствора хлорида бария. Если образующийся сульфат бария выпадает в виде белого мелкокристаллического осадка, это говорит о присутствии сульфатов в количестве нескольких десятых процента и более. Помутнение раствора также указывает на содержание сульфатов - сотые доли процента. Слабое помутнение, заметное лишь на черном фоне, бывает при незначительном содержании сульфатов - тысячные доли процента.

Нитрат-ионы. К 5 мл фильтрата по каплям прибавляют раствор дифениламина в серной кислоте. При наличии нитратов и нитритов раствор окрашивается в синий цвет.

Кальций. К 10 мл фильтрата добавить несколько капель 10%-ного раствора соляной кислоты и 5 мл 4%-ного раствора оксалата аммония. Бе­лый осадок оксалата кальция свидетельствует о наличии нескольких процентов кальция. При незначительном содержании кальция (сотые и ты­сячные доли процента) наблюдается не осадок, а легкое помутнение ра­створа.

Железо (II и III). В две пробирки внести по 3 мл вытяжки. В первую пробирку прилить несколько капель раствора красной кровяной соли K₃[Fe(CN)₆], во вторую - несколько капель 10%-ного раствора роданида аммония или калия NH₄SCN или KSCN. Появившееся синее окрашивание в первой пробирке и красное во второй свидетельствует о наличии в почве соединений железа (II) и железа (III). По интенсивности окрашивания можно судить об их количестве.

Алюминий. К 5 мл солевой почвенной вытяжки прибавляют по каплям 3%-ный раствор фторида натрия до появления осадка. Чем быстрее и обильнее выпадает осадок, тем больше алюминия содержится в почве.

Натрий. О присутствии натрия в почве судят по ярко-желтому окра­шиванию пламени горелки при внесении в него стеклянной палочки с кап­лей раствора почвенной вытяжки.

Присутствие соединений тяжелых металлов в почвах можно опреде­лять и количественным методом. Для этого готовят водную вытяжку (раз­дел 6.2.1), которую анализируют по методикам, описанным в главе 7 дан­ной книги, или по другим имеющимся в кабинете химии инструкциям.

Полученный результат в мг/л вытяжки пересчитывают в мг/кг почвы по

формуле:

где С_n - содержание определяемого элемента в почве, мг/кг;

С_в - концентрация этого же элемента в водной вытяжке, мг/л.