Гумус – это совокупность высокомолекулярных темноокрашенных органических веществ, образующихся в результате биохимического превращения растительных и животных остатков.
ВОПРОС 1. Характеристика методов определения общего содержания углерода
ВОПРОС 2. Методы анализа группового и фракционного состава органического вещества почв
ВОПРОС 3. Методы инструментального анализа органического вещества почвы
Способ отбора почвенных образцов для химического анализа на гумус
Способы отбора образцов зависят от цели исследования и характера объекта. Для решения генетических, почвенно-геохимических и ряда агрохимических вопросов необходимы сведения о содержании и составе гумуса не только в верхнем гумусовом горизонте А, но и по всему генетическому профилю.
В данном случае образцы отбирают из каждого гумусового горизонта, а в случае большой мощности последнего берут несколько образцов из одного горизонта.
Отбору образцов должно предшествовать описание почвенного профиля и определение его таксономической принадлежности. Для получения статистически достоверных результатов образцы отбирают с повторностью, достаточной для математической обработки материала.
Обычно отбор почвенных образцов проводят в 3–5 кратной повторности.
При стационарных исследованиях параллельно с изучением гумусового состояния почв проводят исследования продуктивности естественных растительных сообществ или агроценозов.
ЭТО в ЛЕКЦ. 4 В камеральных условиях образцы разбирают, еще раз просушивают, записывают цвет почвы, дополняя тем самым полевое морфологическое описание почвенного профиля. Высушенные образцы почвы рассыпают на бумаге, осторожно раздавливая крупные комки и методом квартования берут среднюю пробу массой около 100 г.
Из этой пробы отбирают корни и слаборазложившиеся органические остатки. Среднюю пробу массой 5–10 г после тщательного отбора растительных остатков растирают, просеивают через сито с диаметром отверстий 0,25 мм и в ней определяют содержание общего углерода и гигроскопической влаги.
Оставшуюся почву растирают в фарфоровой ступке, просеивают через сито с ячейками 1 мм и используют в дальнейшем для определения группового и фракционного состава гумуса.
Надежных методов непосредственного определения гумуса в почвах нет. Как правило, о содержании гумуса в почве судят по количеству углерода, входящего в состав органического вещества. Все методы определения органического углерода основаны на его окислении до углекислоты.
Существуют как прямые, так и косвенные методы анализа.
ВОПРОС 1. Характеристика методов определения общего содержания углерода
Методы, основанные на отгонке CO2
Содержание углерода с использованием этих методов находят по количеству углекислого газа, выделяющегося при разложении органического вещества. В процессе анализа углекислый газ улавливают, а затем его количество определяют гравиметрическими, газоволюметрическими или титрометрическими методами.
а) Прямые методы: Гравиметрические методы основаны на определении массы выделившегося CO2
б) Косвенные методы.
Газоволюметрические измерении объема углекислого газа,
и титриметрические методы –
Разложение органического вещества может быть проведено двумя способами – методом сухого озоления при нагревании почв и методом мокрого озоления растворами сильных окислителей.
ПРЯМЫЕ Гравиметрические методы. Метод Густавсона основан на сухом озолении органического вещества при температуре 650–700 °C.
Органическое вещество при нагревании в присутствии кислорода разлагается, а входящие в состав водород и углерод превращаются в воду и углекислый газ.
Озоление проводят на специальных установках в тугоплавкой трубке, через которую непрерывно пропускают кислород или воздух.
Летучие вещества при озолении улавливаются специальными накопителями. Для поглощения воды используют хлорид кальция, для поглощения двуокиси серы – хромат свинца, галогены поглощаются с помощью серебряной спирали, а для поглощения CO2 используют аскарит (асбест, пропитанный NaOH). Поглотительные трубки взвешивают до и после озоления почвы и по увеличению массы находят содержание углерода в почве.
Метод Кноппа-Сабанина основан на мокром озолении органического вещества серно-кислым раствором бихромата калия при нагревании. В результате взаимодействия почвы с бихроматом калия углерод органического вещества также превращается в CO2, а Cr2O7 2- – в Cr 3+.
