Лаборатории для исследования почвы

РУКОВОДСТВО ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СВОЙСТВ ПОЧВЫ*
Лаборатория для почвенного анализа

Почвенный анализ является неотъемлемой частью американской технологии выращивания сахарной свеклы и других сельскохозяйственных культур. При помощи почвенного анализа устанавливается содержание питательных веществ в почве, необходимых растению для здорового роста и развития. Результаты анализа определяют вид и норму  вносимых удобрений – один из важнейших факторов, влияющих на успех сельскохозяйственного производства.

Почвенный анализ включает три стадии:

1) Отбор почвенных образцов. Образцы отбираются при помощи пробоотборника, который крепится к кузову или внутри кабины автомобиля. Глубина отбора – от 60 до 120 см. Важно правильно выбрать метод отбора, обеспечивающий репрезентативность образцов.

2) Почвенный анализ. Образцы передаются на анализ в высокоэффективную многофункциональную лабораторию. Используются методы, которые позволяют с точностью определить содержание питательных веществ в почве.

3) Рекомендации по внесению удобрений. Конечный результат почвенного анализа – разработка конкретных предписаний по внесению удобрений для каждого поля и каждой культуры.

Почвенный анализ позволяет определить:

Содержание основных элементов
В почве содержится 17 элементов, которые необходимы для растений. Как правило, только 3 из них бывают в недостатке – азот, фосфор и калий. Сведения о наличии этих удобрений в почве позволяют подобрать наиболее оптимальный состав удобрений.

Содержание кислотности
Кислотность почвы обозначается буквами рН, а степень кислотности определяется цифровым значением. Чем меньше цифровое значение, тем выше кислотность почвы. Кислые почвы отрицательно влияют на рост, поэтому, как правило, их известкуют.

Содержание микроэлементов Zn, Fe, Mn, Cu
Данные элементы чаще всего содержатся в достаточном количестве в почве. В случае недостатка в определенных районах проводится анализ почвенных образцов.

Лаборатория для почвенного анализа  обслуживается 4 лаборантами и рассчитана на 150 образцов в день. С приобретением опыта количество анализируемых образцов должно увеличиться до 300-400 в день.

Лаборатория может использоваться для анализа растений при помощи установки дополнительного оборудования.

Почвенно-химический анализ – быстрый, экономичный и надежный способ определения потребности каждого индивидуального поля в извести и удобрениях в предпосевной и вегетативный периоды. Почвенный анализ в совокупности с качественными семенами, эффективной защитой от сорняков и болезней, точным внесением удобрений и благоприятными погодными условиями способствуют значительному повышению урожайности и, соответственно, прибыли.

1. Цели и задачи

Почвенный анализ является неотъемлемой частью американской технологии возделывания многих сельскохозяйственных культур. При помощи почвенного анализа устанавливается содержание питательных веществ в почве, необходимых растению для здорового роста и развития. Результаты анализа определяют вид и норму вносимых удобрений – один из важнейших факторов, влияющих на успех сельскохозяйственного производства.

В результате почвенного анализа достигается:

• Снижение расходов на внесение удобрений и известкование.
• Контроль за состоянием почвы.
• Повышение урожайности.
• Обеспечение равномерности роста растений.
• Защита окружающей среды.
• Повышение прибыли.

Научные исследования в области почвенного анализа:

1. Согласно данным ученых Университета штата Иллинойс, внесение азота без проведения почвенного анализа, привело к потерям удобрений 80,7 кг/га. При стоимости азота 55 центов за 1 кг экономические потери составили 49 долларов/га.

2. Согласно исследованию компании Американ Кристал Шугар, крупнейшего сахаропроизводителя в США (7 заводов, 315000 га посевных площадей), прибыль от почвенного анализа составила до 276 долларов/га. Это исследование проводилось в течение 6 лет, и проведение почвенного анализа настоятельно рекомендуется агрономами всем свекловодам, сдающим свеклу на переработку.

