Ćwiczenie 11, AK sem II (PB), szkoła, glebozawstwo


POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA

INSTYTUT INZYNIERII ŚRODOWISKA I ROLNICTWA

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Temat ćwiczenia: Charakterystyka azotu w środowisku glebowym. Metody mineralizacji i trawienia materiału glebowego.

Oznaczanie ogólnej zawartości azotu w glebie metodą nessleryzacji.

Numer ćwiczenia: 11

Laboratorium z przedmiotu:

Gleboznawstwo

KOD:                

Opracowała:

dr inż. Zofia Tyszkiewicz

2000

Instytut Inżynierii i Ochrony Środowiska

Katedra Ochrony Gleby i Powierzchni Ziemi

KOD:

Zawartość instrukcji:

  1. Wprowadzenie

  2. Cel ćwiczenia laboratoryjnego

3. Zakres ćwiczenia laboratoryjnego

  1. Metody badań

  1. opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu

  2. prezentacja i analiza wyników badań

  1. Wymagania BHP

  2. Literatura

  1. Wprowadzenie

Azot jest bardzo ważnym składnikiem gleby. Jest on również podstawowym składnikiem białka, dlatego też jest niezbędny dla wzrostu i rozwoju wszystkich organizmów żywych. Fizjologiczna rola azotu w roślinie polega na tym, że przyczynia się on do dobrego wypełnienia ziarna zbóż, zwiększa procentową zawartość białka w ziarnie, reguluje zużycie potasu i fosforu przez rośliny, zapewnia silny rozwój systemów korzeniowych. Jednak pobierany w zbyt dużych ilościach może być szkodliwy. Powoduje wówczas: wyleganie zbóż, opóźnia dojrzewanie, pogarsza jakość plonów, zmniejsza odporność roślin na choroby.

Źródła azotu w glebie

Podstawowym źródłem azotu w glebie jest powracająca do niej po obumarciu roślin substancja organiczna (oczywiście jest to inna substancja w przypadku ekosystemów naturalnych i agroekosystemów). Innym ważnym źródłem azotu są opady atmosferyczne, powietrze, nawozy mineralne i organiczne, skała macierzysta.

Zawartość azotu w glebie

Zawartość azotu w różnych typach gleb zależy od zawartości w nich próchnicy. Oczywiście najwięcej azotu zawiera sama próchnica: ok. 1,5 - 8,0%; najwięcej próchnica mullowa (tzn. adsorpcyjnie nasycona wapniem, Ca-próchnica), najmniej próchnica kwaśna (H-próchnica). W warstwie ornej większości gleb Polski zawartość azotu mieści się w granicach 0,1 - 0,3%. W glebach lekkich ubogich w substancję organiczną, wartości te mogą być mniejsze nawet niż 0,1%, a w glebach o cięższym składzie mechanicznym, bogatych w substancję organiczną większe niż 0,3%. Przykładowa zawartość azotu w różnych typach gleb przedstawia się następująco:

W glebach leśnych zawartość azotu związana jest z obiegiem substancji organicznej w układzie gleba-roślina, (opad listowia)-gleba. Ilość azotu jest duża i wynosi 0,5 - 2,5% w poziomach organicznych i maleje wraz ze zmniejszaniem się zawartości substancji organicznej, osiągając w głębszych poziomach mineralnych około 0,02%.

Zawartość azotu w glebach zależy od ilości i jakości substancji organicznej oraz stopnia jej rozkładu. Wskaźnikiem stopnia rozkładu jest stosunek węgla do azotu.

Stosunek C:N

Stosunek węgla do azotu jest jednym z podstawowych wskaźników obrazujących natężenie procesów przemian substancji organicznej gleby. W poziomach próchnicznych gleb ornych naszej strefy klimatycznej wartości C:N wahają się w przedziale 8:1 - 15:1, najczęściej przyjmując wartości 10:1 - 12:1. W warstwie organicznej gleb leśnych waha się on w szerokich granicach (10:1 - 30:1). Zmniejszenie się stosunku C:N do wartości mniejszej niż 10:1 świadczy o wysokim stopniu humifikacji substancji organicznej, ale jednocześnie o zbyt szybkiej jej mineralizacji. Natomiast stosunek C:N większy niż 30:1 wskazuje na małą aktywność procesów biologicznych i nagromadzenie się nierozłożonej substancji organicznej.

