Органічна речовина ґрунту: Лекція 7. Методи дослідження органічної речовини ґрунту

Головна Календар Всі курси Кафедри Студентам ЦДТН

Дослідження органічної речовини ґрунту є базовим етапом у ґрунтознавстві для оцінки генезису ґрунту, його родючості та екологічного стану. Лабораторно-аналітичні методи дозволяють кількісно оцінити запаси вуглецю, якісний склад специфічних гумусових речовин та їхню молекулярну структуру.

Прямі і опосередковані методи визначення вмісту гумусу

Усі методи визначення загального вмісту органічної речовини поділяються на дві великі групи залежно від того, що саме вимірюється в процесі аналізу.

Прямі (гравіметричні) методи

Базуються на фізичному вилученні органічної речовини з наважки ґрунту з подальшим зважуванням залишку або екстракту.

Переваги: Безпосередня оцінка маси органічних речовин.
Недоліки: Висока похибка. Лужні екстракції не здатні вилучити 100% гуміну, а методи прожарювання (втрата маси при прожарюванні) дають суттєві похибки за рахунок втрати хімічно зв'язаної води з глинистих мінералів і розкладання карбонатів.

Опосередковані (непрямі) методи

Базуються на визначенні загального органічного вуглецю ( $C_{орг}$ ) з подальшим перерахунком на гумус. В основі лежить константа: вуглець становить в середньому 58% від маси гумусових речовин. Тому для переходу від відсотків вуглецю до відсотків гумусу використовують загальноприйнятий коефіцієнт 1,724 (де $100 / 58 = 1.724$ ).

Методи сухого спалювання (апаратні): Аналізатори CHN спалюють зразок у струмені кисню при температурі понад 900°C з інфрачервоною детекцією виділеного $CO_2$ . Це сучасний міжнародний стандарт (наприклад, метод Дюма).
Методи мокрого спалювання (окислення): Вуглець окислюється сильними хімічними реагентами (біхроматами або перманганатами) у кислому середовищі.

Метод визначення вмісту гумусу за І. В. Тюріним

Метод Тюріна є класичним і найбільш поширеним титриметричним методом мокрого спалювання в агрохімічних лабораторіях.

Принцип методу:

Органічна речовина ґрунту окислюється хромовою сумішшю (розчин дихромату калію у концентрованій сірчаній кислоті) при нагріванні до 150°C. Хімізм процесу описується рівнянням:

3C + 2K_2Cr_2O_7 + 8H_2SO_4 \rightarrow 3CO_2 + 2K_2SO_4 + 2Cr_2(SO_4)_3 + 8H_2O

Кількість кисню, витрачена на окислення вуглецю, еквівалентна кількості відновленого дихромату калію. Залишок дихромату (той, що не вступив у реакцію) відтитровують розчином солі Мора ( $Fe(NH_4)_2(SO_4)_2 \cdot 6H_2O$ ) у присутності індикатора — фенілантранілової кислоти, яка змінює колір від вишнево-червоного до зеленого.

Розрахунок вмісту гумусу проводять за формулою:

$ Гумус (%) = \frac{(V_1 - V_2) \cdot N \cdot 0.003 \cdot 1.724}{P} \cdot 100 $

де $V_1$ — об'єм солі Мора на холосте титрування; $V_2$ — об'єм на титрування зразка; $N$ — нормальність солі Мора; $0.003$ — міліеквівалент вуглецю; $1.724$ — коефіцієнт перерахунку; $P$ — маса наважки ґрунту.

Визначення групово-фракційного складу за Кононовою-Бельчиковою

На відміну від складного класичного методу Тюріна-Пономарьової, експрес-метод М. М. Кононової та Н. П. Бельчикової дозволяє швидко оцінити співвідношення гумінових і фульвокислот за допомогою єдиного екстрагенту.

Суть методу:

Використовується суміш 0,1 М пірофосфату натрію ( $Na_4P_2O_7$ ) та 0,1 н розчину $NaOH$ (pH ~ 13). Пірофосфат-іон утворює міцні нерозчинні комплекси з кальцієм, залізом та алюмінієм ( $Ca$ , $Fe$ , $Al$ ), руйнуючи органо-мінеральні зв'язки. Одночасно луг розчиняє вивільнені гумусові речовини. Це дозволяє витягти з ґрунту рухомі і зв'язані форми гумусових кислот без попереднього декальцінування кислотою.

Етапи аналізу:

Екстракція: Обробка ґрунту лужним розчином пірофосфату. У фільтраті визначають суму вуглецю екстрагованих речовин ( $С_{гк} + С_{фк}$ ).
Фракціонування: До аліквоти витяжки додають сірчану кислоту (до pH 1-2) і нагрівають. Гумінові кислоти, нерозчинні в кислому середовищі, випадають у вигляді бурого осаду.
Розділення: Осад відфільтровують. У прозорому кислому фільтраті залишаються фульвокислоти, вуглець яких окислюють за методом Тюріна ( $С_{фк}$ ).
Розрахунок: Вміст вуглецю гумінових кислот знаходять за різницею: $С_{гк} = (С_{гк} + С_{фк}) - С_{фк}$ .

Визначення загального азоту та азоту у фракціях гумусу

Азот є структурним компонентом молекул гумусових речовин. Його визначення необхідне для розрахунку співвідношення $C:N$ , яке характеризує ступінь зрілості гумусу та його збагаченість елементами живлення.

Загальний ґрунтовий азот: Визначають класичним методом К'єльдаля. Наважку ґрунту спалюють у концентрованій $H_2SO_4$ з додаванням каталізаторів (селен, мідь) при 400°C. Органічний азот переходить у сульфат амонію ( $(NH_4)_2SO_4$ ). Потім у лужному середовищі відганяють аміак в апарат К'єльдаля і вловлюють його борною кислотою з подальшим титруванням.
Азот гумусових фракцій: Для дослідження хімічної природи гумусу азот визначають безпосередньо у виділених препаратах гумінових і фульвокислот. Гумінові кислоти чорноземів містять 3–5% азоту (вуглецю ~58-60%), тоді як фульвокислоти бідніші на азот, що відображає їхню різну функціональну роль у ґрунті.

Оптичні властивості гумусових речовин

Спектрофотометрія є потужним фізико-хімічним методом дослідження молекулярної структури гумусу. Молекули гумусових речовин поглинають світло у видимій та ультрафіолетовій (УФ) частинах спектра завдяки наявності системи спряжених подвійних зв'язків в ароматичних ядрах.

Характер спектрів: Криві поглинання гумусових кислот не мають різких максимумів. Оптична щільність ( $D$ ) монотонно зростає від червоної зони спектра (720 нм) до ультрафіолетової (300 нм).
Коефіцієнт екстинкції (E): Оцінюється за величиною відношення оптичних щільностей при двох довжинах хвиль, найчастіше 465 нм і 665 нм ( $E_{4}/E_{6}$ ).
Інтерпретація:
- Низький показник $E_{4}/E_{6}$ (близько 3,0–4,5) свідчить про високий ступінь конденсації ароматичного ядра і високу молекулярну масу (типово для "зрілих" гумінових кислот чорноземів). Вони виглядають чорними.
- Високий показник $E_{4}/E_{6}$ (6,0–8,0 і більше) вказує на малу частку ароматичних структур і переважання розгалужених аліфатичних бокових ланцюгів. Це характерно для фульвокислот і гумінових кислот підзолистих ґрунтів (світле забарвлення).