VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование химического состава почвы пришкольного участка для повышения её плодородия

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Стяжкина А.А. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение Кременкульская средняя общеобразовательная школа

Алексеева Н.Г. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение Кременкульская средняя общеобразовательная школа

Работа в формате PDF

101 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Почва является средой обитания живых организмом: корневой системы растений, микроорганизмов и животных. Она обладает определенными характеристиками температурного и водяного режима; физическими и физико-химическими свойствами, в том числе плотностью, поглотительной способностью, кислотностью и щелочностью; химическим составом твердой, фаз и жидкой и газовой, наконец, плодородием.

Кроме того, почва осуществляет ряд экологических функций в системе почва-растения-животные-человек. К ним относятся: почва - жизненное пространство; почва - опорная функция; почва - функция жилища и убежище; почва - депо семян и других зачатков жизни; почва - сорбция веществ и микроорганизмов; почва - источник питательных веществ и влаги. Эти функции у серой лесной почвы хорошо выражены. В осуществлении экологических функций большое значение имеют физические, физико-химические свойства почвы. Благодаря химическому анализу определяются обеспеченность почвы элементами необходимыми для питания растений, химические особенности почвы, а так же наличие или отсутствие вредных соединений. Актуальность темы: В период экономического кризиса необходимо удешевление школьного питания, за счёт выращенных овощей: картофеля, капусты, лука, укропа на пришкольном участке. Для этого необходимо повышать плодородие почвы, предварительно изучая особенности её состава. Цель: Определить химический состав, рН почвы пришкольного участка, её особенности. Задачи: 1) Провести отбор почвенных образцов. 2) Освоить методику определения обменной кислотности, химического анализа почвы для осуществления экологического образования. 3) Определить содержание в верхней части почвенного профиля легко- и среднерастворимых форм солей и дать оценку их влияния на растения. 4)Исследовать экологическое состояние почвы и разработать мероприятия по повышению её плодородия. 5)Использовать информацию регионального компонента в учебном процессе и пополнить экологический паспорт Кременкульского поселения. Объект исследования: Почва пришкольного участка. Предмет исследования: Химический состав почвы пришкольного участка для проведения мероприятий по повышению её плодородия. Гипотеза: Имеется возможность увеличить плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур пришкольного участка. Методы исследования: Химический анализ: Выяснение состава смеси веществ или отдельного вещества. Различают качественный и количественный анализ. Качественный анализ предшествует количественному, так результаты качественного анализа позволяют сделать правильный выбор методов количественного определения. Качественный анализ: Определение составных частей смеси веществ или чистого вещества, включает обнаружение химических элементов или ионов, входящих в состав анализируемого вещества. Применяются химические, спектроскопические и хроматографические методы анализа. Методы качественного анализа (реакции обнаружения): Окрашивание пламени (предварительная проба): Окрашивание бесцветного пламени газовой горелки летучими солями металлов, в большинстве случаев галогенидов, которые с помощью нихромовой или медной проволоки вводятся в пламя. Кальций, кирпично-красное окрашивание пламени. Реакции осаждения: Химические реакции, в результате которых образуется малорастворимое вещество, выпадает осадок. Определяют ионы: катион железа (II), катион железа (III) распознают красной кровяной солью -гексацианоферрат (III) калия, хлорид- ион раствором нитрата серебра, сульфат –ион хлоридом бария и другие ионы. Цветные реакции: Химические реакции, при которых путём сливания растворов или погружения в раствор универсальной индикаторной бумаги происходит изменение цвета, характерное для определяемых ионов: катион железа (III), раствором роданида калия, образуется окрашенный ион FeSCN²⁺ интенсивно красного цвета; нитрат - ион определяют дифениламином (в серной кислоте) происходит окрашивание в синий цвет. Количественный анализ: Определение количественного отношения составных частей смеси веществ или чистого вещества, соотношение химических элементов в составе данного соединения. Для этого применяют химические, спектроскопические и хроматографические методы анализа. Метод определения обменной кислотности почвы: Сущность метода заключается в извлечении обменных ионов водорода и алюминия из почвы раствором хлористого калия (KCI) концентрации 1 моль/дм³ при соотношении почвы и раствора 1:2,5 и последующем потенциометрическом титровании фильтрата гидроксида натрия (NaOH) до рН 8,2