Czynniki wpływające na kształtowanie się stosunku C:N w glebach to:

- warunki klimatyczne - w glebach klimatu ciepłego i suchego obserwuje się jego zmniejszenie, natomiast w klimacie wilgotnym i chłodnym stosunek C:N ulega zwiększeniu.

- zależy także od stosunku C:N w materii organicznej, jaka dostaje się do gleby;

w organizmach drobnoustrojów wynosi 5:1, a w organizmach roślinnych ok. 50:1.

Tabela 1

Kształtowanie się stosunku C:N w zależności od rodzaju substancji organicznej

Rodzaj materii organicznej

C:N

Słoma zbóż ozimych

Słoma owsiana

Resztki pożniwne zbóż

Obornik surowy

Ścierń roślin motylkowych

Obornik przegniły

Próchnica poziomów A

Substancja organizmów bakterii

100:1

80:1

43:1

30:1

23:1

20:1

10:1

5:1

- stosunek C:N w glebie zależy również od głębokość w profilu glebowym

W głębszych poziomach glebowych stosunek ten ulega wyraźnemu zmniejszeniu.

- od pory roku

Pomimo że stosunek C:N jest dla danej gleby wartością względnie stałą, to w ciągu roku może ulegać znacznym wahaniom.

Formy azotu w glebie

Azot w środowisku glebowym występuje w formach mineralnych i formach organicznych.

Do organicznych połączeń azotu w środowisku glebowym należą: próchnica i nierozłożone resztki roślinne i zwierzęce. Według Thompsona forma organiczna azotu stanowi aż 99% jego ogólnej zawartości. Stąd też o zawartości azotu w glebach decyduje ilość substancji organicznej.

Azot w substancji organicznej nie jest dostępny dla roślin wyższych, dopóki nie będzie uwolniony podczas rozkładu (mineralizacji) substancji organicznej przez mikroorganizmy. Przyjmuje się, że w ciągu roku ok. 1 - 4% azotu z formy organicznej przechodzi w formę dostępną dla roślin.

Azot może być zasorbowany przez kompleks sorpcyjny. Związanie azotu przez próchnicę jest zjawiskiem bardzo korzystnym, chroni bowiem ten składnik przed wymywaniem w głąb profilu glebowego. Z próchnicy azot jest stopniowo uruchamiany w wyniku działania drobnoustrojów.

Do mineralnych form azotu zaliczamy formę azotanową (NO3-) i amonową (NH4+). Przyswajalne dla roślin są tylko mineralne połączenia azotu. Przy czym należy zaznaczyć, że łatwo przyswajalny azot mineralny wynosi zazwyczaj od 1 do 2% azotu ogólnego. Ponadto przez minerały ilaste związane jest średnio ok. 8% azotu w formie jonów amonowych, co czyni go nieprzyswajalnym dla roślin.

Do syntezy związków organicznych przez rośliny może być wykorzystana jedynie forma amonowa. Azot azotanowy pobrany przez rośliny musi ulec redukcji w ich tkankach. Jest to proces enzymatyczny, którego końcowym produktem jest amoniak.

Zużycie azotu przez rośliny oraz jego straty przez wymywanie zdecydowanie przewyższają tempo jego uwalniania, w wyniku czego ilość dostępnych połączeń azotu w glebach jest zazwyczaj bardzo mała.

Źródłem azotu nieorganicznego jest także opad atmosferyczny. Jednak tę postać azotu może wykorzystywać niewiele roślin. Należą do nich np. rośliny motylkowe żyjące w symbiozie z bakteriami brodawkowymi.

