Способ количественного определения вермикулита в почвах

Изобретение относится к агрохимии, предназначено для использования в растениеводстве при расчете оптимальных доз калийных удобрений, вносимых в почвы под сельскохозяйственные культуры. Способ включает процесс насыщения почвенного обменного комплекса однозарядным слабогидратированным катионом. Осуществляют фиксацию этого катиона внутри кристаллической решетки минерала посредством нагревания с последующим вытеснением катионов с обменных позиций ионами NH4+. В качестве насыщающего однозарядного катиона используют цезий, меченный радиоактивным изотопом 137Cs, содержание которого определяют методом γ-спектрометрии. Техническим результатом является разработка более точного, несложного в исполнении и ускоренного способа определения вермикулита в почве. 1 табл.

 

Изобретение относится к агрохимии и предназначено для использования в растениеводстве при расчете оптимальных доз калийных удобрений, вносимых в почвы под сельскохозяйственные культуры.

Вермикулит относится к трехслойным лабильным силикатам, которые очень широко распространены в природе. Особенностью его кристаллической структуры является то, что при увлажнении в его межпакетные пространства может входить вода, вызывая их расширение, и в них проникают как однозарядные, так и двухзарядные катионы. При высыхании минерала слабогидратированные ионы К+, находящиеся в межпакетном пространстве, лишаются гидратной оболочки и занимают гексагональные ячейки кремнекислородных тетраэдров и, благодаря электростатическому взаимодействию с атомами кислорода, стягивают пакеты, что приводит к построению иллит-подобной структуры. Особенностью вермикулита является то, что селективные к однозарядным катионам сорбционные места формируются как в концевых клиновидных областях межпакетных пространств, так и внутри его кристаллических структуры.

Состав минеральной составляющей почв во многом определяет их способность обеспечивать растения калием. Калий, внесенный в почву в составе калийных удобрений, распределяется в водорастворимую, обменную и необменную (фиксированную) форму в зависимости от содержания глинистых частиц и их минералогического состава.

Присутствие вермикулита приводит к тому, что часть вносимого в почву с удобрениями калия оказывается прочно связанным в его кристаллической решетке. Естественные природные процессы увлажнения-высушивания способствуют усилению фиксации. Фиксация вермикулитом ионов калия снижает их потери в дренажные воды.

При интенсивном ведении агропроизводства для стабилизации калийного режима и обеспечения сбалансированного минерального питания сельскохозяйственных растений необходимо вести контроль содержания вермикулита, что наиболее актуально для почв легкого гранулометрического состав с низким содержанием органического вещества, в которых происходит вымывание К+ с инфильтрационными водами в значительных размерах (до 10-12 кг/га⋅год К2O).

Известен рентгенодифракционный способ определения глинистых минералов в почвах [Соколова Т.А. Глинистые минералы в почвах гумидных областей СССР. Новосибирск: Наука, 1985. 254 с.]. Перед анализом проводят выделение из почвы илистой фракции методом седиментации. Далее из образца удаляют карбонаты, ионы Са2+ и Mg2+. Для разрушения органического вещества осадок илистой фракции обрабатывают Н2О2, а затем помещают в диализные ячейки, где одну часть насыщают ионами К+, вторую - ионами Mg2+.

Проводят рентген-дифрактометрическую съемку образцов в исходном состоянии и после 2-часового прокаливания при 350°С. Для проведения анализа пробу, насыщенную глицерином, помещают на пути монохроматического рентгеновского луча, а затем измеряют интенсивность излучения, отраженного под разными углами. Для расшифровки рентген-дифрактограмм используют специальные таблицы.

Недостатком способа рентгеновской дифракции является:

1) длительность процесса (чтобы подготовить к минералогическому анализу 10 образцов, надо затратить около месяца);

2) неполное измерение вермикулитовых мест, поскольку исключается минеральная фракция больших по размеру частиц (> 0,001 мм), которые также содержат сорбционные места;

3) анализ позволяет количественно измерить только общую сумму лабильных силикатов, в которую помимо вермикулита входит и монтмориллонит;

4) затруднено измерение вермикулитовых мест в смешанослойных структурах.

