Химия почв: практикум

ХИМИЯ ПОЧВ

ПРАКТИКУМ 

В.Г. МАМОНТОВ

2-е издание, исправленное и дополненное

Рекомендовано Научно-методическим советом  

по сельскому хозяйству для использования в учебном процессе  

для формирования профессио нальных компетенций при подготовке  
бакалавров по направлению 35.03.03 «Агрохимия и агропочвоведение»

Москва 
ИНФРА-М 

2023 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 542.06(075.8)
ББК 40.3я73
 
М22

А в т о р:
В.Г. Мамонтов, доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения Российского государственного аграрного университета — Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева
Р е ц е н з е н т ы:
Г.Ф. Копосов, доктор биологических наук, профессор, профессор Казанского (Приволжского) федерального университета;
П.М. Сапожников, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, профессор Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

ISBN 978-5-16-019227-7 (print)
ISBN 978-5-16-108437-3 (online)

©   Мамонтов В.Г., 
Гладков А.А., 2015
©   Мамонтов В.Г., 2023, 
с изменениями

Мамонтов В.Г.
М22  
Химия почв: практикум : учебное пособие / В.Г. Мамонтов. — 
2-е изд., испр. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 272 с. — (Высшее 
образование). — DOI 10.12737/1079438.

ISBN 978-5-16-019227-7 (print)
ISBN 978-5-16-108437-3 (online)
В учебном пособии изложены методы анализа элементного состава минеральной части почв, способы выражения результатов валового анализа 
и пересчета аналитических данных. Приведены методы изучения ионносолевого комплекса почв и доступных форм элемен тов питания растений, 
а также методы, используемые для определения общего гумуса и азота, 
группового и фракционного состава гумуса, и методы изучения некоторых 
свойств гумусовых кислот. Рассмотрено использование данных валового 
анализа, результатов изучения ионно-солевого комплекса и органического 
вещества почв в практических целях.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Адресовано студентам высших учебных заведений, обучающимся 
на факультетах почвоведения, агрохимии и экологии по направлению подготовки «Агрохимия и агропочвоведение», а также аспирантам и научным 
работникам, специализирующимся в области почвоведения, агрохимии, 
экологии и агрономии.

УДК 542.06(075.8)
ББК 40.3я73

Введение

Одной из важнейших характеристик почвы является ее хими
ческий состав, включающий большой набор химических элемен тов 
и их соединений. По химическому составу почва отчетливо выделяется среди других природных тел. Формируясь при непосредственном взаимодействии атмосферы, гидросферы, литосферы 
и живых организмов, почва в той или иной степени наследует 
их химический состав, приобретая вместе с тем и свои индивидуальные особенности, что является следствием определенной совокупности элементарных почвенных процессов, протекающих в специфических условиях биогеохимического круговорота веществ.

Твердая фаза почвы состоит из минеральных и органических 

соединений. Органическая часть почвы представлена органическими остатками животного и растительного происхождения, гумусовыми веществами и их органо-минеральными производными. 
Минеральную часть почвы формируют различные по химическому 
составу и свойствам компоненты: силикаты, алюмо- и феррисиликаты, оксиды и гидроксиды, легко- и труднорастворимые соли. 
В связи с этим для твердой фазы почвы характерно большое разнообразие химических элемен тов, содержание которых варьирует 
в чрезвычайно широком диапазоне (табл. В1).

По абсолютному содержанию все химические элемен ты почвы 

могут быть разделены на несколько групп. Первая группа включает 
элемен ты, содержание которых варьирует от десятых долей процента 
до десятков процентов. В нее входят кремний, кислород, алюминий, 
железо, углерод, кальций, магний, натрий, калий. Это типичные 
макроэлемен ты. В следующую группу входят титан, водород, азот, 
фосфор, сера. Их количество колеблется от десятых до сотых долей 
процента. Данная группа считается переходной от макроэлемен тов 
к микроэлементам. Микро- и ультрамикроэлемен ты содержатся 
в почве в количествах n · 10–3–n · 10–10%. К ним относятся марганец, 
кобальт, медь, цинк, никель, молибден и другие элемен ты.

Таким образом, почва представляет собой сложную полихи
мическую систему, в которой содержание отдельных химических 
элемен тов может различаться в тысячи раз и более, а сами элемен ты 
могут находиться в составе различных по природе и растворимости 
соединений, как перешедших в почву из почвообразующей породы, 
так и являющихся продуктами почвообразования.