3. Согласно исследованию Канадского Совета по питательным веществам, необходимым для растений, в результате почвенного анализа увеличилась урожайность кукурузы на 627 кг/га и зерновых на 439 кг/га.

2. Стадии почвенного анализа

Почвенный анализ включает три стадии:

1) Отбор почвенных образцов. Образцы отбираются при помощи пробоотборника, который крепится к кузову или внутри кабины автомобиля. Глубина отбора – от 60 до 120 см. Важно правильно выбрать метод отбора, обеспечивающий репрезентативность образцов.

2) Почвенный анализ. Образцы передаются на анализ в высокоэффективную многофункциональную лабораторию. Используются методы, которые позволяют с точностью определить содержание питательных веществ в почве.

3) Рекомендации по внесению удобрений. Конечный результат почвенного анализа – разработка конкретных предписаний по внесению удобрений для каждого поля и каждой культуры.

3. Возможности лаборатории для почвенного анализа

Почвенный анализ позволяет определить:

Содержание основных элементов
В почве содержится 17 элементов, которые необходимы для растений. Как правило, только 3 из них бывают в недостатке – азот, фосфор и калий. Сведения о наличии этих удобрений в почве позволяют подобрать наиболее оптимальный состав удобрений.

Содержание кислотности
Кислотность почвы обозначается буквами рН, а степень кислотности определяется цифровым значением. Чем меньше цифровое значение, тем выше кислотность почвы. Кислые почвы отрицательно влияют на рост, поэтому, как правило, их известкуют.

Содержание микроэлементов Zn, Fe, Mn, Cu
Данные элементы чаще всего содержатся в достаточном количестве в почве. В случае недостатка в определенных районах проводится анализ почвенных образцов.

Лаборатория для почвенного анализа «Амити» рассчитана на 150 образцов в день. С приобретением опыта количество анализируемых образцов должно увеличиться до 300-400 в день.

Лаборатория может использоваться для анализа растений при помощи установки дополнительного оборудования.

Запас реактивов позволит провести 64600 тестов:

Запасы рассчитаны для обеспечения беспрерывной работы лаборатории в течение 1 года. По истечении запасов новые реактивы могут быть приобретены в России. В случае отсутствия российских аналогов поставщик обязуется продавать необходимые реактивы по текущим ценам в течение 5 лет с момента продажи лаборатории.

4. Требования к лаборатории для почвенного анализа

Комната для подготовки почвенных образцов:
- размер 4 кв. м;
- стол для установки размельчителя земли;
- вентиляционная система для устранения пыли;
- две розетки 220В.

Комната для хранения почвенных образцов:
- размер 10 кв. м;
- стол;
- несколько ящиков для хранения почвенных образцов (размер ящика зависит от размера пакета с почвенным образцом);
- полки для хранения приблизительно 2500 образцов;
- одна розетка 220В.

Аналитическая комната:
- размер 25 кв. м;
- размер стола – 16 линейных метров;
- 2 раковины с кранами;
- 2 розетки 220В на каждые 2 метра стола;
- рабочий стол;
- телефон.

Лаборатория для почвенного анализа обслуживается 4 лаборантами.

МЕТОДИКА

Введение

Разработана и используется во всем мире методика определения химическими средствами свойств почвы, предусматривающая быстрый и недорогой способ определения количества или уровня содержания необходимых для растений питательных веществ в поле фермера. Полученные данные используются для выработки рекомендаций, касающихся удобрения конкретных полей.

Подготовка образцов почвы

Сушка
Если в лабораторию поступают образцы влажной почвы, их следует, прежде всего, просушить. Это можно выполнить, поместив тонкий слой почвы в пластмассовый или алюминиевый лоток, чтобы он высох на воздухе при комнатной температуре. Если образцы помещают в сушильный шкаф с вытяжной вентиляцией и подогревателем, температура в шкафу не должна превышать 40 С. В случае проведения анализа азота образцы следует сушить в течение 12 часов. Сушка в микроволновой печи не допускается.