Известен количественный способ определения глинистого минерала, основанный на свойстве вермикулита фиксировать К+ в кристаллической решетке [Alexiades С.A. and Jackson M.L, Quantitative determination of vermiculite in soils, Soil Sci. Soc. Am. Proc., 1965, Vol. 29, pp. 522-527].

В этом способе количество вермикулита в илистой фракции почв рассчитывают как разность между емкостью катионного обмена (ЕКО) образца, насыщенного Са2+(Са2+ЕКО) и емкостью катионного обмена образца, насыщенного К++ ЕКО), после его нагревания при 110°С.

Для насыщения образцов используют раствор 0,5н СаОАс и 0,5н КОАс, для вымывания обменного Са2+ - раствор 1н MgOAc, обменного К+ - 1н раствор NH4OAc (рН7).

Содержание избыточных катионов Са2+ и К+ в растворах определяют методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.

Расчет процентного содержания вермикулита (Vr) основан на разнице Ca2+ и К+ емкости катионного обмена (выраженной в мг-экв/100 г) и внутрислоевой обменной емкости вермикулита, принятой равной 154 мг-экв/100 г.

Недостатком способа является длительность процесса, занимающий недели времени за счет предварительной подготовки образца: удаление органического вещества химическим окислением с последующим фракционированием частиц и выделением илистой фракции <0,002 мм.

Известен способ определения вермикулита в почвах аналогичный предыдущему, но используемый для всей почвы, а не только для ее минеральной части [С.В. Coffman and D.S. Fanning, "Vermiculite" determination on whole soils by cation exchange capacity methods, Clay and Clay Minerals, 1974, Vol. 22, pp. 271-283].

Способ позволяет сократить время анализа. Было показано, что органическое вещество и гидроксиды железа, присутствующие в почве, не влияют на результат.

В работе была выявлена необходимость проводить анализ не только ила почв, но и супеси, и песка, так в минералах этих фракций также были обнаружены вермикулитовые места.

Недостатком этого способа, как и предыдущего, является то, что результат рассчитывают как разницу измерений двух больших величин, что снижает точность определения.

Наиболее близким техническим решением является способ определения содержания вермикулита в почве, включающий процесс насыщения почвенного обменного комплекса однозарядным слабо гидратированным катионом, осуществление фиксации этого катиона внутри кристаллической решетки минерала посредством нагревания с последующим вытеснением катионов с обменных позиций ионами NH4+ [G.J. Ross, P.A. Schuppli, С. Wang, Quantitative determination of vermiculite by a rubidium fixation method, Soil Sci. Soc. Am. J.,1989, Vol. 53, pp.1588-1589].

Сущность способа состоит в процедуре фиксации Rb+, когда обменный Rb+ из образца глинистой фракции почвы, насыщенного Rb+ и подвергнутого нагреванию, затем вымывается ионами NH4+. Образец растворяют смесью HNO3-HF-HClO4 и фиксированный Rb+ определяется методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.

За счет того, что Rb определяется непосредственно в пробе, способ более точный по сравнению со способами, основанными на фиксации К+.

Способ включает в себя предварительную подготовку почвы: удаление органического вещества посредством NaOCl и разделение минеральной составляющей по фракциям посредством метода седиментации. В способе анализ проводят в илистой фракции (<0,002 мм).

Недостатком способа является неполное измерение вермикулитовых мест, поскольку исключается минеральная фракция больших по размеру частиц (>0,002 мм), которые также содержат сорбционные места, предрасположенные к фиксации К+. Способ является многостадийным и поэтому - весьма сложным и включающим длительные по времени операции.

Задачей изобретения является разработка более точного, несложного в исполнении и ускоренного способа определения вермикулита в почве.

Поставленная задача решается способом определения содержания вермикулита в почве, включающем процесс насыщения почвенного обменного комплекса однозарядным слабо гидратированным катионом, осуществление фиксации этого катиона внутри кристаллической решетки минерала посредством нагревания с последующим вытеснением катионов с обменных позиций ионами NH4+, в качестве насыщающего однозарядным катиона используют цезий, меченный радиоактивным изотопом 137Cs, содержание которого определяют методом γ-спектрометрии, а содержание вермикулита рассчитывается из отношения количества фиксированного Cs+ (мг-экв/100 г) к емкости катионного обмена вермикулита (154 мг-экв/100 г) по формуле: [Vr]=[Cs+]/0,154.

