«Определение pH почвенной вытяжки и оценка кислотности почвы»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Основная общеобразовательная школа №2 станицы Кардоникской»

Региональный этап Всероссийский конкурс юных исследователей окружающей среды «Открытия 2030».

Номинация: «Экологический мониторинг»

Тема учебно-исследовательской работы:

«Определение pH почвенной вытяжки и оценка кислотности почвы»

ст. Кардоникская

2024

Содержание

Приложение……………………………………………………17-21

Введение.

Земля — ценнейшее природное достояние народа, место обитания человека. Почвенный покров является объектом труда и средством производства. Он используется для выращивания растений, получения биологической массы разного рода продукции, размещения населенных пунктов, промышленных предприятий, дорог, аэродромов, мест отдыха.

Почва – это рыхлый поверхностный слой земли. Он включает в себя твердые, жидкие, газообразные компоненты и формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных, микроорганизмов. Поэтому во многом плодородие почвы обуславливается ее определенными физико-химическими свойствами. Рассмотрим один из показателей оценки качества почвы–уровень ее кислотности.

Выбранная нами тема актуальна, так как от этой самой кислотности почвы зависит и ее плодородие, и способность растений противостоять болезням, и количество полученного урожая с этой почвы.

Практическая значимость исследования заключается в том, что полученные результаты дадут возможность определять кислотность почвы на пришкольном участке, что поможет с выбором культуры и повысить урожайность.

Объект: пробы почвы из пришкольного участка.

Предмет исследования: кислотность почвы.

Цель: Определить кислотность почв на пришкольном участке (то есть измерить показатель рН водной вытяжки почвы) при помощи цифровой лаборатории Архимед(Приложение 1.).

Для достижения поставленной цели нами были решены следующие задачи: - изучить информационные материалы по теме исследования; - освоить методику приготовления почвенной вытяжки; - определить pH в лабораторных условиях; - сделать выводы о кислотности почвы.

Благополучие окружающей среды во многом зависит от санитарного состояния почвы. Чистая, здоровая почва — залог чистоты окружающей среды, экологически безопасных продуктов, а значит, и здоровья человека.

Без сохранения почвенного покрова окажется невозможным и сохранение исторически сложившегося круговорота веществ в природе. Поэтому каждому человеку полезно иметь представление о состоянии почвенного покрова в том месте, где он живет.

А для человека, живущего в сельской местности, чья жизнь непосредственно зависит от количества собранного урожая, проблема снижения плодородия почвы - одна из самых важных задач.

Теоретическая часть

1.1. Общая характеристика исследуемого объекта.

В качестве объекта для исследования почвы нами был выбран учебно-опытный участок МБОУ « СОШ №1 ст. Кардоникской». Учебно-опытный участок находиться на территории школы. Вблизи от пришкольного участка нет промышленных и сельскохозяйственных предприятий, но близко располагается автомобильная трасса. На территории школы и в окрестностях нет источников поверхностных вод (родников, рек, болота и др.). Учебно-опытный участок школы не большой, в котором организован отдел цветочно-декоративных культур. В данном отделе выращиваются однолетние, двулетние и многолетние цветочно-декоративные растения.

1.2 Реакция почвы. На рост и развитие растений и микроорганизмов сильное влияние оказывает такая чисто химическая характеристика почвы, как кислотность. Кислотность почвы – это, по сути, количество в ней органических и неорганических кислот, а также других веществ, проявляющих кислотные свойства. Измеряют ее в единицах рН (водородный показатель), ведь концентрация ионов водорода пропорциональна количеству кислот в среде. Показатель pH ввел датский химик Сорен Петр Лауриц Соренсен (1868-1939). Водородный показатель определяется как отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов, выраженной в молях на литр:

pH = -log[H⁺]

рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся при диссоциации воды. Принято измерять уровень pH по 14-цифровой шкале. Кислая среда: [H⁺] [OH^-]
Нейтральная среда: [H⁺] = [OH^-]
Щелочная среда: [OH^-] [H⁺] Почвы бывают кислые, нейтральные и щелочные. В природе разные почвы имеют и разную реакцию: например, болотные и подзолистые почвы, а также краснозёмы отличаются кислотностью, солонцы -щёлочностью, а чернозёмы - средней реакцией. Нейтральный грунт имеет значение в интервале 6-7, слабокислый – 5, а слабощелочной – примерно 8. Показатель среды кислой почвы будет примерно 4-5, а щелочной 9-10. (приложение 2). Реакция почвы в сильнейшей степени зависит от того, какие вещества поглощены почвой. Если почва (твёрдая её часть) поглотила алюминий или водород, она будет кислой; почва, забравшая из раствора натрий, будет щелочной, а почва, насыщенная кальцием, будет иметь нейтральную, то есть среднюю реакцию. Водород содержится в воде и в различных кислотах. Кроме того, водород в почвенный раствор выделяют, по-видимому, корни живых растений. Кальций содержится в извести, в гипсе и в других солях, алюминия много в глине и других минералах. Очень немногие культуры (например, чайный куст, некоторые овощные культуры) хорошо развиваются в условиях кислой реакции среды. Большая же часть сельскохозяйственных культур, в том числе пшеница, овес, кукуруза, сахарная свекла, подсолнечник, люцерна, многолетние травы и другие, а также плодовые деревья и кустарники, дают наиболее высокие урожаи в условиях слабокислой или нейтральной реакции среды, т.е. в интервале значений рН от 6 до 7. Кислотность почв делится на актуальную и потенциальную. Актуальная кислотность–это кислотность почвенного раствора, обусловленная повы-шенной концентрацией в нем ионов Н⁺, а также слабых минеральных (Н₂СОз), органических кислот и гидролитически кислых солей (А1С1з). Актуальная кислотность непосредственно влияет на развитие растений и почвенных микроорганизмов. Классификация почв по уровням актуальной кислотности

Потенциальная (скрытая) кислотность обусловлена ионами Н ⁺,Al³⁺и Fe³⁺, поглощёнными ППК с отрицательным зарядом, связанная с твердыми фазами почвы. ППК - почвенный поглощающий комплекс - совокупность минеральных, органических и органоминеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных к обменным реакциям.

1.3 Почему важна кислотность почвы.

Хотя отдельные виды растений приспособились к существованию в кислой или наоборот в щелочной среде, однако большинство растений хорошо развиваются при нейтральной или слабокислой реакции почвы (диапазон pH 6,0-7,0). Это не ведет к недостатку фосфора и микроэлементов, большинство основных питательных веществ доступны растениям, т.е. находится в почвенном растворе. Такая почвенная реакция благоприятна для развития полезных почвенных микроорганизмов, обогащающих почву азотом.

При низких значениях рН заметно снижается активность многих микроорганизмов, в результате чего замедляется разложение растительных остатков и освобождение из них азота, фосфора, серы и многих микроэлементов.

В условиях кислой реакции концентрация ряда химических элементов, прежде всего Al³⁺ и Mn²⁺ , может достигать уровня, токсичного для многих растений. Повышенная концентрация Al³⁺ препятствует правильному развитию корневых систем, особенно в фазе проростков, угнетает реакцию фосфорилирования, снижает поступление в растения Ca ²⁺, Mg ^2+, K ⁺, P, ионов железа, тормозит реакции репликации нуклеиновых кислот вследствие образования прочных комплексов Al³⁺ с этими кислотами, уменьшает потребление воды растениями.

Под влиянием высокой концентрации Al³⁺ ухудшается качество растительной продукции – снижается содержание крахмала в картофеле, сахара в сахарной свекле, белка в бобовых культурах, подавляется образование хлорофилла. В целом в растительной продукции уменьшается содержание моносахаридов, сахарозы и суммы сахаров, а также белковых форм азота. Негативное влияние Al³⁺ на растения особенно сильно проявляется на первых

стадиях их развития и при общем недостатке элементов питания.