Do czynników wpływających na pobieranie NH4+ i NO3- należą: obecność w glebie niektórych kationów i anionów (K+, Ca2+, Mg2+, H2PO4-, SO42-, Cl-), stopień natlenienia podłoża, temperatura, wilgotność i obecność węglowodanów w roślinach.

Podstawowy zapas azotu w glebie związany jest w substancji organicznej. Przemianom tej substancji (aż do całkowitej mineralizacji) towarzyszy uwolnienie azotu mineralnego. Stosunek azotu organicznego (związanego) do azotu mineralnego (rozpuszczalnego) w ciągu roku waha się w szerokich granicach. W okresie wegetacji roślin, przy wprowadzeniu wysokich dawek azotowych nawozów mineralnych, stosunek ten może zbliżać się nawet do jedności, przy braku nawożenia natomiast gwałtownie wzrasta. W okresie wegetacji roślin w 100 gramach gleby uprawnej znajduje się na ogół kilkanaście a nawet kilkadziesiąt miligramów azotu mineralnego (dominuje forma azotanowa), a po tym okresie, pozostaje jedynie kilka miligramów w 100 g gleby. W glebach leśnych zapas azotu w formie organicznej jest znacznie większy niż w glebach ornych, ale znajduje się tam mniej azotu mineralnego, przy czym przeważa forma amonowa.

Nagromadzenie azotu mineralnego w postaci azotynów, azotanów czy też amoniaku w glebie poza sezonem wegetacyjnym wskazuje na występowanie niekorzystnych zmian w glebie lub na dopływ azotu ze źródeł zewnętrznych. Zawartość mineralnych form azotu w glebie nie jest cechą stabilną, ze względu jednak na to, że zawartość ta uważana jest za wskaźnik potencjalnego zanieczyszczenia wód gruntowych azotem pomiar tej cechy jest konieczny w monitoringu gleb.

Tabela 2

Zawartość azotu mineralnego spotykana w glebach Polski poza okresem wegetacyjnym

Gleby

Zawartość N - NH4+

mg/100g gleby

Zawartość N - NO3-

mg/100g gleby

Gleby uprawne

Poziom Ap

Poziomy leżące poniżej poziomu Ap

0,5 - 1,9

0,6 - 1,3

0,6 - 8,0

0,5 - 5,1

Gleby leśne

Poziom organiczny

Poziom mineralny

3 - 10

1 - 3

4 - 8

1 - 3

Gleby zanieczyszczone

(Zakłady Azotowe w Puławach)

warstwa 0 - 5 cm

warstwa 5 - 15 cm

warstwa 15 - 30 cm

8 - 48

3 - 10

1 - 8

3 - 8

1 - 3

1 - 3

Przemiany jakim ulegają związki azotu w glebie:

- amonifikacja - rozkład białka, zawartego w związkach organicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego do amoniaku. Proces ten jest wieloetapowy: białko ulega rozkładowi przechodząc w polipeptydy, potem w aminokwasy aż wreszcie, podobnie jak dostający się bezpośrednio do gleby mocznik w amoniak.

W amoniak przekształcana jest też część azotu cząsteczkowego dostającego się do gleby z atmosfery lub uwalniającego się z brodawek na korzeniach roślin motylkowych.

- nitryfikacja - polega na zamianie amoniaku do azotanów poprzez azotyny.

0x08 graphic
0x08 graphic
NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + E przebieg reakcji powoduje bakteria Nitrosomonas

0x08 graphic
0x08 graphic
2HNO2 + O2 2HNO3 + E przebieg reakcji powoduje bakteria Nitrobacter

- denitryfikacja - przemiana azotanów poprzez azotyny do azotu cząsteczkowego, który

ulatnia się do atmosfery.

0x08 graphic
0x08 graphic
HNO3 + H2O NH3 + 2O2 - denitryfikacja częściowa

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
2HNO3 2HNO2 2HNO N2 - denitryfikacja całkowita;

przebieg reakcji powoduje bakteria Bacillus denitryficans

W wyniku denitryfikacji może ulotnić się od 10 do 15% azotu dostarczanego do gleby w postaci nawozów mineralnych.