1. Основная часть

1.1. Аналитический обзор литературы. Впервые о том, что почвы представляют собой совершенно особые природные тела, сказал великий русский естествоиспытатель Василий Васильевич Докучаев (1846-1903). На основании многолетних полевых и лабораторных исследований разнообразия черноземных и других почв Европейской России В.В. Докучаев установил, что почвой следует называть только те "дневные" или близкие к ним горизонты горных пород (все равно каких), которые были более или менее естественно изменены взаимным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, живых и мертвых (Соч., 1950. Т. IV). Докучаев В.В. убедительно показал, что все почвы на земной поверхности образуются в результате "...чрезвычайно сложного взаимодействия местного климата, растительных и животных организмов, состава и строения материнских горных пород, рельефа местности и, наконец, возраста страны" (Соч., 1949. Т. III).

Особенности химического состава почвы изучены и описаны Всеволодом Всеволодовичем Добровольским. Он пишет, что в почве протекают различные биохимические геохимические процессы. С одной стороны, почва наследует те химические элементы, которые содержатся в почвообразующей породе в итоге геологического развития данного района. С другой стороны, эти химические элементы перераспределяются под влиянием факторов гипергенеза, в первую очередь под влиянием жизнедеятельности животных и растительных организмов. Характерной особенностью почвы как особого природного образования является положение ее на месте совпадения большого (геологического) и малого (биологического) круговоротов веществ.

В результате почва представляет собой сложную многофазовую и многокомпонентную систему, содержащую в тех или иных количествах все химические элементы таблицы Д.И.Менделеева.

Некоторые химические элементы и их содержание независимо от количественного содержания особенно характерны как для почвы в целом, так и для ее основных типов. Например, кремний для процесса почвообразования имеет меньшее значение, чем углерод, несмотря на то, что среднее содержание кремния в почвах 33%, а углерода 2,0%. Для формирования степных почв значительно большее значение имеет натрий, чем алюминий, хотя содержание алюминия в почвах более чем в 10 раз превышает содержания натрия. Различные химические элементы неодинаково ведут себя при почвообразовании. Содержания кальция и калия в почвах планеты в целом примерно одинаковое, но большая часть кальция активно участвует в почвообразовании, в то время как значительная часть калия активное участие в этом процессе не принимает. В качестве основных элементов питания растения поглощают из почвы азот, фосфор, калий, кальций, магний, железо, серу. При этом многочисленными экспериментами установлено, что нормальное развитие растений может совершаться только при достаточном количестве этих элементов питания, в том числе цинка, меди, бора, йода, фтора, кобальта и др. Микроэлементы необходимы растениям, так как они входят в состав различных витаминов, ферментов и гормонов, без которых нормальная физиологическая деятельность растений невозможна. Для повышения урожайности сельскохозяйственных культур необходимо определение актуальность кислотности почвы. Эта форма кислотности обусловлена содержанием свободных ионов водорода в почвенном растворе и измеряется по величине рН водной вытяжки из почвы. Этот вид кислотности непосредственно действует на корневую систему растений и на почвенные микроорганизмы.Определение актуальной кислотности почвы необходимо для выяснения возможности воздействия на почву разных форм, доз и сочетаний удобрений, а также подбора культур в севооборотах. Однако рН водной вытяжки - величина неустойчивая, часто изменяющаяся под действием разных факторов в течение даже одного вегетационного периода. Для растений имеет значение не вся масса хим. элементов, содержащихся в почве, а лишь та наиболее подвижная их часть, которая может быть усвоена растениями. Обычно элементы питания в почве в таком количестве, которое может на много лет вперёд обеспечить высокие урожаи. Содержание подвижных форм элементов, доступных растениям, значительно меньше, поэтому для обеспечения нормального развития культурных растений и, следовательно, получения достаточных урожаев следует некоторые элементы питания в усвояемой форме вносить в почву дополнительно в виде удобрений. При химическом анализе почвы основное внимание уделяется тем химическим элементам, которые играют существенную роль в почвообразовании и имеют важное значение для плодородия почвы, то есть в способности удовлетворять потребность растений в элементах питания, влаге и воздухе . В составе почвы можно выделить группу хим. соединений, представляющих собой более или менее неизменные частицы почвообразующей породы -различные минералы и обломки пород. Выделяются соединения, возникающие в процессе почвообразования. К этой группе относятся специфические почвенные органические соединения и неорганические образования. Последние представлены преимущественно солями кальция, магния и калия. К этой же группе относятся хим. элементы, не образующие самостоятельных соединений, а находящиеся в почве в особом поглощенном состоянии. С частицами пород в некоторой степени можно ознакомиться при изучении гранулометрического состава почвы, с новообразованными соединениями в процессе химического анализа. Полный химический анализ почвы представляет собой довольно сложную трудоемкую операцию, требующую специальных приборов и хорошо оборудованной лаборатории. Однако можно подобрать наиболее легко выполнимых химических определений, чтобы получить представление об общих особенностях химического состава почвы. Эта задача облегчается тем, что новообразованные почвенные соединения менее устойчивы к воздействию хим. реактивов, чем большая часть компонентов почвообразующих пород. Поэтому при хим. анализе почв широко применяют различные вытяжки: кислотные, щелочные, солевые и водные. Вытяжку из почвы называют сумму соединений, растворимых в растворителе, которым воздействуют на почву. Растворителем может служить вода, а так же растворы щелочей, кислот и солей. По степени растворимости можно выделить следующие группы химических соединений почвы: 1) Легкорастворимые соединения. К ним относятся хлориды натрия магния и кальция; гидрокарбонаты натрия, кальция и магния. Соединения этой группы легко растворяются в дистиллированной воде. Кроме перечисленных минеральных солей, в воде растворяются некоторые органические соединения (водорастворимая часть гумуса) 2) Среднерастворимые соединения плохо растворяются в воде, но хорошо в слабых растворах кислот. К этой же группе относятся карбонаты кальция и магния, сульфаты кальция и частично гидроксиды железа. Эти соединения растворяются в воде в 1000 раз хуже растворимых соединений. Растворимость этих соединений немного повышается от присутствия большого количества легкорастворимых солей, однако все равно остается очень низкой. Карбонаты кальция, магния и сульфата кальция хорошо растворяются в соляной кислоте (концентрация 5-10%); большая концентрация кислоты отрицательно сказывается на растворимости сульфата кальция.

