Физико-химические методы исследования почв

В пособии излагаются теоретические основы современных физико-химических методов исследования почв (потенциометрического, кондуктометрического, петрографического, спектрального, рентгеновского, термического и др). Дано подробное описание методов, охарактеризованы области их применения в почвоведении

Современное почвоведение и агрохимия используют широкий набор методов исследования, в числе которых одно из центральных мест занимают физико-химические, или инструментальные, методы анализа. Это большая группа методов, в которую часто включают все приемы определения вещественного состава почв, пород, природных вод, органических остатков, приемы изучения свойств почв и слагающих их компонентов, приемы определения строения органических и минеральных компонентов почв, основанные на количественном измерении физических свойств изучаемых объектов. Во многих случаях измеряют физические свойства почв или пород непосредственно в их естественном состоянии (например, спектры поглощения или отражения; потенциалы, возникающие на погруженном в почву электроде; магнитные свойства); но широко распространены и такие методы, при использовании которых на почву оказывается то или иное и часто весьма жесткое воздействие (нагревание до 1000°С и более, облучение электронами, испарение пробы почвы в пламени вольтовой дуги и др.), вызывающее изменение состояния вещества, а происходящие при этом изменения свойств фиксируются измерительной аппаратурой. В числе наиболее употребительных методов, чаще всего используемых для изучения состава, свойств и строения почв, почвенных компонентов и сопряженных с почвами природных тел, следует назвать:1. Потенциометрические методы, применяемые в почвоведении и агрохимии для определения рН, окислительно-восстановительных потенциалов, активностей ионов натрия, калия, кальция, хлорид-ионов, нитрат-ионов и др.2.  Кондуктометрические методы, используемые для определения солесодержания в почвах и почвенных растворах.3.  Полярографические методы, широко применяемые для количественного определения    многих    катионов    и анионов.чаще — микроэлементов, а также для определения некоторых компонентов органических веществ почвы и изучения их взаимодействия с ионами металлов.4.  Фотометрические и нефелометрические методы, позволяющие количественно определить практически любые компоненты почв и почвенных растворов.5.  Спектрофотометрические методы, используемые как для определения количественного содержания различных элементов и веществ в почвах, так и для изучения структуры гумусовых веществ, минералов тонкодисперсных фракций и продуктов их взаимодействия. Изучение спектров отражения открыло новые возможности для объективной количественной характеристики окраски почв.6.  Метод эмиссионной пламенной и атомно-абсорбционной спектрофотометрии, используемые для количественного определения различных элементов в вытяжках из почв, в почвенных растворах и в растворах, полученных в результате полного разложения почвы.7.  Эмиссионный спектральный анализ, успешно используемый для количественного определения элементного состава почв без их предварительного разложения.8.  Электронная просвечивающая и растровая микроскопия, позволяющая изучать микростроение почв, органических и минеральных составляющих почвы и идентифицировать минералы тонкодисперсной фракции почв.9.  Методы рентгеноструктурного анализа, широко используемые для идентификации и полуколичественного определения минералов тонкодисперсной фракции почв и перспективные для изучения строения специфических гумусовых веществ.10. Методы термического анализа, применяемые в почвоведении для изучения минералогического состава почв и почвенных коллоидов.Кроме перечисленных в почвоведении применяются и многие другие инструментальные методы. Значительные успехи достигнуты в анализе почв методами рентгеновской флуоресценции, ней-тронно-активационного анализа, газожидкостной хроматографии, гель-хроматографии, пиролиз-масс-спектром етрии, люминесценции и др. В настоящем руководстве излагаются только те методы, которые в настоящее время наиболее широко применяются в поч-венно-химических производственных или исследовательских лабораториях.Физико-химические методы имеют ряд особенностей, отличающих их от классических методов химического анализа: гравиметрического (весового) и титрометрического (объемного). Конечно, граница между группами методов не абсолютна. Практически все физико-химические приемы исследования базируются на  предварительно  изученной   (установленной)   зависимости  состав — свойства. Причем свойство может характеризовать как на-тивную почву, так и почву, переведенную в то или иное состояние. Поэтому первым этапом разработки и применения любого физико-химического метода является установление зависимости между составом исследуемой пробы и тем или иным ее свойством, выраженным обычно математически в виде формулы или графика. Так, в потенциометрии используется связь между активностью иона в почвенном растворе и потенциалом электрода, в эмиссионной спектроскопии — связь между интенсивностью излучений определенных длин волн с содержанием отдельных элементов в пробе почвы, переведенной в состояние плазмы.