  1. Cel ćwiczenia laboratoryjnego

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z wiadomościami dotyczącymi azotu w środowisku glebowym, przedstawienie różnych postaci i zdolności przyswajania ich przez rośliny, a także poznanie różnych metod mineralizacji i trawienia materiału glebowego oraz określenie zawartości azotu ogólnego w próbkach glebowych.

3. Zakres ćwiczenia laboratoryjnego

4.Metody badań

4a. Przeprowadzenie składników z gleby do roztworu kwasu fluorowodorowego - oznaczenie ogólnej zawartości pierwiastków w glebie

Różnice między glebami wyrażają się głównie w ilości poszczególnych pierwiastków oraz w stopniu ich związania. W danej glebie poszczególne składniki mogą występować w różnej postaci, np. rozpuszczone w roztworze glebowym, zaadsorbowane na powierzchni cząstek koloidalnych lub wbudowane w sieć minerałów.

Analiza gleb na zawartość określonych składników składa się z dwóch podstawowych, jednakowo ważnych części, tj. z przeprowadzania składników do roztworu oraz ich oznaczenia. Ogólną zawartość składników w glebie oznacza się po całkowitym rozłożeniu związków mineralnych i organicznych. Do tego celu stosuje się stapianie gleby w środowisku alkalicznym albo trawienie kwasem fluorowodorowym po uprzednim spopieleniu substancji organicznej.

Zgodnie z zaleceniami międzynarodowymi całkowitą ilość składników glebowych przeprowadza się do roztworu metodą trawienia gleby kwasem fluorowodorowym.

Składniki w glebie występują przeważnie w postaci związanej w substancji organicznej i mineralnej. Spalanie gleby w temperaturze 450 - 500oC powoduje rozkład substancji organicznej. Kwas fluorowodorowy rozkłada minerały glebowe. Spopielanie gleby, a następnie trawienie kwasem fluorowodorowym powoduje przejście składników z formy związanej do roztworu kwasem fluorowodorowym.

4b. Przeprowadzanie składników z gleby do roztworu mieszaniny kwasu azotowego i nadchlorowego po uprzednim spopieleniu substancji organicznej - otrzymywanie zawartości pierwiastków zbliżonej do ogólnej

Całkowite rozłożenie mineralnych części gleby nastręcza wiele trudności, dlatego stosuje się często ługowanie składników glebowych na zimno lub na gorąco kwasami lub ich mieszaninami. Składniki przechodzące do mocnych kwasów w czasie trawienia gleby na gorąco przyjęło się nazywać zawartością zbliżoną do ich ogólnej zawartości w glebie.

W glebach o podobnym uziarnieniu relacje między ilością składników przechodzących do mocnych kwasów a ich zawartością ogólną są względnie stałe.

Zgodnie z zaleceniami międzynarodowymi do oznaczania tzw. ogólnej (zbliżonej do ogólnej) zawartości poszczególnych pierwiastków w glebie przyjęto metodę trawienia materiału glebowego mieszaniną stężonego kwasu azotowego o nadchlorowego na gorąco. Trawienie w kwasach gleb organicznych poprzedza się spopieleniem substancji organicznej.

Wstępne spopielenie gleby uwalnia składniki związane w substancji organicznej. Trawienie pozostałości po spaleniu mieszaniną kwasu azotowego i nadchlorowego powoduje rozkład większości minerałów glebowych i przejście składników do roztworów.

W glebach o małej zawartości substancji organicznej prawie cała ilość składników związana jest z substancją mineralną gleby. Mieszanina kwasów azotowego i nadchlorowego powoduje rozkład większości minerałów glebowych.