Чрезмерный высокий (выше 9) или низкий (ниже 4) pH почвы токсичен для корней растений. В пределах этих значений pH определяет поведение отдельных питательных веществ, осаждение их или превращение в неусваиваемые растениями формы.
На кислой почве может наблюдаться повышенный выпад растений без внешних причин - вымочка, гибель от мороза, развитие болезней и вредителей.
Напротив, в щелочных (pH 7,5-8,5) железо, марганец, фосфор, медь, цинк, бор и большинства микроэлементов становятся менее доступными растениям.

Следует учитывать, что многие из овощей - салат, капуста кочанная и цветная, свекла, огурцы, лук, спаржа, а также клевер и люцерна - при pH=6.0 и ниже развиваются хуже, чем при реакции близкой к нейтральной. Такую же кислотность предпочитает большинство цветов. В почвах с повышенной кислотностью подавляется жизнедеятельность многих полезных организмов — аммонифицирующих и нитрифицирующих микробов, азотобактерий, бактерий, разрушающих фосфорорганические соединения и т.д.
Кислые почвы отличаются и неблагоприятными физическими свойствами. При недостатке кальция, образующего нерастворимые гуматы, гумусовые вещества хуже закрепляются в почве и выносятся из нее нисходящими токами воды, отчего не только уменьшается запас питательных элементов, но и ухудшается структура почвы. Бесструктурность кислых почв при их избыточном увлажнении приводит к недостатку воздуха и развитию анаэробных процессов. 

1.4 Буферная способность почв.

Непрерывное образование водородных ионов H⁺ происходит при растворении в почвенной воде углекислого газа (CO₂) т.е. образования угольной кислоты. Углекислый газ выделяется корнями живых растений при дыхании, а также при распаде органики (органических удобрений) ,образовании НNО₃ при нитрификации и от продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. H⁺ могут вытеснять в почвенный раствор минеральные катионы, более того, ионы кальция, магния, калия и натрия, находятся в постоянном движении между почвенными частицами, почвенным раствором и корнями растений. Восполнение кальция, магния, калия и натрия происходит за счет распада минеральных почвенных частиц и внесения органических и минеральных удобрений.

Изменение реакции разных почв под действием этих факторов неодинаково. Способность почвы противостоять изменению реакции почвенного раствора в кислую или щелочную сторону называется буферной способностью почвы.

Буферность почвы в целом зависит от буферных свойств ее твердой и жидкой частей. Буферность раствора создаётся слабыми кислотами и их солями. Чем больше ионов водорода в почве, тем сильнее она будет противостоять подщелачиванию. На почвах с низкой буферной способностью(песчаных, супесчаных, бедных гумусом) при внесении физиологически кислых удобрений возможны резкие сдвиги реакции в кислую сторону. На таких почвах вносят также меньшие дозы извести, чем на суглинистых, так как они слабо противостоят подщелачиванию. Это нужно учитывать при внесении минеральных удобрений и извести.

