Методы валового анализа органической части почв

Валовый анализ – это различные методы определения общего содержания элементов в почвах или грунтах.

При проведении валового анализа в составе органической части почв, как правило, определяют содержание гумуса и азота.

4.3.1. Углерод в почвах и методы его определения

Гумус (от лат. humus – земля, почва) или перегной – это органическая, обычно темноокрашенная, часть почвы, образующаяся в результате биохимического превращения растений и животных остатков. В состав гумуса входят гуминовые кислоты и фульвокислоты (креновые)[23]. Гумус – наиболее специфическая и важная часть почвы. Появление и накопление гумуса характеризует образование почвы из материнской породы.

Надежных методов непосредственного определения количества гумуса в почвах практически нет. Как правило, о содержании гумуса судят по количеству углерода, входящего в состав органического вещества почв (ГОСТ 26213-91 «Почвы. Методы определения органического вещества»).

Углерод в почвах входит в состав как органических, так и минеральных соединений. Углерод, входящий в состав гумуса, находится в форме специфических соединений – гуминовых кислот, фульвокислот, гумина – и в форме неспецифических соединений – углеводородов, спиртов, альдегидов, органических кислот, аминокислот, углеводов и т.д.

Минеральные соединения углерода – карбонаты, основная часть которых приходится на относительно труднорастворимые карбонаты кальция и магния. Незначительное количество углерода находится в форме легкорастворимых карбонатов и бикарбонатов щелочей и бикарбонатов щелочно-земельных металлов.

Все методы определения органического углерода основаны на окислении его углекислоты и схематично представлены на рис. 1.

Рис. 10. Основные методы определения углерода в почве

4.3.1.1. Методы, основанные на отгонке СО₂

В этих методах содержание углерода находят по количеству углекислого газа, выделяющегося при разложении органического вещества почв. В процессе анализа углекислый газ поглощается, и его количество определяют гравиметрическими, газоволюметрическими или титриметрическими методами.

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

1. Гравиметрические методы

Сухое озоление (метод Густавсона) основано на сухом озолении органического вещества почв при температуре 650-750⁰С. Органические вещества при нагревании в присутствии кислорода разлагаются, а входящие в их состав углерод и водород превращаются в СО₂ и Н₂О.

При нагревании гуминовых кислот Орловым в 1974 г. было установлено, что вначале происходит разрушение алифатической части молекулы гуминовой кислоты, то есть ее периферических или боковых цепей. При более высокой температуре начинается разрушение ароматического ядра, дегидрирование и выделение водорода. На стадии, предшествующей выделению углерода, остаток гуминовой кислоты содержит 80-90 % углерода. Температуру указанного процесса варьируют в зависимости от условий эксперимента – скорости нагревания и т.п.

Озоление почвы проводят в тугоплавкой трубке, через которую непрерывно пропускают кислород или воздух. Для более полного разложения гумуса озоление проводят в присутствии CuO, который отдает атомарный кислород, превращаясь сначала в Cu₂O, а потом в металлическую медь, и способствует более полному окислению компонентов органического вещества почв.

Летучие компоненты почв и продукты окисления гумуса улавливают специальными поглотителями. Для поглощения воды используют хлорид кальция или концентрированную серную кислоту, для поглощения серы – хромат свинца. Галогены поглощают с помощью серебряной спирали, медную спираль применяют для восстановления оксидов азота до свободного N₂. Для поглощения углекислого газа используют аскарит – асбест, пропитанный расплавленным NaOH. Реакция протекает по уравнению

СО₂ + 2NaOH ® Na₂CO₃ + H₂O

В поглотительную трубку с аскаритом помещают хлорид кальция для поглощения воды:

CaCl₂ + H₂O ® CaCl₂×nH₂O

Поглотительные трубки взвешивают до и после озоления почвы и по увеличению массы, обусловленной поглощением углекислого газа, рассчитывают содержание углерода в навеске почвы.

Методы сухого озоления наиболее точны, но трудоемки. Кроме того, при нагревании возможно разложение карбонатов, если они присутствуют в почве, с образованием СО₂.

Мокрое озоление (метод Кноппа-Сабанина) основано на мокром озолении органического вещества почв сернокислым раствором K₂Cr₂O₇ при нагревании.

В результате взаимодействия почвы с раствором бихромата калия углерод органического вещества также превращается в СО₂, а Cr₂O₇^2- в Cr³⁺.