В основу предложенного способа положено свойство селективной сорбции и фиксации ионов Cs+ в минералах группы вермикулита [Заявка РФ №93038220, кл. G21F 9/12, опубл. 20.02.1996].

Способ включает себя процесс насыщения почвенного обменного комплекса ионами Cs+. Для этого образец почвы подвергается 3-х кратному промыванию раствором CsCl, содержащим в качестве метки радиоактивный изотоп 137Cs в следовой концентрации.

Разделение фаз проводится центрифугированием. Для удаления воды после последней декантации образец однократно промывается 80% раствором этанола. Образец выдерживается в течение ночи в печи при температуре 110±10°C. После нагревания образца обменный Cs+ замещается на ионы NH4+. Процедура включает в себя 4-х кратное промывание 1М раствором NH4OAc. Фиксированный в кристаллической решетке 137Cs определяется методом γ-спектрометрии. С учетом известного соотношения стабильного и радиоактивного изотопов Cs+, содержание вермикулита рассчитывается из отношения количества фиксированного Cs+ (мг-экв/100 г) к емкости катионного обмена вермикулита (154 мг-экв/100 г). В единицах содержания вермикулита г/кг почвы формула расчета выглядит как:

[Vr]=[Cs+]/0,154

Пример

Для определения вермикулита подобрана коллекция зональных пахотных почв Европейской части РФ. В коллекцию входят почвыразличного гранулометрического состава.

Из почв предварительно механическим путем удаляют неразложившиеся органические остатки. Почвы высушивают при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния, размалывают и просеивают через сито с диаметром отверстий 2 мм.

Образец почвы (1 г) подвергают 3-х кратному промыванию 10 мл 0,5М раствора CsCl, содержащим в качестве метки радиоактивный изотоп 137Cs. Удельная активность раствора промывки CsCl составляет ≈800 МБк/л.

Образец почвы помещают в центрифужную пробирку, заливают 10 мл 0,5М раствора CsCl, меченного изотопом 137Cs, оставляют на 15 мин, периодически перемешивая. Разделение фаз проводят центрифугированием (14000g). Для удаления воды после последней декантации образец однократно промывают 80% раствором этанола на воронке и выдерживают в течение ночи в печи при 110°C.

После нагревания образца обменный Cs+ замещают на ионы NH4+4-х кратным промыванием 10 мл 1М раствором NH4OAc. Фиксированный в кристаллической решетке 137Cs определяют методом γ-спектрометрии с использованием детектора из сверхчистого германия. Время измерения выбирают из расчета, чтобы статистическая ошибка не превышала 5%. Анализ проводят в двух повторностях.

В Таблице 1 приведены результаты количественного определения вермикулита зональных пахотных почв Европейской части РФ способом фиксации цезия, меченного радиоактивным изотопом, и способом рентгеновской дифракции [Соколова Т.А., Дронова Т.Я., Толпешта И.И. Глинистые минералы в почвах: Учебное пособие. Тула: Гриф и К, 2005. 336 с.]. Для проведения анализа из почв способом рентгеновской дифракции была выделена илистая фракция методом пипетки по В.В. Качинскому. [Практикум по почвоведению (ред. Кауричев И.С.). М.: Колос, 1980. 273 с.]. Количественное определение глинистых минералов проводили в одной повторности. Результаты количественного определения вермикулита в почвах представлены в таблице.

Значительная разница в данных, полученных методом рентгеновской дифракции и методом фиксации радиоактивного изотопа 137Cs (колонки 4 и 5 в таблице) обусловлена как тем, что в случае рентгеновских измерений исследуется только часть почвы, так и тем, что метод рентгеновской дифракции дает суммарное содержание вермикулита и монтмориллонита, в то время как использование радиоактивного изотопа 137Cs позволяет оценивать содержание вермикулит без вклада других глинистых минералов.

