Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych. Gleboznawstwo Chemia gleby

Transkrypt

1 Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Gleboznawstwo Chemia gleby 1. Badania wegetacyjne oddziaływania osadów ściekowych i kompostów na wzrost roślin 2. Substancja organiczna gleby (próchnica) 3. Pojemność sorpcyjna gleby 4. Ocena zasolenia i zakwaszenia gleb Opracowanie: dr hab. inż. Izabela KOWALSKA

2 1. Badania wegetacyjne oddziaływania osadów ściekowych i kompostów na wzrost roślin Cel ćwiczenia: Ocena wpływu nawożenia gleby osadami ściekowymi lub kompostami na wzrost roślin. Wykonanie ćwiczenia: Do badań wegetacyjnych używa się gleby w stanie powietrznosuchym przesianej przez sito. W charakterze roślin testowych używa się w pełni wykształconych nasion owsa, jęczmienia lub żyta, które pochodzą ze stacji uprawy roślin. W celu przeprowadzenia testów wegetacyjnych należy odważyć cztery próbki badanego osadu lub kompostu o masach: 10, 20, 40 i 60 g. Osad lub kompost wymieszać z glebą uzupełniając masę próby do 200 g. Równolegle odważyć 200 g gleby, która będzie stanowiła próbę kontrolną. Tak przygotowane naważki umieścić w plastikowych kubkach i zalać wodą destylowaną w ilości 80% maksymalnej nasiąkliwości gleby (ok. 30% całkowitej masy próby). Po wchłonięciu wody przez glebę umieścić w niej po 20 nasion rośliny testowej. Zważyć całkowitą masę próby i ją zanotować w dzienniku pomiarowym (tab. 1). Próby odstawić na 14-dniowy okres wegetacyjny. Co dwa dni należy ważyć każde naczynie i uzupełniać ubytek wody do początkowej masy próby. Po 14 dniach wyciąć wszystkie rośliny nad węzłem krzewienia, a następnie określić średnią długość liści, masę roślin zielonych i suchych (po wysuszeniu w temp. 105 C do stałej masy). Parametr Masa gleby, g Masa dodanej wody, g Liczba nasion, szt. Całkowita masa próby, g Średnia długość liści, cm Masa roślin zielonych, g Masa roślin suchych, g Tab. 1. Dziennik pomiarowy Masa osadu, g Opracowanie wyników badań: Wyniki badań zestawić w tabelach. Na wykresach przedstawić zależność średniej długości liści oraz masę roślin zielonych i suchych w funkcji dawki osadu lub kompostu. Przeprowadzić dyskusję uzyskanych wyników. Zagadnienia: Definicja gleby oraz główne jej składniki (faza stała, płynna i gazowa), Czynniki glebotwórcze (skała macierzysta, rzeźba terenu, klimat, biosfera, działalność człowieka), Wykorzystanie osadów ściekowych, kompostów i odpadów do celów rolniczych (zawartość związków biogennych i składników niepożądanych np. metali ciężkich, substancji toksycznych). 2