1.5 Причины подкисления почвы
Кислые почвы формируются в условиях умеренно-холодного климата, где количество осадков превышает величину испаряемости, и имеет место промывной и периодически промывной режим. В этой природной зоне подстилающими породами являются глины и ледниковые отложения, бедные кальцием и магнием. Лесная и таежная растительность образует опад, имеющий кислую реакцию, что также способствует выносу из почв кальция и магния и образованию кислых почв. 
Там, где количество осадков превышает 500 мм в год, ежегодные потери кальция из-за вымывания составляют примерно 55 г/кв.метр. Приблизительно такое же количество кальция выносится из почвы с хорошим урожаем.
Углекислый газ, растворенный в почвенной воде, является мощным растворителем соединений кальция, переводя, в частности нерастворимый карбонат кальция CaCО₃ в растворимый гидрокарбонат кальция Ca(HCO₃)₂. При возрастании активности почвенных микроорганизмов в почву выделяется много углекислого газа, что ведет к потерям кальция из-за вымывания его из почвы в виде гидрокарбоната.
Основной особенностью кислых почв является недостаток в них ионов кальция и избыток ионов водорода и алюминия, что обуславливает их крайне неблагоприятные агрохимические свойства. 
Прежде всего,Ca— важный элемент питания растений: его недостаток замедляет их развитие, снижает плодоношение, уменьшает зимостойкость. С середины XX века одной из основных причин закисления почв становится хозяйственная деятельность человека. Развитие индустрии привело к выбросам в атмосферу колоссальных количеств оксидов серы, азота, углерода. Эти оксиды переносятся на значительные расстояния, взаимодействуют с атмосферной влагой и превращаются в растворы смесей сернистой, серной, азотной и угольной кислот, которые выпадают в виде «кислых дождей» на почвы, растения, поверхностные воды. Кислые атмосферные осадки с реакцией pH 4,0-3,5 приводят к неблагоприятным изменениям в экосистемах суши и поверхностных вод, особенно в регионах с природно-кислыми почвами. Кроме кислых атмосферных осадков, подкисление почв Нечерноземной зоны России вызывает использование физиологически кислых удобрений, таких как (NH₄)₂SО₄ , NH₄NО₃ и т.п. Растения используют катионы этих солей, а анионы образуют свободные кислоты. Наиболее опасен в этом отношении сульфат аммония (NH₄)₂SО₄. 

Во всех случаях проявления вторичной (антропогенной) кислотности необходимы регулярные научные наблюдения, экологическая и экономическая оценка отрицательного эффекта и рекомендации и применение предупредительных и мелиоративных мероприятий.

1.6 Кислотность  грунта, фитоценозы и растения-индикаторы. Растения, которые предпочитают щелочные почвы, называют кальцефилами, а хорошо растущие только на кислых почвах – ацидофилами.

Распределение растений по кислотности почв.

Не только растения-индикаторы, «подсказывающие» какова кислотность почвы, но и растительные сообщества (фитоценозы) сами  по себе являются показателями рН:
-   Болота, заболоченные местности и места, оставшиеся после осушения болот – сильнокислые субстраты с рН 3-4,5;
-   Хвойные леса – кислые почвы;
-    Смешанные леса – грунт со средним рН (от 4,5 до 6,0);
-    Лиственные леса – слабокислые субстраты -  рН 5,0 – 6,4;
-    Заливные луга с частичным застоем воды  - кислые грунты с показателем рН 5,0 – 6,0;
-    Остепнённые луга – слабокислые почвы;
-    Ценозы со степной растительностью  - рН грунта от слабокислой до нейтральной. Необходимо помнить о том, что в разных местах участка почва может иметь разную кислотность, которая год от года меняется, так что нельзя определить её раз и навсегда.

2.Экспериментальная часть

2.1 Определение pH дистиллированной воды.

Абсолютно чистая вода, при температуре 25^оС имеет нейтральную реакцию и рН = 7. Если такая вода будет долго стоять в стеклянной посуде, то в результате частичного выщелачивания стекла (процесс ускоряется при кипячении, опыт проделал еще Лавуазье), вода станет слабощелочной. Но если абсолютно чистую воду оставить, даже ненадолго, в контакте с воздухом, то в результате растворения в ней углекислого раза вода станет подкисляться. Причем кислотность будет расти со временем, вплоть до рН 5,5.

Для определения pH нам потребуется:

-Регистратор данных с датчиком pH

-Стеклянные банки (0,5л) для проб почв, (4 шт)

-Банки (0.25л) с дистиллированной водой, (4 шт)

-Грунты (по 50г), 4 пробы

Подключаем pH-метр (диапазон измерений 0–14ед.pH) к измерительному интер-фейсу. Рекомендуемые параметры измерения:

-Частота опроса датчика–каждую секунду

-Количество измерений–1000

Результаты заносим в таблицу.

2.2 Определение кислотности почвы.