Навеску почвы помещают в колбу (рис. 11), приливают сернокислый раствор бихромата калия и нагревают на плитке или газовой горелке. Образующуюся при окислении гумуса углекислоту, так же как и в методе Густавсона, поглощают трубками, заполненными аскаритом и хлоридом кальция. Сопутствующие летучие компоненты, которые выделяются при взаимодействии почвы с раствором бихромата калия, поглощают дополнительными поглотителями. Железная спираль служит для поглощения кислых паров HCl, хлориды поглощают раствором Ag₂SO₄, соединения азота и воду поглощают концентрированной H₂SO₄. Для того чтобы CO₂ был полностью вытеснен из всех частей прибора и поглощен аскаритом, через прибор 40–60 минут протягивают воздух, лишенный CO₂.

Рис. 11. Прибор для определения углерода по Кноппу–Сабанину:

1 – колба для сжигания; 2 – делительная воронка;

3 – поглотитель с 50 %-ным KOH; 4 – трубка с железной спиралью;

5 – калиаппарат с раствором Ag₂SO₄; 6 - калиаппарат с концентрированной H₂SO₄; 7 – поглотительные трубки; 8 – предохранительная колонка с хлористым кальцием

При мокром озолении происходит взаимодействие почв с кислым раствором K₂Cr₂O₇, способным реагировать с карбонатами. Поэтому, проводя анализ карбонатных почв, карбонаты предварительно разрушают разбавленной 1:1 серной кислотой, удаляют CO₂ карбонатов и после этого проводят окисление гумуса почв.

При использовании гравиметрических методов содержание углерода рассчитывают по формулам

(24)

(25)

Для вычисления содержания гумуса в почве величину процентного содержания углерода умножают на коэффициент, равный 1,724. Этот коэффициент был рассчитан в 1864 г. на основании имеющихся в то время сведений о содержании в гуминовой кислоте 58 % углерода (100/58 = =1,724). Такое же содержание углерода было принято и для гумуса почвы в целом. В настоящее время известно, что содержание углерода в гумусе колеблется в довольно широких пределах. Чем больше отличается содержание углерода в гумусе от 58 %, тем выше ошибка в вычислении содержания гумуса. Несмотря на условность коэффициента, почвоведы проводят пересчет содержания углерода на содержание гумуса в почвах.

2. Газовалюметрические методы

Основаны на измерении объема углекислого газа, выделившегося при озолении гумуса почв, и вычислении количества углерода по объему CO₂. Вычисления проводят с учетом температуры и давления, при которых проводился анализ.

Озоление анализируемого вещества проводят в термостойкой трубке в муфельной печи в токе кислорода. В процессе анализа измеряют объем смеси углекислого газа и кислорода, затем смесь газов пропускают через раствор с поглотителем CO₂ (CO₂ + 2KOH → K₂CO₃ + H₂O) и измеряют объем кислорода. Объем углекислого газа, образовавшегося в результате озоления органического вещества почв, вычисляют по разности. Этот вариант метода для анализа почв применила Е. В. Аринушкина (1970 г.). Для анализа карбонатных почв метод не применим.

3. Титриметрические методы

Используются для определения углекислого газа, выделяющегося при озолении гумуса. В этом случае углекислый газ поглощают раствором KOH с образованием K₂CO₃, ион CO₃^{2 –} осаждают хлоридом бария в форме BaCO₃. Осадок BaCO₃ отделяют, промывают, растворяют в титрованном растворе HCl, избыток торой определяют титрованием щелочью. По количеству HCl, пошедшей на растворение BaCO₃, судят о количестве углекислого газа, образовавшегося при окислении гумуса.

4.3.1.2. Косвенные методы определения органического углерода

При мокром озолении органического вещества почв раствором бихромата калия углерод можно определить не только по количеству образовавшейся углекислоты, но и косвенным титриметрическим или фотометрическим методами. В титриметрическом методе о содержании углерода судят по количеству непрореагировавшего с почвой Cr₂O₇^{2 –}, в фотометрическом методе – по количеству образовавшегося в процессе реакции Cr ^{3 +}.