Дробление и просеивание
После просушивания образца почвы его следует раздробить при помощи бичевой дробилки, предназначенной для образцов почвы. Образцы следует измельчить до такой степени, чтобы большая часть объема образца проходила через сито, имеющее ячейку 2 мм.

Измерение образца
Общепринятыми являются два метода измерения используемого для анализа количества почвы. Один из указанных методов заключается в определении массы образца почвы путем взвешивания, а другой – в определении объема. Взвешивание можно считать более точным методом, но он отнимает больше времени и, соответственно, является более дорогостоящим. Преимущества определения объема заключаются в том, что этот метод отнимает меньше времени, является более дешевым, требует меньше пространства, для измерения образца используется объемная плотность.

Метод определения объема включает следующие операции:

1. В образец почвы погружают лопатку и наполняют ее с горкой.
2. Стучат три раза шпателем по рукоятке лопатки.
3. Помещают шпатель перпендикулярно верхней поверхности лопатки и убирают излишки почвы.
4. Высыпают почву из лопатки в экстракционный аппарат.
5. Аналитическим путем вычисляют результат, используя размер лопатки в качестве принятой массы почвы. Обычный размер лопатки: 1, 2, 4 или 10 г.

Факторы, влияющие на извлечение питательных веществ из почвы

В некоторых случаях недостаточное внимание уделяется подробному описанию того, как именно питательные вещества извлекаются в лаборатории. Среди указанных факторов: тип экстракционного аппарата, способ встряхивания образца, интенсивность встряхивания образца, время экстрагирования и температура в лаборатории.

Конфигурация экстракционного аппарата

Исследования показали, что для достижения адекватного смешивания экстрагирующего раствора с почвой предпочтительными являются лабораторные конические колбы. При выборе размера колбы следует учитывать то, что для лучшего перемешивания колба должна быть заполнена лишь на одну четверть.

Способ встряхивания образца

Смешивание экстрагирующего раствора с почвой можно осуществлять перемешиванием или встряхиванием. Перемешивание является приемлемым, если интенсивность перемешивания соответствует скорости 500 об./мин. При использовании  вибратора однородность будет достигнута в диапазоне 160-260 колебаний в минуту.

Время экстрагирования

Для каждого анализа рекомендуется свое время экстрагирования, которого следует строго придерживаться. Несоблюдение рекомендуемого времени экстрагирования может привести к завышенным или заниженным результатам.

Температура в лаборатории

Температура может оказывать большое влияние на количество питательных веществ, извлеченных из почвы, а также на определение pH почвы. При извлечении фосфора (анализ с помощью бикарбоната натрия) было установлено, что в температурном диапазоне 20-30 С повышение температуры на 1 градус дает увеличение количества экстрагируемого фосфора на 0,43 ‰.

Эталонные образцы почвы

Эталонными образцами почвы являются такие образцы, которые прошли многократное испытание и, поэтому, характеризующие их данные хорошо известны. Эталонный образец почвы следует использовать в тех случаях, когда проводится анализ образцов неизвестной почвы. Обычным отношением является 1:10, т.е. один эталонный образец берется на 10 неизвестных. Если анализ эталонного образца не соответствует известным данным, необходимо прекратить проведение анализов и выяснить причину несоответствия. Это может быть связано с химическим загрязнением, изменением методики проведения анализа или неисправностями оборудования и приборов.

Валовая проба почвы (20-30 кг) отбирается от трех различных видов почвы данного региона. Каждый образец следует просушить на воздухе, измельчить, просеять (через сито с ячейкой 2 мм) и перемешать. Каждый образец нужно хранить в герметичном контейнере с биркой, на которой должны быть указаны его номер или наименование и результаты анализа. Собранные образцы должны представлять диапазон значений анализа почвы от низкого до среднего содержания NO3-N, P и/или K.

Определение pH и требования к извести

pH почвы это показатель иона водорода, т. е. активность H+ во взвеси почвы. Это свойство почвы влияет на наличие питательных веществ и токсичных веществ в почве, активность и разнообразие микробов, а также активность определенных пестицидов. По мере увеличения активности H+ в растворе почвы значение pH почвы снижается. Почвы с уровнем pH ниже 7 называются кислыми, со значением pH выше 7 – щелочными, а со значением 7 – нейтральными.

