Определение состава почвенного воздуха
Для характеристики газового режима почвенногрунтовой толщи на одних и тех же участках (делянках) в течение длительного времени целесообразно устанавливать в почву постоянные трубки для периодического отбора проб почвенного воздуха. Наиболее пригодны латунные, медные (или из другого мало окисляющегося в почве материала) трубки с внутренним диаметром 3—5 мм (рис. 1,2). К нижнему концу трубки припаивается латунное или медное кольцо (2) для укрепления ее в почве. На нижнем конце трубки просверливается несколько отверстий, которые предохраняются от загрязнения отрезком стеклянной трубки (3) и стеклянной ватой (4) или металлической сеткой.
При выборе глубин, на которые устанавливают трубки, необходимо учитывать все генетические горизонты почвы и неоднородность механического состава. Верхнюю трубку устанавливают на глубину 10—15 см, затем с интервалом примерно в 25 см устанавливают трубки до глубины 1,5 м; от 1,5 до 2,5 м интервал увеличивается до 50 см и глубже 2,5 м интервал устанавливается в 1 м. Расстояния между трубками должны быть не менее 20—25 см. Трубки устанавливают в скважину, пробуренную почвенным буром. Затем почву, взятую из скважины, засыпают обратно в том же порядке. Нижние 10—20 см скважины засыпают рыхлой почвой, а затем каждый слой плотно утрамбовывают. Верхний конец трубки должен выступать на 5—10 см над поверхностью почвы (соответственно длина трубки должна быть на 10 см больше заданной глубины) и закрываться каучуковой пробкой. На каждую глубину трубки устанавливают не менее чем с двойной повторностью. Для отбора пробы почвенного воздуха к трубке присоединяют приемник с помощью каучукового шланга. Перед взятием пробы воздух, находящийся в трубке, необходимо заменить почвенным воздухом. Для этого через трубку протягивают небольшой объем воздуха, равный емкости трубки и соединительной системы. Объем пробы почвенного воздуха не должен превышать 150—200 см2, так как при отборе пробы создается некоторое разряжение и взамен взятого воздуха поступает воздух из прилегающих слоев почвы. Пробы почвенного воздуха отбирают в газовые пипетки Зегера (рис. 2), предварительно заполненные насыщенным раствором NaCl, подкисленным HCl.
Анализ почвенного воздуха наиболее часто проводят абсорбционными методами, в основе которых лежит способность отдельных компонентов почвенного воздуха быстро абсорбироваться некоторыми реагентами. По изменению концентрации реагента или объема, или давления воздуха судят о содержании определяемого компонента в исследуемой пробе воздуха. Эти методы разделяются на титриметрические, волюмометрические и манометрические. Для определения состава почвенного возуха может быть применен метод газо-адсорбционной хроматографии. Выбор метода анализа зависит от задач исследования, концентрации исследуемого компонента и имеющегося объема воздуха. Если в почвенном воздухе нужно определить содержание только CO2, удобно пользоваться титриметрическим или манометрическим методом. Волюмометрический метод применяется для одновременного определения содержания углекислого газа и кислорода. Титриметрические методы основаны на определении изменения концентрации поглощающего раствора после взаимодействия последнего с определяемым компонентом почвенного воздуха.
Для определения концентрации CO2 в почвенном воздухе определенный объем его пропускают через раствор Ba(OH)2. Гидрат окиси бария связывает CO2 в нерастворимую в воде соль, а избыток Ba(OH)2 оттитровывают соляной кислотой в присутствии индикатора фенолфталеина.
Нами был предложен простой титриметрический метод определения CO2 и O2 с помощью колб, позволяющий проводить анализ непосредственно в поле. Применяют колбы емкостью на 150—200 мл с притертыми пробками (рис. 3). В пробку впаяны стеклянная трубка (а) с краном (1) и тубус (б) с с притертой стеклянной трубкой (в) с краном (2); трубка доходит до дна колбы (г).
