Определение органического вещества почвы методом И.В. Тюрина в модификации Цинао

          Набор и соподчиненность показателей химического состояния почв обусловлены особенностями почвы как химической системы и как объекта практического использования. Особенностями почвы как химической системы является гетерогенность, полихимизм, дисперсность, неоднородность, изменение и динамика свойств, буферность и др.

           Полихимизм почв. В почвах один и тот же химический элемент может входить в состав разнообразных соединений: легкорастворимых солей, сложных алюмосиликатов, органоминеральных веществ. Эти компоненты обладают разными свойствами, от которых, в частности, зависит способность химического элемента переходить из твердых фаз почвы в жидкую, мигрировать в профиле почвы и в ландшафте, потребляться растениями и т.п. Поэтому в химическом анализе почв определяют не только общее содержание химических элементов, но и показатели, характеризующие состав и содержание индивидуальных химических соединений или групп соединений, обладающих близкими свойствами. Эти показатели позволяют диагностировать почвенные процессы, исследовать трансформацию химического элемента в процессе почвообразования, при внесении удобрений и техногенном загрязнении, оценивать плодородие и мелиоративные особенности почв.

              Гетерогенность почв. В составе почвы выделяют твердую, жидкую, газовую фазы. К.К. Гедройц еще в 1906 г. писал, что для определения состояния почвенной системы необходимо изучать ее твердые фазы и приступить к систематическому изучению жидкой фазы в зависимости, в частности, от парциального давления СО₂ в почвенном воздухе. В настоящее время при исследовании химического состояния почвы и отдельных ее компонентов определяют показатели, характеризующие не только почву в целом, но и ее отдельные фазы. Более того, разработаны математические модели, позволяющие, например, оценить взаимосвязь уровней парциального давления диоксида углерода в почвенном воздухе, рН, карбонатной щелочности и концентрации кальция в почвенном растворе.

             Полидисперсность почв. Твердые фазы почвы состоят из частиц разного размера от крупинок песка до коллоидных частиц диаметром в несколько микрометров. Они неодинаковы по составу и обладают разными свойствами. При специальных исследованиях генезиса почв определяют показатели химического состава и других свойств отдельных гранулометрических фракций. С дисперсностью почв в какой-то мере связана их способность к ионному обмену, которая в свою очередь характеризуется специфическим набором показателей — емкостью катионного и анионного обмена, составом обменных катионов и пр. От уровней этих показателей зависят многие химические и физические свойства почв.

             Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства почв. В состав почв входят компоненты, проявляющие свойства кислот и оснований, окислителей и восстановителей. При решении разнообразных теоретических и прикладных проблем почвоведения, агрохимии, мелиорации определяют показатели, характеризующие кислотность и щелочность почв, их окислительно-восстановительное состояние.

Неоднородность, вариабельность, динамика, буферность химических свойств почв. Свойства почв неодинаковы даже в пределах одного и того же генетического горизонта. При исследовании процессов формирования почвенного профиля оценивают химические свойства отдельных элементов организации почвенной массы.

Свойства  почв варьируют в пространстве, изменяются во времени и в то же время почвы обладают способностью противостоять изменению своих свойств, т. е. проявляют буферность. Разработаны показатели и способы характеристики вариабельности, динамики, буферности свойств почв.

Изменение свойств почв. В почвах непрерывно протекают разнообразные процессы, которые приводят к изменению химических свойств почв. Практическое применение находят показатели, характеризующие направление, степень выраженности, скорости протекающих в почвах процессов; исследуются динамика изменения свойств почв и их режимы. Могут изменяться химические свойства даже изолированных почвенных проб при их высушивании, растирании, просто при хранении.

             Разнокачественностъ состава почв. Разные типы и даже виды и разновидности почв могут иметь столь разные свойства, что для их химической характеристики используют не только разные аналитические приемы, но и разные наборы показателей. Например, в подзолистых, дерново-подзолистых, серых лесных почвах, как правило, определяют рН водных и солевых суспензий, обменную и гидролитическую кислотность, обменные основания вытесняют из почв водными растворами солей. В то же время при анализе засоленных почв определяют рН только водных суспензий, а вместо показателей кислотности — общую, карбонатную и другие виды щелочности. Обменные основания в засоленных почвах невозможно определить простым вытеснением их из почвы водными растворами солей без использования специальных аналитических приемов.