Таблица В1

Средний элементный состав метрового слоя некоторых почв, % на абсолютно сухую навеску (Орлов Д.С. и др., 2005)

Почвы
O
H
C гумуса
N
P
S
Si
Al
Fe
Ti
Mn
Ca
Mg
K
Na

Торфяные
36,86
5,33
53,33
1,9
0,2
0,24
1,0
0,12
0,5
—
0,05
1,2
0,13
0,3
0,07

Подзолистые 

суглинистые

49,6
0,06
0,66
0,08
0,054 0,031
34,86
6,33
3,02
0,28
0,2
0,78
0,72
2,04
1,28

Подзолистые 

песчаные

52,2
0,04
0,64
0,06
0,022 0,026
43,77
1,72
0,55
—
0,06
0,28
0,09
0,33
0,16

Бурые лесные
47,93
0,11
1,59
0,15
0,062
0,15
28,89
8,23
5,77
0,38
0,17
1,98
1,08
1,41
1,09

Серые лесные
49,27
0,09
1,25
0,115 0,044 0,076
33,45
6,67
3,8
0,45
0,06
1,24
1,02
1,6
0,76

Черноземы
48,74
0,16
2,2
0,2
0,071 0,156
31,71
6,86
3,59
0,46
0,08
2,36
0,95
1,36
0,65

Каштановые
48,85
0,08
1,15
0,115 0,067 0,194
29,9
6,53
3,64
0,51
0,18
3,7
1,09
1,58
1,06

Красноземы
48,37
0,13
1,81
0,11
0,079
—
21,5
14,15
11,5
—
0,18
0,34
0,93
0,23
0,08

Для познания состава, свойств почв, определения способов 

их рацио нального использования и улучшения необходимо проведение комплекса химических исследований. В практикуме содержатся методики выполнения химических анализов, способы 
интерпретации полученных результатов. Практикум предназначен 
для подготовки бакалавров и магистрантов по направлению подготовки «Агрохимия и агропочвоведение». Освоение изложенного 
материала формирует необходимые почвоведам общепрофессиональные и профессио нальные компетенции, предусматривающие 
способность к проведению экспериментальных исследований в области почвоведения. При этом обучающийся будет:

знать

 
• методологию лабораторных химических исследований в области 

почвоведения;

 
• перечень методов, используемых для анализа химических, фи
зико-химических и химических свойств почв;

 
• критерии оценки уровня плодородия основных типов почв;

уметь

 
• определять перечень необходимых анализов при изучении почв 

разных типов;

 
• применять критерии оценки уровня плодородия основных типов 

почв в практических целях;
владеть

 
• классическими химическими и современными методами анализа 

при изучении химических и физико-химических свойств почв;

 
• методами оценки уровня плодородия основных типов почв.

Глава 1.  

ВАЛОВОЙ АНАЛИЗ

Наиболее полное представление о химическом составе почвы 

дает валовой анализ.

Валовой анализ — комплекс определений, позволяющий уста
новить элементный состав почвы, т.е. получить представление 
об общем или валовом содержании в почве химических элемен тов 
независимо от того, в виде каких соединений они присутствуют 
в почвах.

Валовой анализ включает определение содержания гигроско
пической воды, потерь при прокаливании, содержания органического углерода и азота, а также наличия элемен тов, входящих 
в состав минеральной части почвы: Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, P, S, 
Ti, Mn. Сумма оксидов этих элемен тов обычно составляет более 
99% минеральной части почв. Кроме того, в карбонатных и содержащих гипс почвах определяют количество гипса и СО2-карбонатов.

В зависимости от целей и задач исследования валовой анализ 

может быть полным, т.е. состоять из определения всех указанных 
выше элемен тов, или сокращенным, когда определяются только 
те элемен ты, которые в процессе почвообразования в наибольшей 
степени выносятся или накапливаются в почвенном профиле. 
В ряде случаев ограничиваются определением валового содержания 
Si, Al, Fe, Ca, Mg. При оценке техногенного загрязнения почв набор 
определяемых элемен тов иной и зависит от состава загрязняющих 
веществ.

Принципиально возможен валовой анализ почвы в твердом 

состоянии с помощью эмиссионного спектрального, рентгенфлуоресцентного и других методов анализа. Однако в лабораториях 
не всегда имеется соответствующая аппаратура и не всегда точность получаемых результатов является удовлетворительной. Значительно чаще при валовом анализе используют методы, позволяющие анализировать раство ры. К ним относятся классические 
химические, атомно-абсорбционный, спектрофотометрический 
и другие методы.

Минеральная часть твердой фазы почвы преимущественно 

состоит из компонентов, не растворимых ни в кислотах, ни в щелочах, по это му первым этапом валового анализа является разложение почвы.