4c. Przeprowadzenie składników z gleby do 10% roztworu kwasu azotowego

Rozpuszczalność składników glebowych związana jest z formą, w jakiej występują w glebie oraz z innymi właściwościami gleby np. aktywnością biologiczną. Ilość składników przechodzących z gleby do tzw. słabych roztworów ekstrakcyjnych (np. rozcieńczonych kwasów) są zmienne w czasie, przy czym zmienność jest tym większa, im bardziej rozcieńczony jest roztwór ekstrahujący. Rozcieńczone kwasu mineralne i organiczne bądź zbuforowane roztwory soli są stosowane do oznaczania zawartości składników decydujących o stężeniu roztworów glebowych. Przy ekstrakcji gleby średnio stężonymi kwasami do roztworu przechodzą składniki o różnym stopniu rozpuszczalności.

W czasie ekstrakcji gleby 10% roztworem kwasu azotowego do roztworu przechodzą przede wszystkim te składniki gleby, które występują w postaci rozpuszczalnych związków chemicznych. Prostota metody i jej mała pracochłonność kwalifikuje ją do stosowania jako tzw. metodę wskaźnikową do oceny stopnia zanieczyszczenia gleb.

4d. Oznaczanie zawartości azotu ogólnego metodą Kjeldahla

Oznaczenie to składa się z następujących etapów:

0x08 graphic
nR - NH2 + nH2SO4 nNH3 + nCO2 + nSO2 +nH2O

Przebieg procesu spalania substancji organicznej gleby zależy od ilości tej substancji w spalanej próbie oraz od jej jakości i może trwać nawet kilkanaście godzin. Podstawowymi elementami określającymi szybkość spalania są temperatura i dostateczna ilość tlenu. W celu podniesienia temperatury oraz wniesienia dodatkowej ilości tlenu stosuje się katalizatory. Koniec spalania określa się na podstawie obserwacji koloru roztworu. Po całkowitym spaleniu substancji organicznej znika jego żółtawy odcień i otrzymuje się przezroczysty biały roztwór.

0x08 graphic
2NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4

Środowisko w kolbie w czasie spalania jest silnie kwaśne, co gwarantuje natychmiastowe wiązanie w procesie spalania azotu do siarczanu amonu.

0x08 graphic
nH2SO4 + nZn n Zn SO4 + n H2

0x08 graphic
NO3 + 5H2 NH4 + 3H2O

W naturalnym środowisku glebowym azot mineralny występuje głównie w postaci związków amonowych lub azotanowych, inne związki mogą znajdować się w minimalnych ilościach.

0x08 graphic
(NH4)2SO4 + 2 NaOH 2 NH3 + Na2SO4 + H2O

Innymi słowy metoda Kjeldahla oznaczania ogólnej zawartości azotu w glebie polega na całkowitym rozkładzie substancji organicznej gleby za pomocą stężonego kwasu siarkowego na gorąco. W tych warunkach węgiel utlenia się do CO2, wodór do H2O, a azot przechodzi w (NH4)2SO4. Azot znajdujący się w glebie w formie azotanowej pod wpływem kwasu siarkowego ulega rozkładowi do tlenków azotu. W celu oznaczenia całkowitej zawartości azotu, należy zredukować azotany. Dokonuje się tego w obecności kwasu siarkowego za pomocą drobno zmielonego żelaza lub przez dodanie tiosiarczanu sodu.

4e. Przeprowadzanie jonów NO3-, NH4+, Cl -i SO42- z gleby do roztworu za pomocą 0,03N kwasu octowego - oznaczanie przyswajalnych form pierwiastków

Składniki w glebie występują w różnej postaci. Najbardziej zmienne w czasie są tzw. ilości łatwo rozpuszczalne, tj. przechodzące do roztworów glebowych, a więc znajdujące się w nich, oraz te które uzupełniają ubytki z roztworów.

Podstawową pulę uzupełniającą roztwory glebowe stanowią składniki zaadsorbowane przez kompleks sorpcyjny i znajdujące się w postaci łatwo mineralizującej się substancji organicznej. Zawartość tych składników określa się ogólnie, jako tzw. składniki łatwo rozpuszczalne, tj. ekstrahowane z gleby słabymi roztworami kwasów (soli), a także wodą.