1. Титриметрический метод

Вариант титриметрического метода был предложен И.В. Тюриным. К навеске почвы приливают строго определенный объем раствора бихромата калия, смесь кипятят, в результате происходит окисление органического вещества и восстановление Cr₂O₇^{2 –} до Cr ^{3 +}; затем непрореагировавший избыток Cr₂O₇^{2 –} определяют титрованием раствором сульфата железа (II):

3C + 2K₂Cr₂O₇ + 8H₂SO₄ → 3 CO₂ + 2Cr₂(SO₄)₃ + 8H₂O + 2K₂SO₄

K₂Cr₂O₇ + 6FeSO₄ + 7H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + 3Fe₂(SO₄)₃ + 7 H₂O + K₂SO₄

Титрование избытка бихромата раствором FeSO₄ можно проводить, фиксируя точку эквивалентности потенциометрическим методом, измеряя окислительно-восстановительный потенциал раствора.

Однако чаще точку эквивалентности определяют титрованием с фенилантраниловой кислотой в качестве индикатора. Фенилантраниловая кислота меняет свою окраску при потенциале + 1,08 В. Изменение окраски происходит в пределах скачка (1,39–0,94 В) на кривой окислительно-восстановительного титрования.

Окисленная форма индикатора имеет вишнево-красную окраску, восстановленная форма – бесцветна. Однако в процессе титрования раствор не обесцвечивается, а становится зеленым, что обусловлено появлением в растворе ионов Cr³⁺.

Исходя из результатов титрования, проводят расчет содержания органического углерода в почвах:

(26)

где V₁ – объем раствора K₂Cr₂O₇, взятый для анализа, см³;

н.₁ – нормальность раствора K₂Cr₂O₇;

V₂ – объем раствора FeSO₄, пошедший на титрование непрореагировавшего с почвой избытка K₂Cr₂O₇, см³;

н.₂ – нормальность раствора FeSO₄;

а – навеска почвы, г.

Бихромат калия в почве реагирует не только с органическим веществом, но и с некоторыми минеральными компонентами. K₂Cr₂O₇ реагирует с Fe (II), в присутствии которого в почвах получают завышенные результаты определения гумуса. Поэтому методом Тюрина не рекомендуют анализировать гидроморфные почвы, для которых характерно высокое содержание Fe (II).

При анализе засоленных почв методом Тюрина из рассчитанного на основании результатов титрования процентного содержания углерода необходимо вычесть величину, соответствующую 1/12 части процентного содержания хлоридов в почвах.

Сравнение результатов определения органического углерода различными методами показало, что при выполнении анализа по методу Тюрина органическое вещество почв окисляется не полностью. Результаты, полученные этим методом, составляют 85–95 % от результатов, полученных методом сухого озоления по Густавсону.

2. Фотометрический метод

Основан на простой зависимости между интенсивностью окраски раствора и концентрацией окрашенного вещества.

При окислении гумуса раствором бихромата калия органический углерод превращается в CO₂, а Cr(VI) переходит в Cr(III). Количество образовавшегося в процессе реакции Cr³⁺ эквивалентно содержанию углерода (и других восстановителей) в навеске почвы. После взаимодействия бихромата калия с почвой измеряют оптическую плотность раствора в области длин волн, соответствующей максимуму светопоглощения излучения Cr³⁺, определяют содержание Cr³⁺ и эквивалентное ему количество органического углерода.

Применение фотометрического метода для определения органического углерода по количеству образовавшегося Cr³⁺ позволяет не устанавливать исходное количество бихромата, взятое для окисления гумуса в навеске почвы. Отпадает необходимость в титровании исходного раствора K₂Cr₂O₇, к навеске почвы раствор бихромата калия можно приливать мерным цилиндром.

Все ограничения, указанные при рассмотрении метода Тюрина, характерны и для фотометрического метода.

Для выполнения определениянавески почвы помещают в мерные колбы емкостью 100 или 250 мл, приливают сернокислый раствор бихромата калия и кипятят 5 минут, как это принято в методе Тюрина. Содержимое колб доводят до метки дистиллированной водой. Тщательно перемешивают и оставляют на ночь. Раствор над осадком сливают в кювету фотоэлектроколориметра и измеряют оптическую плотность при λ = 584–594 нм. «Нуль» прибора устанавливают по воде или по раствору контрольного опыта.

Содержание углерода рассчитывают по одной из приведенных ниже формул. Общая расчетная формула в данном случае имеет вид

(27)

где D -оптическая плотность;

ε_λ - коэффициент погашения;

l - длина кюветы, см;

a - навеска почвы, г;

d - удельный вес твердой фазы почвы.