рН-метр
Наилучший и самый точный метод для определения кислотности субстрата применение рН-метра .Поскольку почва сама по себе твердая и не является раствором, в нее добавляют немного дистиллированной воды для получения достоверных результатов. Почву нужно брать на глубине 3-6 см.  Для точного результата нужно сделать не менее 5 проб на расстоянии 20-30 см и
определить среднее значение кислотности. Отбор почвенных образцов лучше проводить в весенний или осенний период. На практике для отбора почвенных образцов часто используют метод конверта. Почву отбирают c глубины 0–10см, на пашне с глубины 0-20 см, в лесу - из лесной подстилки. Для определения pH почвы необходимо приготовить водную вытяжку, которая представляет собой фильтрат водного раствора, полученного после взбалтывания почвы с дистиллированной водой.

В зависимости от целей анализа отношение почвы к воде и время их взаимодействия могут быть разными. Стандартным принято отношение между почвой и дистиллированной водой (лишеннойСО2), равное 1:5, время взбалтывания–3минуты. Затем раствор надо процедить. Далее приступаем к измерению pH данной вытяжки. Результаты заносим в таблицу.

Кислотность почв на пришкольном участке.

По результатом нашего исследования мы пришли к выводу, что pH дистиллированной воды, в среднем, 5,4 (слабокислая), а pH пробы почвенного образца-7,3 (слабощелочная).

Заключение.

Цель и задачи нашей работы: определить кислотность почвы с помощью цифровой лабораторий Архимед, достигнуты.

Мы проанализировали литературу и другие источники информации по данной теме и сделали вывод, что кислотность почвы играет большую роль в выборе растений на данном участке и получении высокого урожая. Реакция водной вытяжки разных почв колеблется:

- в сфагновых торфах рН в интервале 3–3,5;

- подзолистые и дерново-подзолистые почвы имеют кислую и сильнокислую реакцию, рН составляет 4–5;

- у выщелоченных черноземов и серых лесных почв слабокислая реакция, рН 5,5 - 6,5;

- у обыкновенного и мощного черноземов близкая к нейтральной, рН равно 6,5–7;

-щелочную реакцию имеют южные черноземы и каштановые почвы (рН равно 7,5), сероземы (рНдо8,5) и солонцы (рН до 9 и более).

В результате проведенного исследования мы определили степень кислотности почвы на пришкольном участке

Наиболее точный метод (при помощи лаборатории Архимед) показал нам численное значение рН водной вытяжки пришкольного участка, равное в среднем 7,3. Таким образом, почва на пришкольном участке МБОУ «СОШ № 1 ст. Кардоникской» является слабощелочной.

Результаты моей работы можно использовать на уроках химии, биологии, экологии. Постоянный контроль за кислотно­стью почв, поддержание реакции почвенной среды в оптимальных пара­метрах — залог сохранения плодоро­дия почв, получения максимальной отдачи от минеральных удобрений, так как pH влияет на доступность пита­тельных элементов. От того, какая реакция почвы на участке, зависят степень усвоения питательных веществ растениями, их нормальный рост и развитие и, как следствие — формирование будущего урожая.

Список используемой литературы

1.Балаев И.И. «Домашний эксперимент по химии»/ И.И. Балаев – М.: Просвещение, 1977, 127 с.

2.Первое сентября: учебно–методическая газета для учителей химии, №22, 2007 г., 6 с.

3.https://ru.wikipedia.org/wiki/Кислотность_почвы

4. https://en.wikipedia.org/wiki/Soil_pH

5. Биология- лаб-раб Определение кислотности почв на пришкольном участке+cov.pdf

6.https://bigenc.ru/c/agrokhimicheskii-analiz-pochv-7122ea

Приложение 1. Цифровая лаборатория Архимед

Приложение 2. Шкала уровня кислотности

Приложение 3. Отбор пробы почвы с пришкольного участка

Приложение 4. Получение водной вытяжки почвы и определения pH дистиллированной воды и почвенной вытяжки.

Приложение 5.Результаты

.