Некоторые химические соединения не растворяются ни в воде, ни в слабых кислотах, но хорошо растворяются в щелочах. Примеры подобных соединений- гуминовые кислоты и их соли аморфный оксид кремния и некоторые другие образования. Эти соединения обычно растворяются 10-процентном раствором Na₂CO₃ (соды) или однонормальным раствором NaOH (едкого натрия).

2. Исследовательская (опытно-экспериментальная) часть. Для исследования взяты образцы почвы с 3-х зон пришкольного участка площадью 0,15 га методом квартования. Участок мы разделили на 3 квартала, каждый квартал мысленно разделили на 3 части, из каждой части взяли пробу почвы с глубины 20 см, поместили на лист ватмана, почву перемешали, вновь разделили на 3 доли и взяли пробу. Были исследованы 3 надела земли с трёхкратным повтором, чтобы исключить ошибку в исследованиях, так как почва характеризуется пестротой физико-химических свойств, для этого необходимо было исключить факторы, негативно влияющие на урожайность сельскохозяйственных культур. 2.1. Определение рН почвыМы исследовали почву методом определения обменной кислотности на базе кафедры экологии и агрохимии Государственного Аграрного Университета. Мы исследовали 3 образца почвы с трёхкратным повтором. Пробу почвы, пропущенную через сито, массой 10 г взвешивали на весах с погрешностью 0,1г и пересыпали в коническую колбу. К пробам цилиндром прилили 25 мл экстрагирующего раствора хлорида калия KCI (1,0 моль/дм³). Почвы с раствором перемешивали в течение 1 мин. Настаивали пробы с раствором в течение 1 часа. Настроили рН-метр, погрузили электроды в суспензию и измерили величину рН. Показания прибора считывали не ранее, чем через 1 мин после погружения электродов в суспензию. Во время работы настройку прибора периодически проверяли по буферному раствору с рН= 4,01. Данные исследований занесли в таблицу №1 «Определение обменной кислотности почвы». Обработали результаты, используя таблицу «Уровни кислотности и щелочности почв (по Кауричеву)». В пробе №1почва сильнокислая , в пробе №2, по уровню кислотности и щелочности почв, среда нейтральная, и в пробе №3, среда слабощелочная.