Перечисленные особенности почв во многом обусловливают принципиальные основы методов исследования химического состояния почв, номенклатуру и классификацию показателей химических свойств почв и химических почвенных процессов. [1] 

 
3  Химические и инструментальные методы анализа почв 

      В химическом анализе почв может быть использован практически любой из методов, которыми располагают аналитики. При этом измеряется либо непосредственно искомая величина показателя, либо величина, функционально с ней связанная. Например, концентрация солей в жидких фазах насыщенных водой почвенных паст и степень засоления почв могут быть оценены по величине удельной электрической проводимости фильтратов из паст. Этот прием используют потому, что легче определить удельную электрическую проводимость раствора, чем концентрацию в молях.

      В лабораторной практике анализа почв используют классические химические и инструментальные методы. С помощью классических химических методов можно получить наиболее точные результаты. Относительная погрешность определения составляет 0,1—0,2%. Погрешность большинства инструментальных методов значительно выше — 2-5%. При анализе почв погрешности могут быть выше указанных. Классические химические методы в настоящее время за редким исключением применяют главным образом для оценки правильности результатов определений, получаемых инструментальными методами.

        Среди инструментальных методов в анализе почв наиболее широко используются электрохимические и спектроскопические. Среди электрохимических методов находят применение потенциометрические, кондуктометрические, кулонометрические и вольтамперометрические, включающие все современные разновидности полярографии.

           Среди спектроскопических методов по характеру взаимодействия излучения с веществом выделяют спектроскопию испускания (эмиссионную), поглощения (абсорбционную), рассеяния и отражения. Кроме того, спектроскопию подразделяют на атомную и молекулярную. В анализе почв используют как методы атомной, так и молекулярной спектроскопии.

           При выборе метода измерения учитываются особенности химических свойств анализируемой почвы, природа показателя, необходимая точность определения его уровня, возможности методов измерения и выполнимость требуемых измерений в условиях проведения эксперимента. В свою очередь, точность измерений обусловливается целью исследования и природной вариабельностью изучаемого свойства. Точность - собирательная характеристика метода, оценивающая правильность и воспроизводимость получаемых результатов анализа. Необходимо учитывать, что более точные методы, как правило, и более трудоемки. Несмотря на то, что классические химические методы во многих случаях уступают место более производительным инструментальным, необходимо иметь в виду, что эти методы, особенно гравиметрические, являются наиболее точными. Поэтому, несмотря на свою трудоемкость, они безусловно будут использоваться в качестве стандартных арбитражных методов при разработке новых (в том числе инструментальных) методов анализов почв и создании стандартных с известным (заданным) содержанием химических элементов образцов почвенных масс. Стандартные образцы почвенных масс используют как при контроле правильности получаемых результатов анализа, так и для калибровки приборов. [4]  

4 Углерод в почвах и методы определения углерода органических соединений 

          Углерод в почвах входит в состав как органических, так и неорганических соединений. Углерод, входящий в состав органического вещества, находится в специфических, свойственных только почвам, соединениях — гуминовых кислотах, фульвокислотах, гиматомелановых кислотах, гумине — и в неспецифических соединениях — лигнине, аминокислотах, углеводах, жирных кислотах, спиртах, альдегидах, смолах, восках и пр. Минеральные соединения углерода представлены карбонатами, основная часть которых приходится на относительно труднорастворимые карбонаты кальция и магния. Незначительное количество углерода находится в форме легкорастворимых карбонатов и гидрокарбонатов щелочей. В газовых фазах почв углерод представлен СО₂, СН₄ и др.

          Трудности проведения анализа почв на содержание в них углерода при прочих равных условиях связаны с необходимостью раздельного определения углерода органических и минеральных соединений.