Преимущество предлагаемого способа: значительное снижение времени и трудоемкости процесса (анализ проводится за 2 дня), повышение точности определения содержания вермикулита в почве за счет того, что анализируется вся почва и учитывается вклад крупных фракций, где так же присутствуют вермикулитовые места.

Способ позволяет спрогнозировать какая часть вносимого калия удобрений перейдет в необменную форму и таким образом рассчитать оптимальные дозы вносимых удобрений для того, чтобы предотвратить потери калия в виде вымывания из пахотного слоя при инфильтрации атмосферных осадков или искусственном орошении.

Способ количественного определения вермикулита в почве, включающий процесс насыщения почвенного обменного комплекса однозарядным слабогидратированным катионом, осуществление фиксации этого катиона внутри кристаллической решетки минерала посредством нагревания с последующим вытеснением катионов с обменных позиций ионами NH4+, отличающийся тем, что в качестве насыщающего однозарядного катиона используют цезий, меченный радиоактивным изотопом 137Cs, содержание которого определяют методом γ-спектрометрии, а содержание вермикулита [Vr], г в 1 кг почвы, рассчитывают по формуле:

[Vr]=[Cs+]/0,154,

где Cs+ - количество определенного Cs+ (мг-экв/100 г), 0,154 - емкость катионного обмена вермикулита (154 мг-экв/100 г).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к экологии и может быть использовано в системе мониторинга окружающей среды в зоне освоения нефтегазовых месторождений в районах Крайнего Севера.

Способ агрохимического обследования земель сельскохозяйственного назначения относится к сельскому хозяйству, а именно к агрохимическому картографированию земель сельскохозяйственного назначения.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к земледелию и растениеводству. В способе последовательно формируют, по меньшей мере, два образца семян зерновых культур: опытный и контрольный вариант образцов семян зерновых культур, обеспечивают контакт опытного образца семян с почвой с добавлением воды до достижения наименьшей влагоемкости почвы; обеспечивают контакт контрольного образца семян с песком с добавлением воды до достижения наименьшей влагоемкости песка; осуществляют выдержку указанных опытных и контрольных образцов семян до проращивания, удаляют почву и песок с пророщенных семян и помещают очищенные опытные и контрольные образцы пророщенных семян в идентичные прозрачные емкости с водой, уплотняют пророщенные семена в емкостях посредством вибрационного воздействия в вертикальной плоскости и последующего ударного воздействия на дно емкости.

Изобретение относится к области исследований свойств пород сланцевых толщ. При осуществлении способа определяют литологические типы пород в интервалах глубин сланцевой толщи.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. В способе формируют, по меньшей мере, один обработанный раствором пестицида опытный образец семян зерновых культур и один необработанный контрольный образец семян зерновых культур, обеспечивают контакт опытного обработанного образца семян с почвой с добавлением воды до достижения наименьшей влагоемкости почвы; обеспечивают контакт контрольного образца семян с песком с добавлением воды до достижения наименьшей влагоемкости песка; осуществляют выдержку указанных опытных и контрольных образцов семян до проращивания, удаляют почву и песок с пророщенных семян и помещают очищенные опытные и контрольные образцы пророщенных семян в идентичные прозрачные емкости с водой, уплотняют пророщенные семена в емкостях посредством вибрационного воздействия в вертикальной плоскости и последующего ударного воздействия на дно емкости, при этом после вибрационного воздействия на образцы семян в емкости помещают идентичные по массе грузы, определяют насыпные объемы опытного (V2) и контрольного (V3) образцов пророщенных семян по высоте размещения груза от дна емкости, по которым определяют величину суммарного ингибирования семян опытного образца токсикозом почв и пестицидом (Иi) по формуле: Иi=((V3-V2i)/(V3-V1))*100%, где V1 - поправочный коэффициент, характеризующий насыпной объем набухших семян злаковых колосовых зерновых культур, проращивание которых осуществлялось в течение 24 часов; V2i - насыпной объем проросших семян опытного образца; V3 - насыпной объем проросших семян контрольного образца, i - порядковый номер опытного образца; по значениям насыпных объемов V2i, где i - порядковый номер опытного образца, строят кинетические зависимости изменения длины проростков для выбранной культуры при проращивании обработанных семян этой культуры на исследуемой почве от времени (toi, мин); определяют величину временного сдвига (%) для каждого образца и выбранной почвы (Ti) Ti=[(toi-tпi)/tпi]*100%, где Ti - временной сдвиг (%), tпi - время прорастания семян в песке, мин, tоi - время прорастания семян в почве до той же длины проростков, что и в песке, мин; формируют зависимость временного сдвига (Ti) от величины суммарного ингибирования (Иi) при развитии семян, определенную по насыпному объему (V2i); определяют время задержки прорастания опытного образца семян в почве по формуле Δto=1080*Ti/100, где Δto - время задержки прорастания обработанных семян в почве (мин), Ti - временной сдвиг, который определили при помощи экспериментальной кривой для величины найденного суммарного ингибирования (%).