2 .2. Качественное определение содержания карбонатов. Исследования проводили по методике В.В. Добровольского. Результаты качественного анализа записываем в таблицу 2. Присутствие, какого либо компонента отмечаем знаком (+) или отсутствие (-). Выявим содержание карбонатов в каждом образце. Из образцов берём по 20г почвы, переносим в фарфоровую чашку. На почву из пипетки капаем несколько капель 10-процентной соляной кислоты. Наблюдаем наличие карбонатов только в №3-ей точке. Произошла химическая реакция: СаСO₃+2HCI = CaCl₂+CO₂ +H₂O Образующийся при реакции углекислый газ (СО₂) выделяется в виде пузырьков (почва "вскипает"). Кислоту добавляют до прекращения выделения пузырьков СО_2. По интенсивному выделению углекислого газа и по количеству израсходованной соляной кислоты, более 10 мл, определяем не значительное содержание карбонатов. Наши исследования показали, карбонаты обнаружены только в пробе №3.2.3. Качественное определение хлоридовОпределяем легкорастворимые соединения: Из каждого образца отбираем методом квартования среднюю пробу. Материал тщательно растираем пестиком в фарфоровой ступке. На технические весы берём навеску почвы в 10 г и переносим в колбу емкостью около 100 мл, куда наливаем 25 мл дистиллированной воды. Колбу несколько раз взбалтываем. Содержимое отстаиваем 5-10 мин и фильтруем через стеклянную воронку с бумажным фильтром в колбу емкостью 100 мл. Круглый бумажный фильтр, радиус которого превышает диаметр воронки, складывают вчетверо и вкладывают в стеклянную воронку. Фильтр должен плотно прилегать к стенкам воронки и немного не доходить до ее верхнего края. Затем фильтр слегка смачиваем водой и воронку укрепляем в зажиме штатива над колбой. Из фильтрата отливают около 5 мл в пробирку, куда добавляют несколько капель 10-процентного раствора азотной кислоты и по каплям прибавляют 0,1- нормальный раствор азотнокислого серебра (AgNO₃). Mr(AgNO₃)=108×1 + 14×1 + 16×3=170. Следовательно, для приготовления нормального раствора надо 170 г нитрата серебра растворить в 1 л дистиллированной воды, а для приготовления 0,1 нормального (децинормального) раствора 17 г. Так как такого количества раствора не требуется, можно приготовить 100 мл раствора. Для этого в 100 мл дистиллированной воды надо растворить 1,7 г азотно-кислотного серебра. Это соединение быстро разрушается на свету, поэтому его следует хранить в темной посуде, обёрнутой светонепроницаемой фотообёрточной бумагой и держать в т емном месте. Хлориды реагируют с нитратом серебра по схеме: NaCI+AgNO₃=AgCI +NaNO₃ Хлорид серебра выпадает в виде осадка. Реакция эта весьма чувствительна. Выпадение белого хлопьевидного осадка указывает на присутствие хлоридов в количестве десятых долей процента и более. Хлориды содержатся от 0,001% до 0,01%, что показывает слабая и ясная опалесценция (радужный перелив цветов). При содержании хлоридов в количестве сотых долей процента осадка не выпадает, но наблюдается ясная опалесценция раствора, мы наблюдали это явление в пробе №1. В пробе №3-й появление слабой опалесценции указывает на незначительное присутствие в почве хлоридов (тысячные доли процента). 