1.1. СПОСОБЫ РАЗЛОЖЕНИЯ ПОЧВ

Под разложением понимают процесс, в результате которого ми
нералы, входящие в состав почвы, переходят в форму соединений, 
способных растворяться в воде или кислотах.

Способность минералов к разложению определяется их со
ставом и, кроме того, зависит от свойств металлов, входящих в их 
кристаллические решетки. Минерал разлагается тем легче, чем 
меньше доля в его составе приходится на SiO2 или чем меньше отношение SiO2 к сумме оксидов металлов и чем более основный характер имеют входящие в его состав металлы. Например, силикат 
натрия растворяется в воде, силикат кальция легко разлагается 
кис лотами, а на силикат алюминия (Al2SiO5) кислоты почти не действуют.

В валовом анализе почв используют методы кислотного разло
жения, сплавление и спекание.

1.1.1. Разложение почв кислотами

Для разложения почв используют различные минеральные кис
лоты: HCl, HNO3, H2SO4, HClO4, HF. Кислоты в зависимости от их 
природы и концентрации могут проявлять окислительные свойства. 
Это характерно для концентрированной серной и азотной кислот, 
горячей концентрированной хлорной кислоты.

Хорошим растворителем является горячая концентрированная 

хлорная кислота, но в присутствии органических веществ окислительный процесс может происходить со взрывом.

При определении элементного состава почв, в частности 

микроэлемен тов, применяют разложение почв смесью кислот HCl, 
HNO3 и H2SO4. Для более полного и быстрого разложения почвы 
используют автоклавы. Однако эти приемы не позволяют добиться 
полного разложения почвы.

В тех случаях, когда необходимо нацело разложить почву 

и не нужно определять кремний, разложение почвы проводят 
смесью фтористоводородной (плавиковой) кислоты с серной 
или азотной кислотами. Разложение силикатов плавиковой кислотой происходит следующим образом:

 
K2Al2SiO6 + 32HF = 6SiF4↑ + 2KF + 2AlF3 + 16H2O

Образующийся в процессе реакции летучий четырехфтористый 

кремний (SiF4) при выпаривании выделяется из раство ра в газообразном виде. В присутствии серной кислоты образующиеся фториды металлов разлагаются и переходят в сульфаты:

2KF + H2SO4  K2SO4 + 2HF

 
2AlF3 + 2H2SO4  Al2 (SO4)3 + 6HF

Однако некоторые силикаты (топаз, андалузит, силлиманит 
и разновидности турмалина) не полностью разлагаются плавиковой кислотой. Кроме того, при разложении почвы плавиковой 
кислотой органическое вещество не окисляется и в последующем 
мешает количественному определению элемен тов. Поэтому при использовании для разложения почв хлорной или плавиковой кислот 
почву обычно предварительно прокаливают.

1.1.2. Разложение почв сплавлением
При сплавлении происходит взаимодействие почвы с введенными в нее специальными добавками (плавнями) при высокой 
температуре в расплавленном состоянии. При сплавлении почвы 
одновременно протекают окислительно-восстановительные и кислотно-основные реакции, происходит обогащение почвы щелочными металлами. Все эти процессы приводят к глубоким изменениям в структуре минералов. В результате сплавления вместо природных оксидов, силикатов и алюмосиликатов образуется смесь 
более простых соединений, состоящая из силикатов щелочных металлов, карбонатов, алюминатов и манганатов, растворимых в воде 
и кислотах. Продукт сплавления называется плавом.
Для сплавления могут быть использованы щелочные, кислотные, окислительные и восстановительные плавни. Выбор 
плавня зависит от состава почвы, набора определяемых элемен тов 
и используемых методов анализа. Щелочные плавни (Na2CO3, 
K2CO3, NaOH, бораты щелочных металлов и их смеси) применяют 
при анализе почв, обогащенных кислотными или амфотерными оксидами (SiO2, Al2O3).
Кислотные плавни используют для разложения почв, в составе 
которых преобладают основные или амфотерные оксиды — оксиды 
Al, Fe, Ti, Cr, а также для разложения некоторых трудносплавляемых минералов (титаниты, циркон). Кислотными плавнями 
служат гидросульфат или пиросульфат калия и оксид бора (В2О3). 
Их разлагающее действие обусловлено тем, что при высокой температуре плавень разлагается с выделением триоксида серы, который 
реагирует с оксидами металлов и переводит их в сульфаты:

 
K2S2O7  K2SO4 + SO3

 
3SO3 + Fe2O3  Fe2(SO4)3

В качестве окислительных плавней могут служить пероксид 

натрия (Na2O2) или смесь пероксида натрия со щелочными плавнями.