Изобретение относится к отрасли сельского хозяйства, а именно к области исследования состояния почвы, может использоваться в сельском хозяйстве для отбора проб почвы с различной глубины и проведения исследований по некоторым ее физико-механическим и химическим свойствам.

Изобретение относится к экологии и может быть использовано для идентификации источника и времени загрязнения окружающей среды дихлордифенилтрихлорэтаном (ДДТ) в регионах Крайнего Севера.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера заключается в том, что устанавливают не менее трех опорных реперных точек с известными координатами для идентификации координат их размещения на местности и обеспечения повторности наблюдений либо определяют эти координаты топографо-геодезической съемкой с точностью ±1 мм; устанавливают сканирующее оборудование таким образом, чтобы лазерный сканер находился на самой нижней точке исследуемого подверженного эрозии участка; обрабатывают полученные сканы, а именно сделанные в разное время сканы размещают в единую систему координат, очищают сканы от нежелательных объектов, для каждого скана с помощью встроенных в используемую компьютерную программу алгоритмов строят цифровую трехмерную модель рельефа с шагом сетки, равным шагу сканирования, определяют объём V и толщину слоя i потери почвы от эрозии (i–) и аккумуляции (i+) смытого материала на всем выбранном участке путем вычитания разновременных цифровых моделей рельефа с помощью алгоритмов программы, поставляемой с используемым сканирующим оборудованием; выполняют вычисление показателей почвенной эрозии и аккумуляции на исследуемой территории, для чего рассчитывают слой эрозии почвы и аккумуляции почв на участке площадью S в миллиметрах по объему смыва почв V и объему аккумуляции почв V+ по экспериментально выведенным формулам i– = V–/S × 1000; i+ = V+/S × 1000; выполняют расчёт преобладающего эрозионного процесса Δi: Δi = (V+ – V–/S) × 1000; выполняют расчёт объема смыва аккумуляции почвы на единицу площади, получают интегрированный удельный показатель E: E = (V+ – V–/S) × 10000.

Изобретение относится к грунтоведению и может быть использовано при проектировании искусственных оснований фундаментов зданий и сооружений из насыпного глинистого грунта.

Изобретение относится к инженерно-геологическим изысканиям, в частности к способам определения изменения устойчивости мерзлых грунтовых оснований. Согласно заявленному способу в грунтовом основании размещают зонды, каждый из которых содержит нагревательный элемент, приемный акустический преобразователь и термометр.

Изобретение относится к агрохимии, предназначено для использования в растениеводстве при расчете оптимальных доз калийных удобрений, вносимых в почвы под сельскохозяйственные культуры. Способ включает процесс насыщения почвенного обменного комплекса однозарядным слабогидратированным катионом. Осуществляют фиксацию этого катиона внутри кристаллической решетки минерала посредством нагревания с последующим вытеснением катионов с обменных позиций ионами NH4+. В качестве насыщающего однозарядного катиона используют цезий, меченный радиоактивным изотопом 137Cs, содержание которого определяют методом γ-спектрометрии. Техническим результатом является разработка более точного, несложного в исполнении и ускоренного способа определения вермикулита в почве. 1 табл.

Наверх