2 .4.Качественное определение сульфатов Фильтрат водной вытяжки в количестве около 5мл отливаем в пробирку, добавляем несколько капель 100-процентной соляной кислоты и 2-3мл 20-процентного раствора хлористого бария. Раствор в пробирке нагреваем до кипения. Происходит химическая реакция: N a₂SO₄+BaCI₂=2NaCI+BaSO₄ Сульфат бария выпадает в виде белого мелкокристаллического осадка. Образование ясно видного белого осадка свидетельствует о содержании сульфатов в количестве нескольких десятых долей процента и более. В нашем исследовании образовалась сильная белая муть, что указывает на содержание сульфатов в количестве сотых долей процента. А если, муть слабая, заметная лишь на чёрном фоне, то содержание сульфатов соответствует тысячным долям процента. Сульфаты обнаружены во всех 3-х пробах, в количестве 0,01%, как и в соляно-кислотной вытяжке, образовалась сильная белая муть.2.5. Качественное определение нитратов. В три пробирки помещают по 5 мл фильтрата водной вытяжки и по каплям добавляют раствор дифениламина (C₁₂H₁₁N) в серной кислоте. При наличии нитратов раствор окрашивается в синий цвет. Нитраты, легкорастворимые соединения, повышающие плодородие почвы, обнаружены в средней части картофельного поля, в пробе №2.2.6. Качественное определение кальция Фильтрат водной вытяжки в количестве около 10 мл наливают в пробирку, подкисляют одной - двумя каплями 10-процентной соляной кислоты и добавляют 5 мл 4-процентного раствора щавелевокислого аммония (оксалата аммония). При н аличии кальция протекает реакция: CaCI₂+(NH₄)₂C₂O₄=CaC₂O ₄ +2NH₄CI. Выпадающий белый осадок щавелевокислого кальция свидетельствует о содержании кальция в количестве десятых долей и единиц процента. В нашем опыте, при содержании кальция в количестве сотых долей % в пробе №3 и тысячных долей процента, в пробах №1 и №2, так как наблюдается не осадок, а легкое помутнение раствора.Кальций обнаружен во всех 3-х пробах, что подтвердила соляно-кислотная вытяжка.2.7. Качественное определение оксида железа (II) и оксида железа (III) Остаток на фильтре от фильтрования водной вытяжки стеклянной палочкой переносим в колбу, где находится исходная навеска. В колбу наливают 50мл 10-процентной соляной кислоты. Содержимое колбы несколько раз взбалтывали в течение 5 минут и затем отстаивали 30 мин.Через воронку с фильтром в пробирку отфильтровывают 5-6 мл соляно-кислотной вытяжки. Фильтрат из пробирки наливают в две фарфоровые чашки по 1-2 мл в каждую. В первую бросают кристаллик красной кровяной соли. Появляющееся синеватое окрашивание (образование турнбулевой сини указывает на присутствие оксида железа (II). В нашем опыте, во всех 3-х точках, синеватого окрашивания не наблюдали, то есть Fe²⁺ отсутствует. Во вторую чашку добавляют несколько капель 10-процентного раствора роданистого калия (KSCN). При наличии оксида железа (III) раствор окрашивается в красный цвет. По интенсивности окрашивания можно судить о количестве оксида железа (III). Только в пробе №1 обнаружили очень слабое красное окрашивание, которое указывает на незначительное содержание Fe^3+.