Отбор пробы почвенного воздуха производят следующим образом. Колбу полностью заполняют дистиллированной водой, вставную стеклянную трубку присоединяют каучуковой трубкой к буру для отбора почвенного воздуха или к латунной трубке, установленной в почве, и открывают кран 1, затем 2. Чтобы систему (бур — каучуковая трубка) заполнить почвенным воздухом, из колбы выливают 20—40 мл воды, а затем снова доливают ее водой. Открывают краны, вода из колбы вытекает, а почвенный воздух поступает в колбу. Когда вся вода из колбы вытечет, краны 1 и 2 закрывают.
Колбу с почвенным воздухом отсоединяют от иглы-бура или латунной трубки. Вынимают вставную трубку (в), быстро вносят 10—50 мл (в зависимости от содержания СO2) 0,02 н. Ba(OH)2 и отверстие тубуса закрывают каучуковой пробкой. Для поглощения CO2 барит в колбе интенсивно взбалтывают 3—5 мин., затем избыток барита оттитровывают по фенолфталеину 0,02 н. раствором HCl. По разнице между холостым титрованием 10—50 мл барита и титрованием этого же количества барита после поглощения CO2 судят о содержании углекислого газа в объеме почвенного воздуха, соответствующем объему колбы с учетом взятого количества барита (10—50 мл). Концентрацию CO2 (в мг/л) в почвенном воздухе рассчитывают по формуле
где С — содержание CO2 в почвенном воздухе, мг/л; а — количество 0,02 ч. раствора HCl пошедшее на титрование взятого объема барита, мл; b — количество 0,02 н. раствора HCl, пошедшее на титрование барита после поглощения CO2, мл; 0,44 — количество СО2, эквивалентное 1 мл 0,02 н. HCl, мг; 1000— коэффициент для пересчета на 1 л воздуха; Fk — объем колбы, мл; Vp — объем взятого раствора барита, мл; t — температура воздуха; W — давление воздуха; w — упругость водяных паров при температуре t°.
Для пересчета в объемные проценты необходимо полученную величину С (в мг/л) умножить на 0,051.
Результаты определений концентрации CO2 в почвенном воздухе с помощью метода колб и метода газоанализатора близко совпадают.
При работе с колбами необходимо следить, чтобы пробка и краны были хорошо притерты во избежание попадания атмосферного воздуха. Объем колб и вносимых реактивов должны быть точно измерены.
Волюмометрические методы анализа почвенного воздуха основаны на измерении изменения объема исследуемого воздуха после поглощения анализируемого компонента в результате абсорбции, сожжения или каталитического окисления.
Для поглощения CO2 применяют 15—40%-ный раствор KOH (раствор готовится за несколько дней до анализа). Для кислорода лучшим поглотителем является щелочной раствор пирогаллола. Последний готовят, смешивая два раствора: 1) 600 г чистого KOH растворяют в воде с последующим доведением объема до 1 л и 2) 300 г пирогаллола растворяют в 800 мл воды с последующим доведением объема до 1 л. Перед употреблением смешивают растворы в соотношении: 1 объем раствора пирогаллола и 3 объема раствора щелочи.
При волюмометрическом анализе почвенного воздуха применяют газоанализаторы, различающиеся конструкцией отдельных частей.