Обычно pH почвы измеряется во взвеси при помощи электронного измерителя pH с использованием стеклянного электрода. Рабочий конец стеклянного электрода очень хрупкий, поэтому необходимо предотвратить его введение до самого дна сосуда, содержащего образец почвы. Если рабочий конец стеклянного электрода упрется в дно сосуда, он может сломаться или исцарапаться, приведя к неточности результатов. Перед измерением pH неизвестных образцов почвы все электроды следует поверять буферным раствором, имеющим pH 2.

Методика

1. Отградуируйте измеритель pH при помощи буферного раствора, имеющего pH 7,0 и буферного раствора, имеющего pH 4,0 или 5,0, при проведении анализа почв, взятых из кислой области или при помощи буферного раствора, имеющего pH 7,0 и буферного раствора, имеющего pH 9,0 или 10,0, при проведении анализа почв, взятых из щелочной области.

2. При помощи 10-граммовой лопатки поместите отмеренное количество почвы в небольшую колбу (см. раздел об измерении пробы).

3. Добавьте к почве 10 мл дистиллированной воды.

4. Перемешивайте взвесь почвы в течение 5 с. Оставьте взвесь на 10 мин, чтобы она стабилизировалась.

5. Поместите электроды во взвесь, аккуратно перемешайте и отметьте pH, когда показания станут устойчивыми.

Требования к извести

Обычным способом повышения pH кислых почв является внесение известняковой пыли. В приведенной ниже таблице указанны приблизительные количества известняка, требуемые для различных почв.

Таблица 1. Количество известняковой пыли, требуемое для повышения на одну ступень pH верхнего слоя почвы толщиной 18 см для различных грунтов

Нитрат-азот

После сбора урожая в регионах со средним или незначительным количеством осадков в зоне корневой системы часто остается некоторое количество нитрата-азота. Этот азот можно принять во внимание для снижения или увеличения количества азота, вносимого для посадки следующей культуры, благодаря чему можно повысить урожайность культуры. Обычно для этого анализа почва берется на глубине 60 см. Образцы почвы собираются осенью (когда температура грунта падает до 10 С и ниже), зимой или ранней весной до посева. Образцы почвы, предназначенные для анализа на нитрат-азот, следует сушить в течение 12 ч после сбора.

Метод использования электрода для нитрата

Электрод для нитрата аналогичен электроду для измерителя pH, только вместо измерения ионов водорода он измеряет ионы нитрата.

1. Экстрагирующий почву раствор для анализа на нитрат представляет собой М 0,01 раствор сульфата алюминия с борной кислотой для предотвращения роста бактерий. Поместите в 20-литровый бутыль 134 г Al2 (SO4)3 • 14-18H2O и 24 г борной кислоты. Добавьте 10 л дистиллированной воды и перемешайте до полного растворения. Добавьте воды, доведя раствор до 20 л.

2. Приготовьте следующий рабочий эталонный раствор, чтобы калибровать выделяющий ионы электрод при помощи экстрагирующего раствора:

* Чтобы получить указанный 100 ‰ раствор N, возьмите 1000 ‰ раствор N и разбавьте его экстрагирующим раствором.
** До окончательного объема доводят экстрагирующим раствором.

3. С помощью мерной лопатки поместите 10 г почвы в небольшую колбу.

4. Добавьте 25 мл раствора, экстрагирующего нитрат.

5. Периодически перемешивайте взвесь в течение 5 мин.

6. Поместите во взвесь электрод и определите концентрацию N03-N.

Рекомендации, касающиеся азотного удобрения

Одним из наиболее распространенных и надежных способов проведения анализа почвы на фосфор является анализ с помощью бикарбоната натрия. Этот анализ полностью учитывает влияние фосфорного удобрения на сельскохозяйственные культуры в условиях как известковых, так и бескарбонатных почв в различных частях света. На количество фосфора, выделяемого при помощи данной методики, влияет температура и скорость встряхивания. Следовательно, очень важно учитывать эти факторы.