Образующуюся при окислении гумуса углекислоту поглощают трубками, заполненными аскаритом, хлоридом кальция, серебряной спиралью и т. д.
При расчете гравиметрических методов содержание углерода рассчитывают по формуле
ФОРМУЛА
Для вычисления содержания гумуса величину процентного содержания углерода умножают на коэффициент 1,724.
Данный коэффициент был выведен в 1864 г. на основании имеющихся тогда сведений о том, что в гумусе содержится 58 % углерода (100/58=1,724).
В настоящее время известно, что содержание углерода в гумусе колеблется в широких пределах. Следовательно, чем больше углерода, тем выше ошибка расчета. Кстати, и большая точность расчета гумуса до третьего знака после запятой тоже неоправданна.
Гравиметрические методы наиболее точны. При сухом озолении происходит полное разложение органического вещества, независимо от их типа. Но эти методы сложны и трудоемки, кроме того, их нельзя использовать для анализа карбонатных почв. Минеральный углерод, входящий в состав карбонатов, будет искажать данные.
КОСВЕННЫЕ б) Газоволюметрические методы основаны на измерении объема углекислого газа, выделившегося при озолении гумуса и определении количества углерода по объему CO2.
Вычисления проводят с учетом температуры и давления, при котором происходит озоление. Для анализа карбонатных почв неприемлемы.
в) Титрометрические методы также используются для определения CO2, выделившегося при озолении гумуса. В этом случае CO2 поглощается KOH с образованием K2CO3.
Ион CO3 2- осаждается BaCl2 с образованием BaCO3, который отделяют, а затем растворяют в HCl. Избыток HCl титруют щелочью. По количеству HCl, пошедшей на растворение BaCO3, судят о содержании углекислого газа в органическом веществе.
Наиболее широко известен косвенный метод определения гумуса Метод Тюрина разработанный им в 30-е годы
При мокром озолении органического вещества почв раствором бихромата калия K2Cr2O7 углерод можно определить не только по количеству образовавшейся угольной кислоты, но и косвенно – титрометрическими и фотометри- ческими методами. В титрометрическом методе о содержании углерода судят по количеству непрореагировавшего с почвой Cr2O7 2-, в фотометрическом – по количеству образовавшегося в процессе реакции Cr 3+.
Анализ сводится к следующему: к навеске почвы приливают строго определенное количество бихромата калия, смесь кипятят, в результате происходит окисление органического вещества. Если рассматривать только окисление углерода, то реакцию можно выразить следующим
уравнением:
3C+2K2Cr2O7+8H2SO4 → 3CO2 + 2K2SO4 + 2Cr2 (SO4)3 + 8H2O
Затем непрореагировавший остаток Cr2O72- титруют солью Мора (раствор сульфата железа). Реакция проходит по уравнению
K2Cr2O7 + 6FeSO4 +7H2SO4 →Cr2 (SO4)2 +3Fe2 (SO4)3 +
+K2SO4 +7H2O
Сравнение результатов определения органического углерода различными методами показало, что при выполнении анализа по методу Тюрина органическое вещество окисляется не полностью. Результаты, полученные по методу Тюрина, составляют 85–95 % от результатов, полученных методом сухого озоления по Густавсону.
Метод Тюрина прост, не требует специальной аппаратуры и сложных реактивов, однако он применим не на всех почвах.
Его недостатком является неполное окисление органического веще
ства (до 90 %). Для более полного окисления И. В. Тюрин рекомендовал добавление 0,1–0,2 г Ag2SO4 в качестве катализатора. При этом окисление органического углерода идет более полно и достигает 95–97 %, но в практике массовых анализов катализатор Ag2SO4 обычно не применяют.
ВОПРОС 2 Методы анализа группового и фракционного состава органического вещества почв
Для характеристики состава гумуса, выявления его генетических различий и форм связи с минеральной частью почвы определяют групповой и фракционный состав гумуса.