Газоанализатор Гальдана (рис. 4) состоит из измерительной бюретки 7, системы поглотителей 10 и 12, термобарометра 8 и трех уравнительных склянок 6,9 и 14. В верхней части трубок 10, 11 и 12 примерно на одном уровне наносят метки, по которым устанавливают уровни поглотительных растворов. Метки (M) наносят при открытых кранах 3, 4 и 5 (положение II). Бюретка 7 объемом 10 или 20 мл в нижней части представляет собой капиллярную трубку с градуировкой до 0,01 мл, что позволяет с помощью лупы делать отсчеты до 0,001 мл. Термобарометрическая трубка 8 имеет объем, равный объему бюретки, и позволяет выравнивать изменения температуры и давления во время анализа. Бюретка и термобарометрическая трубка заключены в стеклянную муфту, заполненную водой для уменьшения влияния колебаний температуры. Поглотители 10 и 12 заполнены капиллярами для увеличения поглощающей поверхности, груша 6 служит аспиратором для заполнения бюретки исследуемым воздухом и перевода его в поглотительную систему. Она заполняется ртутью или насыщенным раствором хлористого натрия, подкисленным HCl, с индикатором розоловой кислотой или метилоранжем. Для поддержания уровня в поглотителе со щелочью 10 служит груша 9, соединенная с трубкой с натронной известью 13, а в поглотителе с пирогаллолом 12 — груша 14. Для предохранения от соприкосновения пирогаллола с атмосферой служит система трубок 15, заполненная вазелиновым маслом, которое также наливается на поверхность пирогаллола в груше 14.
При положении I крана 1 заполняют бюретку запирающим раствором, поднимая грушу 6 вверх. Раствор не должен подниматься выше крана 2. Закрывают двухходовой кран 16. Кран 1 переводят в положение II. Присоединяют к боковому отводу приемник с исследуемым воздухом. Открыв кран 16 и опуская грушу 6, заполняют бюретку исследуемым воздухом до нижней метки бюретки. Кран 16 закрывают. Кран 1 переводят в положение I для выравнивания давления в бюретке с атмосферным воздухом и быстро переводят кран 2 в положение, соединяющее бюретку с поглотительной системой. Выравнивают уровень щелочи в поглотителе 10 с помощью микровинта 17. Записывают отсчет объема воздуха в бюретке (V1). Закрывают кран 4 (положение III) и производят поглощение CO2. Для этого, открыв кран, грушу 6 поднимают и опускают 8—10 раз, переводя воздух в поглотитель со щелочью; жидкости не должны касаться кранов. Устанавливают уровень щелочи в трубках 10 и 11 на метке. Закрывают кран 16. Переводят кран 4 в положение II. Проверяют уровни. Уровень в трубке 11 выравнивают грушей 9, в трубке 10— микровинтом 17. Записывают объем воздуха без CO2 в бюретке (F2).
Содержание CO2 (в об.%) вычисляют по формуле
После перевода крана в положение III повторяют поглощение для проверки полноты поглощения. Кран 4 закрывают. Кран 3 переводят в положение I (кран 5 — в положение IV). Производят поглощение O2, переводя воздух из бюретки в поглотитель с пирогаллолом 20—30 раз, поднимая и опуская грушу 6. С помощью груши 6 и микровинта 17 устанавливают уровень пирогаллола. Переводят краны 3 и 4 в положение II и выравнивают уровни щелочи. Записывают отсчет объема воздуха без CO2 и O2 в бюретке (F3). Повторяют поглощение кислорода для проверки на полноту поглощения.
Содержание кислорода (в об.%) вычисляют по формуле
После окончания анализа термобарометр соединяют с атмосферой (положение I крана 4), проверяют уровни щелочи, переводят кран 2 на соединение бюретки с атмосферой и заполняют бюретку запирающей жидкостью.
Для заполнения поглотителей щелочь или пирогаллол наливают в соответствующую грушу (9 и 14) при положении II кранов 3 и 5. При загрязнении бюретку периодически промывают хромовой смесью, смесью спирта с с эфиром (1 : 1) и водой. Особое внимание следует обращать на смазку кранов. Лучше применять вакуумную смазку (6 частей натурального каучука, нарезанного мелкими кусочками, смешивают с 5-ю частями белого вазелина и 1-й частью парафина). Смесь держат в течение 180—200 час. при температуре 150—160° и постоянном помешивании.
Аналогичное устройство и принципы работы имеют и другие газоанализаторы (АФИ, ГХП-3, ВТИ).