3 2. Substancja organiczna gleby (próchnica) Cel ćwiczenia: Określenie zawartości związków organicznych (próchnicy) w glebie, kompoście lub osadach ściekowych. Wykonanie ćwiczenia: Odważyć ok. 0,3-0,5 g gleby powietrznosuchej, dobrze roztartej i przesianej przez sitko o średnicy oczek 0,25 mm. Wsypać ją do suchej erlenmajerki o pojemności 500 cm 3. Równolegle do drugiej erlenmajerki odmierzyć 100 cm 3 wody destylowanej, która będzie stanowiła próbę kontrolną. Do obu kolb dodać po 10 cm 3 2 n roztworu dwuchromianu potasu (K2Cr2O7) i dobrze wymieszać. Natychmiast ciągle mieszając dodać 10 cm 3 stężonego (96%) kwasu siarkowego. Próby przykryć szkiełkami zegarowymi, wstawić pod dygestorium na 30 min. i co jakiś czas je mieszać. Następnie obie próby uzupełnić wodą destylowaną do objętości 200 cm 3 i w kolejności dawkować: - 5 cm 3 stężonego (84%) H3PO4, - szczyptę NaF, - 15 kropli indykatora dwufenyloaminy. Nie zużyty dwuchromian potasu odmiareczkowuje się 0,5 n roztworem siarczanu żelazawo-amonowego (FeSO4 (NH4)2SO4 6H2O). Po dodaniu wskaźnika reakcji próba zabarwia się na kolor brązowozielony. Podczas miareczkowania barwa zmienia się przez zielononiebieską do niebieskiej. Koniec miareczkowania to wyraźnie zielony kolor. Zabarwienie próby po dodaniu indykatora dwufenyloaminy na kolor zielononiebieski lub niebieski wskazuje na bliski punkt końcowy miareczkowania. Natomiast wyraźnie zielony kolor (zieleń butelkowa) po dodaniu wskaźnika reakcji wskazuje, iż należy powtórzyć oznaczenie dodając do próby większą ilość dwuchromianu potasu. Ilość potrzebnego dwuchromianu potasu zależy od zawartości substancji organicznych w glebie i można ją orientacyjnie określić na podstawie strat prażenia. Jeżeli nie przekraczają 55% suchej masy, to wystarczy na ogół 20 cm 3 2,0 n K2Cr2O7, w przypadku osadów ściekowych i kompostów dodatek ten wynosi zazwyczaj cm 3. Opracowanie wyników badań: Obliczyć procentową zawartość węgla organicznego w badanej próbce gleby, jeśli jego utlenianie przebiega wg reakcji: 3C + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 = 3CO2 + 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 8H2O Z reakcji wynika, iż 2 mole (12 vali) K2Cr2O7 utleniają 3 mole C (36 g), czyli roztwór 1,0 n (1 val/dm 3 ) utlenia 3 g Corg. do CO2. Zatem 1 ml 1,0 n roztworu K2Cr2O7 utlenia 3 mg Corg. do CO2. Obliczyć procentową zawartość próchnicy w badanej próbce gleby, przy założeniu, że zawartość węgla organicznego w próchnicy wynosi ok. 58%. Porównać zawartość próchnicy w badanej glebie z danymi literaturowymi zestawionymi w tab. 1. Przedyskutować uzyskaną zawartość substancji organicznych pod kątem warunków uprawy roślin. 3

4 Tab. 1. Zawartość próchnicy w poziomach A różnych gleb ornych Polski [wg 1] Typ gleby Zawartość próchnicy, % zakres średnio Gleby brunatne wytworzone z: 0,7-5,0 1,8 glin lekkich 0,8-3,6 1,8 glin ciężkich 0,9-3,9 2,1 lessów 0,9-3,5 1,9 Gleby płowe wytworzone z: 0,7-4,5 1,7 glin lekkich 0,7-3,8 1,6 glin ciężkich 1,2-3,2 1,9 lessów 1,1-5,3 2,1 Czarne ziemie wytworzone z: 1,1-10,2 3,2 glin lekkich 1,7-8,4 2,7 glin ciężkich 1,9-7,0 3,3 pyłów 1,4-6,6 3,0 Czarnoziemy 1,7-5,3 2,6 Mady próchniczne 1,8-8,0 3,7 Rędziny czarnoziemne 2,0-7,3 3,6 Zagadnienia: Charakterystyka substancji organicznej gleby (próchnica), Wpływ próchnicy na właściwości gleby, Procesy przemiany związków organicznych (mineralizacja, butwienie, gnicie, humifikacja). Literatura: [1] A. Mocek, S. Drzymała, P. Maszner: Geneza, analiza i klasyfikacja gleb, Poznań