F eCl₃ + 3KSCN= Fe(SCN)₃ +3KCl

Заключение

Присутствие легко и среднерастворимых соединений в почве имеет большое значение для оценивания плодородия почвы. Влияние легко и среднерастворимых солей на плодородие почвы неодинаково.

В нашем исследовании химических свойств и особенностей состава почвы пришкольного участка, обнаружено, что содержание в верхней части почвенного профиля легкорастворимых солей в количестве, не превышающем 0,2%, свидетельствует о слабой засоленности почвы. Эксперимент, по методике В.В. Добровольского, показал, что в почве присутствуют легко и среднерастворимые соединения. Карбонаты обнаружены только в участке №3. Из среднерастворимых соединений безвредными солями являются карбонаты кальция и магния, а так же сульфат кальция (гипс). Наиболее вредными для растений являются хлориды (особенно MgCI₂ и CaCI₂), сульфат натрия (Na₂SO₄), это легкорастворимые соединения, они обнаружены на всех 3-х участках, в водной и соляно-кислотной вытяжке. Мы наблюдали выпадение осадка хлорида серебра, в виде ясной и слабой опалесценции. Наличие сульфатов было определено по качественной реакции с хлоридом бария, образовался осадок в виде сильной белой мути. Кальций обнаружен на всех 3-х участках, что подтвердила соляно-кислотная вытяжка. Железо (Fe³⁺ ) обнаружили незначительно, только на участке №1. Нитраты, легкорастворимые соединения, повышающие плодородие почвы, обнаружены значительнее на участке №2 картофельного поля, этому способствуют симбиотики - азотфиксирующие бактерии, стимулирующие рост и корнеобразование у растений. Проведены исследования 3-х образцов почвы пришкольного участка с трёхкратным повтором методом определения обменной кислотности. Обработав результаты, обнаружили: на участке №1 «Овощные культуры », почва сильнокислая, предполагается низкая урожайность, на участке №2 «Картофельное поле», почва имеет нейтральную среду, ожидается высокая урожайность и на участке №3 «Яблоневый сад», среда слабощелочная – предполагается средний показатель. На пришкольном участке имеются определённые условия для выращивания овощей, но урожайность сельскохозяйственных культур низкая. Химический состав почвы неблагоприятно влияет на урожайность овощных культур. Обнаруженные хлориды и сульфаты в почвенных пробах, подтверждают опасения учителей технологии о снижении урожайности овощей. Поэтому необходимо исключить негативные факторы: 1.Попадание вредных солей в почву вместе со сточными водами, загрязнёнными пылью и грязью от проезжающих по дороге автомобилей, а так же мусорных пакетов, которые выбрасывают местные жители. 2. Не допускать скапливание большого количества снега, вдоль забора пришкольного участка, счищенного с дороги, содержащего избыток поваренной соли. Согласно нашей гипотезе, возможно увеличение плодородия исследуемой почвы, для этого потребуется её обновление и подкормка азотными удобрениями. В засушливые года обильно поливать растения, что снижает её засоленность, не допускать пересыхания почвы. Соблюдение севооборота, то есть чередование овощей на различных грядах, будет способствовать нормальной жизнедеятельности растений. Ни одна овощная культура не должна расти на одном и том же месте второй год подряд. На менее плодородных участках подходит выращивание лука и редиса. На картофельном поле, следует выбирать сорта, выведенные для Урала и сохраняющие стабильную урожайность даже в неблагоприятных условиях, устойчивых к заболеваниям, хорошо отзывающихся на высокие дозы минеральных и органических удобрений, например сорт «Спиридон». Для более точных прогнозов нам необходимо продолжить изучение химического состава почвы, исследовать кислотно-щелочное и азотно-гумусовое состояние, гранулометрический, минералогический состав и это является перспективой нашей работы. Исследовательская работа по изучению химического состава почвы пришкольного участка для повышения её плодородия, помогла закрепить теоретические знания и практические навыки работы с лабораторным оборудованием, показала прямую связь химии с жизнью.

Список литературы

1. Алексеенко В., Алексеенко А. Химические элементы в городских почвах.- Издательство ЮФУ, Ростов-на-Дону, 2013 г.

2. Андреева М.А., Маркова А.С. География Челябинской области.- Челябинск, Южно-Уральское книжное издательство, 2002 год.

3. Добровольский В.В. Практикум по географии почв.- М.: Владос, 2001 год.

4. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения.- М.: Владос, 1999 год.

5. Добровольский Г.В. Философские аспекты генетического почвоведения.- http://www.viems.ru/asnti/ntb/ntb504/zemres1.html.

6. Зоммер К., Вюнш К.Х., Цеттлер М. Химия: Справочник школьника и студента.- М.: Дрофа, 2000 год.

7. Левит А.И. Южный Урал: География, экология, природопользование.- Челябинск: Южно-Уральское книжное издательство, 2001 год.

8. Муха В.Д., Картамышев Н.И., Муха Д.В. Агропочвоведение- КолосС, 2003 год.

9. Энциклопедия Кругосвет, научно-популярная онлайн-энциклопедия- почва.- http://www.krugosvet.ru/node/37961

Приложение

Таблица №1

«Определение обменной кислотности почвы»

Таблица 2

«Результаты качественного анализа растворимых соединений почвы»

Схема пришкольного участка:

Участок №3

Яблоневый сад

Овощные культуры

Участок №1

Овощные культуры

Участок №2

Картофельное поле