Сущность определения группового соста ва гумуса состоит в разделении его на гуминовые кислоты, фульвокислоты и негидролизуемый остаток – гумины.
Гуминовые кислоты – нерастворимая в минеральных и органических кислотах группа гумусовых веществ, характеризуется сложным строением, имеет высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода. Преобладает в черноземах, лугово‑черноземных, черноземно-луговых, луговых почвах, серых лесных, каштановых, дерновых и некоторых других.
Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых веществ, менее сложная по строению, с более низкими молекулярными массами, чем гуминовые кислоты.
Гумины – часть гумуса, не экстрагируемая из почвы кислотами и щелочами. Эти гумусовые вещества наиболее прочно связаны с минеральной частью почвы (глинистыми минералами).
Гумусовые вещества могут находиться в почве как в свободном состоянии, так и в форме различных соединений с катионами металлов (простые и комплексные соли), с минералами тонкодисперсной части почвы, а также в форме адсорбционных комплексов.
Распределение групп гумусовых веществ по форме связи с минеральной частью почв называется фракционным составом гумуса.
Фракции гумусовых веществ выделяются в результате последовательной обработки навески почвы разбавленными растворами кис-
лот и щелочей в различных условиях.
Различные фракции гумуса оказывают разное влияние на почвообразовательный процесс. Поэтому их изучение имеет как теоретическое, так и практическое значение.
Наиболее детальная классификация форм связи гумусовых веществ с минеральной частью почвы разработана Тюриным.
В настоящее время фракционный состав гумуса характеризуется полным набором фракций [27].
Гуминовые кислоты (ГК)
а) Фракция 1 – растворимая в непосредственной вытяжке 0,1N раствора NaOH. Это гуминовые кислоты свободные и связанные с подвижными полуторными оксидами.
б) Фракция 2 – растворимая в 0,1N растворе NaOH только после декальцирования. Это ГК, преимущественно связанные с кальцием.
3) Фракция 3 – растворимая в 0,02N растворе NaOH при нагревании. Это ГК, связанные с устойчивыми полуторными оксидами и глинистыми минералами.
Фульвокислоты (ФК)
а) Фракция 1 а – растворимая в 0,1N растворе H2SO4. Это ФК, свободные и связанные с подвижными оксидами.
б) Фракция 1 – растворимая непосредственно в 0,1N растворе NaOH. Это ФК, связанные в почве с фракцией 1 ГК.
в) Фракция 2 – растворимая в 0,1N растворе NaOH после декальцирования. Она связана с фракцией 2 ГК.
г) Фракция 3 – растворимая в 0,02N растворе NaOH при нагревании. Эти ФК связаны с фракцией 3 ГК.
Для определения группового и фракционного состава гумуса, предложено несколько методов – метод Тюрина, Пономаревой и Плотниковой, Кононовой и Бельчиковой.
Основу всех этих методов составляет последовательное растворение фракций гумусовых веществ различными растворителями. Наиболее часто используемыми методами являются два последних. Остановимся более подробно на последнем.
Краткий ход анализа метода Кононовой и Бельчиковой состоит в следующем: навеску почвы 10 г помещают в колбу емкостью 250–300 мл и заливают 200 мл свежеприготовленного 0,1 М раствора пирофосфата натрия.
Колбу закрывают и оставляют на 16–18 ч. Затем в нее добавляют ¼ объема жидкости насыщенного раствора Na2SO4 (точно 50 мл) для коагуляции илистых частиц и ускорения фильтрации, затем определяют общее содержание органического углерода.
Для определения содержания углерода гуминовых кислот в определенный объем пирофосфатной вытяжки добавляют 1,0 N H2SO4, доводя рН до 1,3–1,5. Содержимое колб нагревают до 70–80 °C и хлопьевидный осадок гуминовых кислот отфильтровывают через небольшой фильтр (белая лента), затем его растворяют горячим раствором 0,1 N NaOH.