CC BY
73
ПРИГЛАШАЕМ К ДИСКУССИИ
УДК: 631.45
УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПОЧВАХ
М.Д. Маслова, Т.В. Шнее, к.б.н., И.С. Прохоров, к.с. -х.н., С.Л. Белопухов, д.с. -х.н.
РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: grenaderskaya@gmail.com
Проведен сравнительный анализ методов определения органического вещества в различных типах почв - черноземы, серая лесная, солонец. Показано, что снижение концентрации перекиси водорода с 15 до 6% не оказывает значительного влияния на точность результатов, а метод сжигания органического вещества при 4500С более пригоден для анализа черноземов, почв и грунтов с высоким содержанием органического вещества.
Ключевые слова: почва, органическое вещество, методы определения, гумус.
THE IMPROVED METHOD FOR DEFINITION OF ORGANIC MATTER IN SOIL M.D. Maslova, T.V. Schnee, I.S. Prokhorov, S.L. Belopukhov
The comparative analysis of methods of definition of organic substance is carried out in various types of soils -chernozem, gray forest, solonetz. It is shown that decrease in concentration of peroxide of hydrogen from 15 to 6% has no considerable impact on the accuracy of results, and the method of burning of organic substance at 450°C gives is more suitable for the analysis of chernozem, soils and soil with the high content of organic substance.
Keywords: soil, organic matter, methods of determining, humus.
Значение органического вещества почвы трудно переоценить, ибо уже сам процесс превращения материнской породы в новое тело природы - почву - произошел, по образному выражению М.В. Ломоносова, «от согни-тия животных и растущих тел со временем». Все звенья почвообразовательного процесса связаны с органическим веществом [1].
В ритме мегаполисов в почвообразовательную систему встраивается ряд инородных веществ (нефтепродукты, тяжелые металлы и др.), которые меняют комплекс морфологических, физико-химических и биологических свойств почвы, определяющих ее плодородные и экологические функции. При розливе нефтепродуктов на почвы в значительной степени влияет большая группа органических соединений техногенного происхождения, среди которых выделяются по экологической опасности и масштабам распространения сложные углеводородные смеси (нефть, нефтепродукты, включая полициклические ароматические углеводороды) и их высокомолекулярные производные (смолисто-асфальтеновые вещества). Данные смеси способны длительное время накапливаться и циркулировать в техногеосистемах, приводя к изменению агрофизических и агрохимических составляющих почв и других компонентов ландшафта [2]. В связи с этим, характеризуя эпидемиологическую роль почвы, нельзя забывать о ее выраженной способности к самоочищению, в процессе которого она освобождается от органических загрязнений, многих патогенных бактерий, яиц геогельминтов и т.д. Этот процесс сложен, причем для его развития имеет значение механическая структура почвенного покрова, его химический состав, физические свойства и вся совокупность живых организмов [3]. В превращении органического вещества участвуют различные группы микроорганизмов, последовательно сменяющие друг друга в зависимости от степени его минерализации. Установлено, что наибольшее коли-
чество микробов находится в поверхностном слое почвы, а на глубине 3-6 м при сохранении естественной структуры она является почти стерильной. Процесс самоочищения почвы от органических загрязнений обычно принято разделять на два этапа - минерализацию и нитрификацию. Первый из них может происходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях. При этом адсорбированные вещества подвергаются распаду благодаря деятельности ферментов, выделяемых микробами, грибами и актиномицетами. В результате белковые молекулы расщепляются на аминокислоты, которые в дальнейшем подвергаются дезаминированию с образованием аммиака в качестве конечного продукта минерализации. Анаэробные процессы гниения и брожения также сопровождаются выделением зловонных газов, загрязняющих наружный воздух, поэтому при обезвреживании нечистот стремятся к преобладанию аэробных реакций [3-5].
Согласно СанПиН 2.1.7.1287-03 [6] предложена оценка степени химического загрязнения почвы органическими соединениями по пяти категориям: чистая, допустимая, умеренно опасная, опасная, чрезвычайно опасная. Непосредственно оценить степень загрязнения и опасности почвы можно по величине санитарного числа Хлебникова, которое определяют как отношение содержания азота гумуса к общему органическому азоту, состоящему из азота гумуса и азота чужеродных для почвы загрязняющих органических веществ. Если почва чистая, то санитарное число Хлебникова равно 0,98-1,0; меньше 0,7 - чрезвычайно опасная; 0,7-0,85 - опасная; 0,85-0,98 - умеренно опасная. Другие санитарно-химические показатели исследуемой почвы оценивают путем сравнения с аналогичными показателями контрольной незагрязненной почвы.