В большинстве почв преобладают кислотные оксиды, по это му 

при валовом анализе обычно используют щелочные плавни — смесь 
безводных карбонатов натрия и калия в соотношении 1:1. Na2CO3 
плавится при температуре около 850°C, K2СО3 — около 900°C, 
а смесь карбонатов натрия и калия — при температуре 712°C, т.е. 
при более низкой температуре, чем каждый из компонентов по отдельности. Сплавление чаще всего ведут в платиновых тиглях. Платина плавится при очень высокой температуре (1773°C) и инертна 
по отношению к большинству химических реактивов.

Отдельные минералы, входящие в состав твердой фазы почвы, 

также плавятся при очень высокой температуре: кварц — 1700°C, 
мусковит — 1280°C, ортоклаз — 1215°C. Однако смесь минералов, 
из которой состоит твердая фаза почвы, плавится при более низкой 
температуре по сравнению с индивидуальными минералами, а температура плавления смеси почвы и плавня еще ниже и составляет 
около 1000°C. Способность плавня снижать температуру плавления 
силикатов используют для разложения почвы.

Разложение алюмосиликатов на примере минерала ортоклаза 

и соды в качестве плавня выглядит следующим образом:

 
KAlSi3O8 + 3Na2CO3 = KAlO2 + 3Na2SiO3 + 3CO2

Полученный сплав разлагают последовательной обработкой 

водой и кислотой:

2KAlO2 + 6Na2SiO3 + 20HCl =  

= 2AlCl3 + 2KCl + 6H2SiO3 + 12NaCl + 4H2O

1.1.3. Разложение почвы спеканием

Спекание позволяет проводить разложение почвы при темпе
ратуре ниже точки плавления. Процессы, происходящие при спекании, относятся к твердофазным процессам, т.е. к таким, в которых 
как исходные, так и конечные продукты твердые. Эти процессы 
в большинстве случаев очень сложные и недостаточно изучены. 
В процессе спекания происходят разрыхление кристаллической решетки минералов и диффузия щелочных металлов вглубь решетки 
кристалла. При этом диффузия ионов натрия идет быстрее, чем 
диффузия ионов калия, в результате чего образуются растворимые 
в воде и кислотах продукты.

При спекании особое внимание обращают на тщательное ра
стирание почвенного образца и равномерное перемешивание его 
с плавнем, для того чтобы обеспечить их тесный контакт.

При разложении почвы спеканием в качестве плавня применяют 

карбонат натрия (Na2CO3). Спекание проводят при температуре 
850–900°C в фарфоровых тиглях в присутствии нитрата калия, служащего окислителем.

Для определения валового содержания натрия и калия проводят 

спекание почвы с плавнем, состоящим из карбоната кальция и хлорида аммония, при температуре 750–800°C. В этом случае для калинатриевого полевого шпата имеет место следующая реакция:

2KNaAlSi3O8 + 6CaCO3 + 2NH4Cl = 6CaSiO3 + Al2O3 + 6CO2↑ +  

+ 2NH3↑ + H2O + KCl + NaCl

При выщелачивании спека водой в раствор переходят хлориды 

щелочных металлов, большое количество хлорида кальция и гидроксида кальция. Остальные компоненты спека в воде не растворяются. Кальций осаждают в виде оксалата или карбоната кальция, 
а натрий и калий остаются в растворе.

Для проведения валового анализа берут три навески почвы. 

Одна навеска служит для определения содержания гигроскопической влаги, вторая — для определения потери при прокаливании, 
третью используют для спекания почвы. Ниже приводится сокращенный экспресс-метод валового анализа по Ю.И. Добрицкой 
(1973) с дополнениями по Е.В. Аринушкиной (1970) и Л.А. Воробьевой (2006).

1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИГРОСКОПИЧЕСКОЙ ВЛАЖНОСТИ

Величина гигроскопической влаги находится в тесной зависи
мости от относительной влажности воздуха, с которым соприкасается почва. Чем выше насыщенность воздуха водяными парами, тем 
выше и гигроскопическая влажность почвы. Поэтому одни и те же 
образцы почвы, высушенные в разных условиях, будут иметь различную гигроскопическую влажность и, следовательно, при взятии 
одинаковой навески содержат разное количество почвы. Во избежание этого аналитические расчеты производят на абсолютно 
сухую массу почвы.

Ход анализа. Стеклянный стаканчик с притертой крышкой 

(бюкс) просушивают до постоянной массы в сушильном шкафу 
при температуре 100–105°C, охлаждают в эксикаторе с СаCl2 
на дне и взвешивают на аналитических весах. В этом стаканчике