Раствор, экстрагирующий фосфор

1. Растворяют 840 г бикарбоната натрия товарного сорта в 10 л дистиллированной воды. Доводят объем до 20 л.
2. Доводят pH до 8,5 с помощью раствора гидроксида натрия.

Основной раствор кислой соли молибденовой кислоты

Реагент A

1. Растворите 24 г молибденовокислого аммония в 1000 мл дистиллированной воды.
2. Растворите 0,581 г антимонилкалиевой соли винной кислоты в 250 мл дистиллированной воды.
3. Чтобы приготовить 2,5 М раствор серной кислоты налейте в 4 л бутыль 2000 мл дистиллированной воды и постепенно добавьте 296 мл концентрированной серной кислоты. ВНИМАНИЕ! Нельзя добавлять воду в кислоту, можно добавлять только кислоту в воду.
4. Добавьте указанные выше растворы 1 и 2 к раствору 3.
5. Перемешайте и доведите раствор до 4000 мл с помощью дистиллированной воды.
6. Храните раствор в темном прохладном месте. Пометьте бутыль как «Реагент A».

Реагент B

1. Растворите 1,32 г аскорбиновой кислоты в 250 мл реагента A. Этот реагент необходимо готовить ежедневно, т. к. он не хранится более 24 ч.
2. Для анализа каждого образца почвы используется 5 мл этого реагента. Если Вы планируете проводить анализ более 50 образцов в день, готовьте большее количество реагента. Например, возьмите 2,64 г аскорбиновой кислоты на
500 мл реагента A

Рабочие эталонные растворы P

1. При помощи пипетки в 100 мл мерную колбу помещают 5 мл 1000 ‰ эталонного раствора P и доводят объем до метки при помощи экстрагирующего раствора бикарбоната натрия. Этот раствор содержит 50 ‰ P.
2. Рабочие эталонные растворы для анализа на фосфор.

* Довести объем до метки экстрагирующим раствором.

3. Чтобы приготовить рабочую характеристику, при помощи пипетки поместите в химический стакан 5 мл рабочего эталонного раствора. Добавьте 15 мл дистиллированной воды и 5 мл реагента D. Оставьте на 10 мин., чтобы проявилась окраска, а затем проверьте прозрачность или концентрацию, чтобы установить характеристику.

Методика проведения анализа на фосфор

1. В 50 мл лабораторную коническую колбу помещают почву при помощи 1 г лопатки.
2. При помощи пипетки добавляют 20 мл экстрагирующего раствора.
3. Встряхивают в течение 30 мин с интенсивностью 200 колебаний в минуту.
4. Фильтруют в 60 мл колбу, используя ватманскую (или эквивалентную) фильтровальную бумагу № 2.
5. Переносят 5 мл аликвоту в 60 мл колбу.
6. Добавляют 15 мл дистиллированной воды и 5 мл реагента B, после чего тщательно перемешивают.
7. Оставляют на полных 10 мин, чтобы проявился цвет.
8. Переносят приблизительно 2 мл в кювету спектрофотометра и определяют прозрачность при 880 нм.

Калий

Количество имеющегося в почве калия (K) обычно определяется путем измерения растворимых в воде и взаимозаменяемых с почвой форм. Обычным экстрагирующим раствором, используемым в анализе почвы на калий, является раствор 1 М уксуснокислого аммония при pH 7,0. Другим экстрагирующим раствором для калия, который хорошо сочетается с калием, экстрагируемым при помощи уксуснокислого аммония, является раствор бикарбоната натрия, который используется для выделения фосфора. Экстрагент в виде бикарбоната натрия иногда оседает на горелке атомно-абсорбционного спектрофотометра и дает ошибочные результаты.

Раствор, экстрагирующий калий

В 10 л бутыль наливают 990 мл дистиллированной воды и добавляют 771 г уксуснокислого аммония, после чего перемешивают до растворения. Добавляют около 5 л дистиллированной воды и доводят pH до 7,0 при помощи 3 М раствора гидроксида аммония или 3 М раствора уксусной кислоты. После охлаждения до комнатной температуры доводят объем до 10 л.