5 3. Pojemność sorpcyjna gleby Cel ćwiczenia: Badanie pojemności sorpcyjnej gleb w stosunku do kationów oraz obliczenie stopnia wysycenia kompleksu sorpcyjnego gleby. Wykonanie ćwiczenia: Suma zasad wymiennych (S) metodą Kappena Do próbki gleby dodaje się określoną ilość mianowanego roztworu HCl a następnie odmiareczkowuje jego nadmiar mianowanym roztworem NaOH. Z różnicy pomiędzy pobraną a pozostałą ilością HCl znajduje się tę jego ilość, która została zużyta na wyparcie i zobojętnienie zasad wymiennych (Ca 2+, Mg 2+, Na +, K + ). - H Kompleks sorpcyjny =Ca + 2H + Kompleks sorpcyjny - H Odważyć 20 g gleby powietrznosuchej i przesianej przez sito do butelki o pojemności 250 cm 3. Dodać 200 cm 3 0,1 n HCl i wytrząsać przez 30 min. na aparacie rotacyjnym. Po zdekantowaniu roztwór przesączyć przez sączek. Pobrać 50 cm 3 przesaczu i zmiareczkować 0,1 n NaOH wobec indykatora Taschiro (mieszanina czerwieni metylowej i błękitu metylowego) do uzyskania zielonego zabarwienia. Następnie w podobny sposób zmiareczkować 25 cm 3 0,1 n HCl (określenie miana 0,1 n HCl). Z różnicy pomiędzy dodaną a pozostałą ilością HCl obliczyć tę jego ilość, która została zużyta na wyparcie i zobojętnienie zasad wymiennych (wartość S) wyrażoną w mval/100 g gleby. Suma kationów kwasowych (H) Glebę wytrząsa się z roztworem octanu wapnia, który w roztworze oddziałuje zasadowo. Jony wapniowe octanu wypierają z kompleksu sorpcyjnego jony wodorowe oraz glinowe i pierwotnie zasadowy roztwór octanu ulega zakwaszeniu. Stopień zakwaszenia określa się przez miareczkowanie roztworem NaOH. Kompleks sorpcyjny - H - H + Ca 2+ Kompleks sorpcyjny =Ca = Ca H + Odważyć 40 g gleby powietrznosuchej i przesianej przez sito do butelki o pojemności 250 cm 3. Dodać 200 cm 3 1,0 n octanu wapnia ((CH3COO)2Ca H2O). Wytrząsać na aparacie rotacyjnym przez 30 min. Po zdekantowaniu roztwór przesączyć przez sączek. Pobrać 50 cm 3 przesączu i zmiareczkować 0,1 n NaOH wobec fenoloftaleiny do uzyskania różowego zabarwienia. Obliczyć sumę kationów kwasowych wyrażoną w mval/100 g gleby, jeśli współczynnik empiryczny do przeliczenia na całkowitą kwasowość hydrolityczną przy jednorazowym wytrząsaniu z octanem wapnia wynosi 1,5. 5

6 Opracowanie wyników badań: Na podstawie uzyskanych wartości obliczyć zdolność wymienną kompleksu sorpcyjnego (T = S + H, mval/100 g gleby) oraz procentowy udział kationów zasadowych i kwasowych w kompleksie sorpcyjnym gleby (VS i VH, %). Przedyskutować uzyskane wyniki badań na podstawie danych zestawionych w tab Tab. 1. Wartości T i V S w glebach Polski [wg 1] Gleby T, mval/100 g V S, % orne warstwa orna 4,2-25,3 20,6-100,0 podglebie 2,5-20,8 41,0-100,0 leśne warstwa organiczna 10,8-17,4 8,6-42,2 warstwa mineralna 1,9-24,6 8,7-98,0 Tab. 2. Wartości V H jako wskaźnik degradacji gleb [wg 1] Stopień degradacji gleb V H, % bardzo słaby słaby średni silny bardzo silny >85 Tab. 3. Pojemność sorpcyjna niektórych gleb, minerałów glebowych i próchnicy [wg 2] Nazwa sorbenta Pojemność sorpcyjna, mval/100 g s.m. Minerały ilaste: kaolinit 8,0 illit 30,0 montmorylonit 80,0 wermikulit 50,0 Próchnica 200,0 Kwas huminowy 231,0 Gleba bielicowa - uprawna wytw. z piasku 1,08 2,22 Gleba brunatna wytw. z lessów 114,3 28,7 Gleba marszowa wytw. z torfu niskiego 53,2 85,0 Ziemie ogrodnicze 9,4 59,6 Podłoża ogrodnicze 21,2 140,0 Zagadnienia: Kompleks sorpcyjny gleby i udział sumy zasad wymiennych i kationów kwasowych, Rodzaje sorpcji glebowej (fizyczna, chemiczna, biologiczna, wymienna (reguły rządzące sorpcją wymienną)). Literatura: [1] A. Ostrowska, S. Gawliński, Z. Szczubiałka: Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa [2] H. Greinert: Ochrona gleb, Wyd. Politechniki Zielonogórskiej