Численные коэффициенты учитывают фактор разбавления и эквивалентный вес углерода.

Изменением объема за счет твердой фазы можно пренебречь при величине навески 0,3 – 0,5 г. Тогда формула (27) преобразуется:

(28)

Д.С. Орлов и Н.М. Гриндель считают возможным находить содержание углерода по формуле

(29)

где D– оптическая плотность исследуемого раствора;

l– длина кюветы, см;

ε_λ– коэффициент поглощения, равный оптической плотности раствора при длине волны λ, толщине слоя 1 см и концентрации углерода, равной 1 мг-экв в 100 см ³ раствора;

a – навеска почвы, г.

Содержание углерода в исследуемой почве можно также найти с помощью калибровочного графика, для построения которого используется раствор глюкозы или сахарозы с содержанием углерода 1 мг/см³. Градуировочный график строят в координатах: оптическая плотность D – концентрация углерода, мг/см ³.

Содержание углерода находят по формуле

(30)

где С_{по гр.} – концентрация углерода, найденная по градуировочному графику, мг/см ³;

V – объем мерной колбы, см ³;

а – навеска почвы, г;

1000 – коэффициент перевода навески из граммов в миллиграммы.

В случае наличия в исследуемой почве хлоридов при расчете процентного содержания углерода вводят соответствующую поправку.

4.3.2. Азот в почвах и методы его определения

Азот – это один из основных элементов питания растений. Общее содержание азота в почве измеряется десятыми долями процента. Основная часть азота в почве связана с гумусом (около 5 %). В состав специфических гумусовых кислот входят 70-90 % азота, а 10-30 % связано с неспецифическими органическими соединениями почв.

Минеральные соединения азота в почвах представлены солями азотной и азотистой кислот, ионами аммония. Ионы аммония могут находиться в почвах в форме, способной к обмену, и быть прочно фиксированы кристаллической решеткой глинистых минералов.

Согласно ГОСТ 26107-84 «Почвы. Методы определения общего азота» для определения общего содержания азота в почвах применяют различные варианты газоволюметрического метода, основанного на термическом разложении органического вещества почв и измерении объема выделившегося азота, и методы, основанные на мокром озолении органического вещества почв концентрированной серной кислотой (метод Къельдаля) или сернокислым раствором оксида хрома CrO₃ (метод Тюрина), переведении азота органического вещества в аммонийную форму. Определение последнего проводят титриметрическим или фотометрическим методами.

Наиболее широко для определения азота в почвах применяется метод Къельдаля, который основан на учете аммония, образующегося при озолении органического вещества почв кипящей концентрированной серной кислотой.

При взаимодействии органического вещества с кипящей концентрированной серной кислотой углерод и водород органических соединений окисляются до СО₂ и Н₂О, азот остается в восстановленной форме и превращается в сульфат аммония. Реакция озоления аланина, одного из компонентов гумуса почв:

2СH₃CHNH₂COOH + 13H₂SO₄ ® (NH₄)₂SO₄ + 6CO₂ + 16H₂O + 12SO₂

Для ускорения процесса разложения органического вещества анализ проводят в присутствии катализаторов: CuSO₄, HgO, Se или их смесей.

Для повышения температуры кипения концентрированной серной кислоты (329⁰С) в колбу добавляют сульфат калия:

1 г/л раствор K₂SO₄ – 365⁰С;

2 г/л раствор K₂SO₄ – 410⁰С.

Разложение органического вещества может быть неполным, если процесс проводить при температуре менее 360⁰С, а при температуре более 410⁰С могут быть потери азота.

Озоление почв с высоким содержанием фиксированного аммония должно продолжаться в течение 5 часов. Длительное озоление необходимо и для освобождения азота некоторых органических соединений. Особенно устойчивы при разложении по Къельдалю некоторые гетероциклические соединения – теридины, производные хинолина и др.

Азот нитратов и нитритов данным методом не определяется. В связи с тем, что содержание данных анионов в почвах, не получавших азотные и органические удобрения, не велико, метод используют для характеристики общего содержания азота в почвах.

При проведении анализа по методу Къельдаля азот переводят в форму сернокислого аммония, количественное определение которого осуществляют либо титриметрическим, либо фотометрическим методами.