Jony azotanowe, siarczanowe, chloru oraz amonu należą do łatwo ekstrahowanych z gleby, jakkolwiek jony amonu mogą być silnie związane przez koloidy glebowe. Wymienione jony są bardzo ruchliwe w glebie (zwłaszcza chlorki i azotany), tj. stosunkowo łatwo mogą przemieszczać się do wód gruntowych. Zawartość ich w glebie jest wskaźnikiem potencjalnego zanieczyszczenia wód gruntowych.

Świeżą dobrze wymieszaną glebę zalewa się 0,03 N roztworem kwasu octowego i wytrząsa na mieszadle obrotowym. W wyniku działania kwasu octowego na glebę, do wyciągu przechodzą łatwo rozpuszczalne formy: N - NO3-, N - NH4+, Cl -, SO42- i inne składniki. Analiza chemiczna wyciągu informuje o aktualnej zawartości tych związków w roztworze glebowym, dlatego ekstrakcję przeprowadza się w świeżych próbach glebowych.

  1. Opis stanowiska badawczego i przebieg eksperymentu

Oznaczanie zawartości azotu ogólnego metodą nessleryzacji

Podobnie wykonać z wzorcami tj:

Do 9,4ml wzorca dodać 0,2ml soli Seignetta i 0,4ml odczynnika Nesslera

Sprzęt

Waga techniczna i waga analityczna, zestaw sit, urządzenie do spalania i mineralizacji prób glebowych, spektrofotometr

Odczynniki

Stężony kwas siarkowy, perhydrol, 10% NaOH, sól Seignetta, odczynnik Nesslera

  1. Prezentacja i analiza wyników badań

  1. Wymagania BHP

6. Literatura

Dobrzański i in., 1995. Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa.

Drzymała St. i in., 1985. Analiza i klasyfikacja gleb. Skrypty Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań.

Mocek A. i in., 1997. Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań.

Ostrowska A. Gawliński S., Szczubiałka Z., 1991. Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin. Instytut Ochrony Środowiska. Warszawa.

Uggla H., 1983. Gleboznawstwo rolnicze. PWN. Warszawa.

1

11



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Ćwiczenie 12, AK sem II (PB), szkoła, glebozawstwo
Ćwiczenie 10, AK sem II (PB), szkoła, glebozawstwo
Ćwiczenie 9, AK sem II (PB), szkoła, glebozawstwo
Zakres materiału na kolokwium z Gleboznawstwa, AK sem II (PB), szkoła, glebozawstwo
Agrestowate, AK sem II (PB), szkoła, szata roślinna ćwiczenia
Strączkowate, AK sem II (PB), szkoła, szata roślinna ćwiczenia
Wierzby, AK sem II (PB), szkoła, szata roslinna materialy z temego roku
Czeremcha amerykanska, AK sem II (PB), szkoła, szata roslinna materialy z temego roku
oliwkowate-szata roslinna, AK sem II (PB), szkoła, szata roslinna materialy z temego roku
zaliczenie wykladow, AK sem II (PB), szkoła, szata roslinna materialy z temego roku
AK-II, AK sem II (PB), szkoła
Brzoza, AK sem II (PB), szkoła, szata roslinna materialy z temego roku
Forsycja zwisla i Forsycja posrednia, AK sem II (PB), szkoła, szata roslinna materialy z temego roku
Rozanecznik japonski, AK sem II (PB), szkoła, szata roslinna materialy z temego roku
Tawula i zarnowiec, AK sem II (PB), szkoła, szata roslinna materialy z temego roku
strona tytulowa do sprawozdan, AK sem II (PB), szkoła
Glog, AK sem II (PB), szkoła, szata roslinna materialy z temego roku
Ćwiczenie1 11, TiR UAM II ROK, Informatyka

więcej podobnych podstron