Такие формулы имеют обычно универсальный характер, что позволяет использовать их для анализа различных объектов; специфичность свойств изучаемых веществ, характер реакций, особенности изучаемых почв находят отражение в величинах параметров уравнений. Это позволяет применять одни и те же приборы и способы исследования для различных объектов. Однако было бы неверным считать, что любой физико-химический метод, разработанный для изучения непочвенных объектов, может быть механически перенесен в почвоведение. Почва очень сложный объект исследования и анализа; в ее состав входят почти все элементы периодической системы Д. И. Менделеева, причем соотношение элементов с аналитической точки зрения часто бывает неблагоприятным; почва содержит как растворимые, так и нерастворимые соединения; в их состав входит большой набор специфических органических соединений, многие из которых трудно- или полностью нерастворимые в известных растворителях. И органические и минеральные части почвы содержат обычно серии близких по строению и свойствам веществ, что затрудняет их идентификацию и препаративное разделение. Поэтому внедрение новых инструментальных методов в почвоведение — процесс творческий, требующий хорошей подготовки исследователя, тщательной проверки условий эксперимента, смелости мышления.Другая особенность физико-химических методов заключена в том, что показатели, характеризующие свойства вещества или системы в обычных условиях, не зависят от взятого объема вещества. Потенциал электрода не зависит от того, в какой объем раствора он погружен; интенсивность излучения электромагнитных колебаний веществом, которое вводится в пламя горелки, не зависит от общего объема введенного раствора, а определяется только скоростью его подачи и концентрацией. Это вносит ряд особенностей в технику работы по сравнению с обычными химическими методами и часто позволяет значительно упростить процедуру исследования.Очень большое преимущество и особенность физико-химических методов состоит в том, что во многих случаях они позволяют изучить состав, строение и свойства почв, не производя с ними никаких химических операций. Почвоведы уже располагают электродами для определения рН, рСа, рК, pNa, pN03; такие электроды можно погрузить в почву непосредственно в природной обстановке и постоянно или периодически снимать показания, записывая результат на диаграммную ленту. Методом инфракрасной спектрометрии можно получить подробную характеристику важнейших атомных гpyпп и химических связей в неизмененном образце почв, идентифицируя исходные соли и минералы. Возможность работы с ненарушенными образцами имеет значение в двух аспектах Во-первых, с помощью этого приема мы получаем информацию об истинном состоянии почвы и ее компонентов, тогда как при химическом анализе мы составляем предположительное заключение об объекте на основе данных о составе растворов. Во-вторых, именно такие методы позволяют осуществлять дистанционные измерения как с помощью постоянно погруженных в почву датчиков, так и путем измерения спектров отражения почв с помощью приборов, установленных на самолетах или искусственных спутниках. Конечно, не все инструментальные методы обладают такими возможностями; в эмиссионном спектральном анализе проба почвы полностью испаряется в пламени вольтовой дуги.В большинстве случаев проведение анализов физико-химическими методами требует немного времени; это — экспрессные методы. И хотя используется часто дорогостоящая аппаратура, все же достигается большая экономия средств и сил благодаря быстроте определения. Вместе с тем большая часть методов обладает и высокой чувствительностью. Это значительно расширяет возможности исследователя и одновременно позволяет снизить расходы реактивовДля проведения физико-химических анализов нужна специальная, зачастую не всегда легкодоступная аппаратура, безотказно работающая только при умелом обращении с ней. Поэтому успех и более широкое использование физико-химических методов в почвоведении зависят прежде всего от подготовки почвоведов в этой области. За последние 10—15 лет устройство приборов резко усложнилось. Если, например, первые модели полярографов Гей-ровского (1957—1960 гг.) почвовед-химик мог самостоятельно отладить и даже выполнить несложный ремонт, то для ремонта современных полярографов нужны специалисты по электронной технике. Еще более сложные требования предъявляются к установке, наладке и ремонту дифрактометров, электронных микроскопов и т. п. Всю эту часть работы в лабораториях должны выполнять специалисты-инженеры, в то время как почвовед-исследователь должен хорошо знать принцип метода и принцип устройства прибора, порядок работы на нем, возможности и недостатки аппаратуры, источники ошибок.Особенно важно для почвоведа-исследователя глубоко понимать реальное значение и пути использования различных методов, уметь правильно выбрать метод и извлечь из полученных результатов максимум информации. Недопустимо использовать сложные методы и дорогостоящую аппаратуру только для получения иллюстративного материала, не обязательного для решения стоящей перед почвоведом задачи.Данное руководство составлено с таким расчетом, чтобы ознакомить читателя с основами теории методов, принципами действия, с порядком работы на приборе и показать рациональные пути применения отдельных методов. Руководство рассчитано на студентов университетов по специальности почвовед-агрохимик, а также на сотрудников почвенных и сельскохозяйственных лабораторий, использующих в своей работе физико-химические методы для исследования строения, свойств и состава почв.