1. Титриметрическим методом азот определяется после его отделения в форме NH₃. NH₃ образуется при взаимодействии сульфата аммония с гидроксидом натрия:

(NH₄)₂SO₄ + 2NaOH ® 2 NH₃ + 2H₂O + Na₂SO₄

Для отделения аммиака может быть использован метод продувки воздухом. Более широко применяют метод отгонки аммиака (установка представлена на рис. 12): анализируемый раствор помещают в дистилляционную колбу, приливают гидроксид натрия и нагревают.

Рис. 12. Установка типа Къельдаля:

1 - колба вместимостью 1000 см³;

2 - капельная воронка вместимостью 100 см³; 3 - каплеуловитель;

4 - холодильник; 5 - приемная колба вместимостью 250 см³;

6 - подъемный столик; 7 - колбонагреватель или электроплитка с регулятором температуры, или газовая горелка

В качестве поглотителя аммиака можно использовать воду, тированный раствор серной кислоты, раствор борной кислоты. Воду используют при отгонке не более 0,2 кг аммиака. При анализе почв и растений обычно используют растворы серной и борной кислот.

При использовании серной кислоты применяют метод обратного титрования. Количество кислоты, эквивалентное содержанию образовавшегося при разложении навески почвы аммиака, находят по разности между количеством серной кислоты, взятой для поглощения аммиака, и количеством серной кислоты, которое было определено титрованием после поглощения аммиака.

2. Фотометрическое определение аммиака.

Метод Несслера основан на образовании окрашенного труднорастворимого соединения при взаимодействии реактива Несслера K₂HgY₄ с аммиаком в нейтральной или щелочной средах:

2HgY₄^2- + NH₃ + OH^- ® NH₂Hg₂I₃ + 5I + H₂O

Необходимо избегать избытка щелочи, поскольку продукт NH₂Hg₂I₃ в избытке щелочи разлагается. Концентрация щелочи должна быть одинакова в стандартных и испытуемых растворах. Окрашенное соединение NH₂Hg₂I₃ склонно к образованию отрицательно заряженных коллоидных частиц. Для получения равномерной и устойчивой взвеси в раствор вводят защитный коллоид – желатин, поливиниловый спирт, кремнекислый натрий. При малых концентрациях аммиака коллоидные растворы имеют желтую окраску, при увеличении концентрации появляется бурый оттенок. Полученные в ходе исследования коллоидные растворы снижают воспроизводимость результатов анализа.

При определении измеряют оптическую плотность в диапазоне длин волн 400-425 нм. Молярный коэффициент светопоглощения при l = 400 нм равен примерно 5×10³.

Фотометрическому определению мешают ионы, выпадающие в осадок в щелочной среде и образующие нерастворимые соединения с иодид-ионами и ионами ртути (марганец, магний, железо, титан, S^2- и др.). Их устраняют маскированием с помощью тартратов или предварительной отгонкой аммиака.

Индофеноловый метод более удобен. В его основе лежит реакция аммиака с фенолом в присутствии окислителя гипохлорита или гипобромита натрия. Продуктом реакции является индофенол, который в щелочной среде окрашивает растворы в синий цвет:

Максимум светопоглощения этого соединения находится в видимой области спектра.

Для определения азота в почвах и растениях также используют зеленую окраску индофенол дикарбоновой кислоты в щелочной среде:

Зеленая окраска индофенол дикарбоновой кислоты положена в основу метода для автоматического определения азота в почвах и растениях.

С помощью метода Къельдаля можно определить азот органических соединений почв и аммонийный азот, но азот нитратов и нитритов этим методом не определяется. Общее содержание азота в почвах, содержащих анионы нитратов и нитритов, определяют по одному из вариантов метода Иодльбауэра.

Органическое вещество почв разлагают не концентрированной серной кислотой, а фенолсульфокислотой или концентрированной серной кислотой в присутствии фенола или салициловой кислоты. При взаимодействии с нитратами образуется нитрофенол:

HOC₆H₄SO₃H + HNO₃ ® NO₂C₆H₄OH + H₂SO₄

Добавление цинка и выделение свободного водорода приводит к восстановлению нитрофенола до аминофенола:

H₂SO₄ + Zn ® ZnSO₄ + H₂

NO₂C₆H₄OH + 3H₂ ® NH₂C₆H₄OH + 2H₂O

Дальнейшее превращение этого соединения будет таким же, как при проведении анализа методом Къельдаля.