Рабочий эталонный раствор для калия

1. При помощи пипетки в 500 мл мерную колбу помещают 50 мл 1000 ‰  эталонного раствора К. Доводят объем до метки при помощи экстрагирующего раствора, используемого для анализа почвы на калий. Этот раствор содержит 100 ‰ калия.
2. Рабочие эталонные растворы для анализа на калий, полученные с использованием 1 М раствора уксуснокислого аммония.

* До метки объем доводят, используя 1 М раствор уксуснокислого аммония.

Методика

1. В 50 мл лабораторную коническую колбу помещают почву при помощи 1 г лопатки.
2. Добавляют 10 мл экстрагирующего раствора.
3. Встряхивают в течение 5 мин с интенсивностью 200 колебаний в минуту.
4. Помещают сложенный кусок размером 11 см ватманской (или эквивалентной) фильтровальной бумаги № 2.
5. Устанавливают атомно-абсорбционный спектрофотометр в режим эмиссии.
6. Определяют характеристику калия при помощи рабочего эталонного калия, а затем проводят анализ экстрактов почвы на калий.

Микроэлементы

Цинк, железо, марганец и медь

Почвы с относительно низким содержанием органических веществ, например, почвы, связанные с обработкой лесных и песчаных грунтов, иногда характеризуются низким содержанием цинка, железа, марганца и/или меди. Так как эти питательные вещества необходимы растениям в незначительных количествах, взятие проб почвы и обращение с ними требуют осторожности, чтобы не произошло загрязнения образцов почвы. Пробоотборники грунта, контейнеры для хранения образцов почвы, оборудование для сушки и дробления почвы, а также лабораторные условия вполне могут оказаться источником загрязнения образцов почвы. При проведении анализа на микроэлементы пробы для анализа отбираются, так же как и для определения pH и проведения анализа на P и K только с поверхностного слоя 18 см.

Экстракция с помощью ДТПУ кислоты для анализа на микроэлементы

ДТПУ (диэтилентриаминопентауксусная) кислота является широко распространенным экстрагентом для проведения анализа на микроэлементы.

Экстрагирующий раствор на основе ДТПУ кислоты

1. В 149,2 г триэтаноламина (ТЭА) и около 100 мл дистиллированной воды добавляют 19,7 г ДТПУ кислоты и перемешивают до растворения. ДТПУ кислота очень медленно растворяется в воде, а в ТЭА-H2O – быстро. Добавьте 14,7 г CaCl2 • 2H2O в около 5 л дистиллированной воды, затем добавьте смесь ДТПУ кислоты с ТЭА и разбавьте до 9,5 л с помощью дистиллированной воды. Доведите pH до 7,3 с помощью HCl (потребуется приблизительно 35 мл) и доведите объем до 10 л.
2. Рабочие эталонные растворы готовятся с помощью экстрагирующего раствора на основе ДТПУ кислоты.

Концентрация должна быть в пределах 0-5 ‰ Zn; 0-10 ‰ Mn; 0-2 ‰ Cu.

Методика

1. В 50 мл лабораторную коническую колбу помещают почву при помощи 10 г лопатки (см. раздел об измерении массы образца).
2. Добавляют 20 мл экстрагирующего раствора на основе ДТПУ кислоты и встряхивают в течение 2 ч с интенсивностью 200 колебаний в минуту.
3. Фильтруют через ватманскую фильтровальную бумагу № 42 (или эквивалентную). Если экстрагент мутный, фильтруют еще раз.
4. Проверяют пробы на атомно-абсорбционном спектрофотометре, используя соответствующие эталонные растворы.
5. Отчет делается в виде ‰ Zn, Fc, Mn или Cu в почве. ‰ в почве = ‰ в экстракте X 2

* Из методических рекомендаций по проведению химического анализа почв для центрального северного региона под редакцией В.К. Данке.