7 4. Ocena zasolenia i zakwaszenia gleb Cel ćwiczenia: Określenie stopnia zasolenia i zakwaszenia gleb oraz wyznaczenie dawki wapna do odkwaszenia gleby. Wykonanie ćwiczenia: Naważyć trzy próbki gleby w stanie powietrznosuchym po 40 g i umieścić w szklanych zlewkach o pojemności 250 cm 3. Do próby I dodać 100 cm 3 wody destylowanej, a do prób II i III 100 cm 3 1 n KCl. Próby mieszać na mieszadle magnetycznym (60 obr./min.) przez 60 min. W odstępach 20 minutowych w próbie I oznaczać ph i przewodność, natomiast w próbie II ph. Po 60 min. mieszania z próby III pobrać 50 cm 3 przesączu, przenieść do kolby stożkowej i zagotować w koszu grzewczym. W celu oznaczenia kwasowości wymiennej dodać kilka kropli fenoloftaleiny i miareczkować na gorąco 0,01 n NaOH do trwałego różowego zabarwienia. Opracowanie wyników badań: Wyniki badań zestawić w tabelach. Na podstawie uzyskanych wartości ph i przewodności w próbach I i II określić stopień zasolenia i zakwaszenia gleb (tab. 1 i 2). Tab. 1. Kategorie gleb określone na podstawie wartości ph [wg 1] Kategoria gleb ph w H 2O ph w KCl silnie kwaśne do 5,0 do 4,5 kwaśne 5,1-6,0 4,6-5,5 lekko kwaśne 6,1-6,7 5,6-6,5 obojętne 6,8-7,4 6,6-7,2 zasadowe od 7,4 od 7,2 Tab. 2. Ocena szkodliwości zasolenia gleb w stosunku do roślin na podstawie przewodności wyciągu glebowego [wg 1] Przewodność, ms/cm Ocena szkodliwości do 0,5 tolerowana przez wszystkie rośliny 0,6-1,0 szkodliwa dla roślin wrażliwych 1,2-2,0 bliskie szkodliwego oddziaływania na rośliny 2,0-4,0 szkodliwe oddziaływanie na rośliny >4 toksyczne dla prawie wszystkich roślin Na podstawie wyznaczonej wartości kwasowości wymiennej określić zapotrzebowanie wapna do odkwaszenia gleby: W= KWc*28, mg CaO/100 g gleby, gdzie: 7

8 W ilość czystego wapna, KWc kwasowość wymienna całkowita (1,75*KW), mval/100 g gleby, 1,75 współczynnik emipryczny do przeliczenia całkowitej kwasowości wymiennej, 28 współczynnik przeliczeniowy na równoważną ilość CaO. Zagadnienia: Fizyczno-chemiczne właściwości gleb (skład chemiczny, kwasowość gleb, buforowość gleb, potencjał oksydacyjno redukcyjny) Przyczyny i ekologiczne skutki zasolenia i zakwaszenia gleb Literatura: [1] A. Greinert: Przewodnik do ćwiczeń z gleboznawstwa i ochrony gleb, Wydawnictwo Politechniki Zielonogórskiej, Zielona Góra