Все методы определения углерода органических соединений основаны на его окислении до диоксида углерода. Предложены как прямые, так и косвенные методы анализа. Прямые методы основаны на определении количества СО₂, образующегося при окислении углерода органических соединений; косвенные методы — на определении количества окислителя, пошедшего на перевод углерода органических соединений в СО₂, или на определении количества восстановленной формы используемого окислителя, образовавшейся в процессе анализа. [6] 

4.1 Методы, основанные на отгонке диоксида углерода 

          С помощью этих методов содержание углерода находят по количеству СО₂, выделившегося при разложении органического вещества почв. В процессе анализа количество диоксида углерода определяют разнообразными прямыми или косвенными методами. Для этой цели используют гравиметрические, титриметрические, газоволюмометрические, кулонометрические и другие методы количественного анализа.

Разложение  органического вещества до Н₂О и СО₂ может быть проведено двумя способами: методом сухого озоления при нагревании почв и методом мокрого озоления растворами сильных окислителей.

          Гравиметрические методы. При определении углерода органических соединений гравиметрическим методом применяют как сухое, так и мокрое озоление гумуса.

Почвоведы исследовали процессы, происходящие при нагревании гуминовых кислот. Было установлено, что вначале происходит разрушение алифатической части молекулы гуминовой кислоты, т.е. ее периферических или боковых цепей. Затем, при более высоких температурах, начинается разрушение ароматического ядра, дегидрирование и, наконец, выделение углерода в виде СО₂. На стадии, предшествующей выделению СО₂, остаток гуминовой кислоты на 80—90% состоит из углерода. Температура, при которой происходят те или иные процессы, варьирует в зависимости от условий эксперимента — скорости нагревания, окислительных условий, возможности удаления продуктов распада и т.п.

          На сухом озолении органического вещества почв при температуре 650—750° основан метод Густавсона. При нагревании почвы органические вещества разлагаются, а входящие в их состав углерод и водород превращаются в диоксид углерода и воду. Озоление почв проводят в тугоплавкой трубке, через которую непрерывно пропускают кислород или воздух, лишенный СО₂. Для более полного разложения гумуса озоление проводят в присутствии оксида меди. Оксид меди отдает кислород и, превращаясь сначала в Сu₂О, а затем в металлическую медь, способствует более полному окислению компонентов органического вещества почв.

          Летучие компоненты почв и продукты окисления гумуса улавливают специальными поглотителями. Для поглощения воды, образующейся при окислении водорода, используют хлорид кальция или концентрированную серную кислоту, для поглощения диоксида серы — хромат свинца. Медную спираль применяют для восстановления азота оксидов до свободного азота, галогены поглощают с помощью серебряной спирали. Наконец, для поглощения СО₂ используют аскарит (асбест, пропитанный NaOH). Аскарит помещают в U-образные поглотительные трубки. Реакция протекает согласно уравнению:

СО₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + Н₂О

          В связи с тем, что одним из продуктов реакции является Н₂О, в поглотительную трубку помещают не только аскарит, но и хлорид кальция, который количественно поглощает воду:

СаС1₂ + nН₂О = СаС1₂ nН₂О

Поглотительные  трубки взвешивают до и после озоления органического вещества и по увеличению массы, обусловленному поглощением СО₂, находят содержание углерода в почве.

          Методы, основанные на сухом озолении и гравиметрическом определении диоксида углерода, — наиболее точные из методов определения углерода органических соединении. При сухом озолении происходит полное окисление углерода независимо от типа органических соединений, а гравиметрический метод — наиболее точный из методов измерения массы СО₂. Однако эти методы трудоемки и, кроме того, не могут быть использованы при анализе карбонатных почв без специальных приемов. При нагревании почв, содержащих карбонаты, возможно разложение последних, поэтому при анализе карбонатных почв масса поглотительных трубок может увеличиться не только в результате поглощения диоксида углерода, образующегося при разложении органического вещества, но и от СО₂, образующегося в результате разложения карбонатов.