Содержание в почве и грунтах нефтепродуктов от 0,02 до 50 г/кг также проводят по методике ПНД Ф 16.1.41-04
[7] экстракцией их хлороформом с последующим отделением от полярных соединений методом колоночной хроматографии и количественном определении гравиметрическим методом с погрешностью 0,1-0,2% [10]. К числу достоинств гравиметрического метода относится отсутствие каких-либо стандартизаций или градуировок по стандартным образцам, необходимых для других аналитических методов. Существенным недостатком гравиметрического метода является длительность определений, что практически исключает применение гравиметрического анализа, например, для текущего технологического контроля производства и там, где быстрота выполнения анализа имеет решающее значение.
Наиболее распространенным способом определения органического вещества в почвах, вскрышных и вмещающих породах по ГОСТ 26213-91 [8] служит метод Тюрина в модификации ЦИНАО, заключающийся в окислении органических компонентов раствором двухромово-кислого калия в серной кислоте и последующем определении трехвалентного хрома, эквивалентного содержанию органического вещества, спектрофотометрически. Кроме того, данный стандарт рекомендует гравиметрический метод определения массовой доли органического вещества в торфяных и оторфованных горизонтах почв. Недостатками указанных методов служат невысокая производительность и большой расход химических реактивов.
В нашем исследовании рассматриваются разные способы определения органического вещества в почве, в частности, сравнение с методикой сжигания органического вещества почвы перекисью водорода разработанной К.К. Гедройцем и сотрудниками:
«...Был взят ряд навесок по 5 г чернозема, все навески были помещены в химические стаканы емкостью 200 см3. Во все стаканы было прилито по 10 см3 воды и по 10 см3 30% перекиси водорода, стаканы были покрыты часовыми стеклами и оставлены в теплом месте на ночь. На следующее утро все стаканы с почвой были перенесены на кипящую водяную баню и обработка перекисью продолжалась, причем в 1 группу стаканов прибавлено было еще 10 см3 Н2О2 (всего 20 см3) и этим обработка была закончена; почва имела вид, лишенный гумуса, но отстоявшаяся жидкость была слабо желтого цвета; во II группу стаканов без углекислого кальция было прибавлено последовательно в каждый еще 10 + 10 + 10 см3 Н2О2, т.е. всего 40 см ; отстоявшаяся жидкость имела чуть желтоватый оттенок; в III группу стаканов было прибавлено в каждый последовательно еще 10 + 10 + 10 + 10 + 10 см3 Н2О2, т.е. всего 60 см3; отстоявшаяся жидкость была бесцветна». Анализ полученных результатов приведен в таблице 1, составленной А.Н. Вольской, и после дополнительных исследований К.К. Гедройц отмечает следующее:
1. При достаточной обработке почвы перекисью водорода весь ее органический азот переходит в аммиач-
ную форму; 2. Гумус не был нацело удален из почвы. Так при окислении почвы 60 см3 Н2О2 в почве осталось около 12% гумуса (от первоначального) и даже при более энергичной обработке 210 см3 Н2О2 и при кипячении на открытом огне количество гумуса снизилось очень незначительно (в окисленной таким образом почве осталось 10% гумуса от первоначального); 3. рН водной вытяжки первоначальной почвы 6,75, при добавлении 5-7 мл Н2О2 рН снижается до 6,50. Увеличение количества перекиси водорода вызывает значительное подкисление реакции среды. Так при применении 20 см3 перекиси водорода, рН почвы равен 5,75, при дальнейшем увеличении количества перекиси до 60 см3 рН становится равным 7,3. Такие изменения рН связаны с окислением органических веществ и образованием нелетучих органических кислот, а также и минеральных (азотной и серной кислот), количество которых вначале опыта возрастает. При усилении обработки перекисью водорода количество вновь образующихся, уже существующих органических кислот, начинает уступать место количеству разрушающихся, уже существующих в тот момент органических кислот с освобождением связанных ими оснований. Это и вызывает увеличение рН [9].
В нашем исследовании, следуя методике Н.П. Карпинского и В.Б. Замятиной, навеску почвы помещали в химический стакан емкостью 200 мл, обрабатывали растворами перекиси водорода, приготовленной из 30% пергидрола Мерка, накрывали часовым стеклом. В процессе окисления наблюдали бурную реакцию, почва пенилась и поднималась кверху. После прекращения энергичного выделения стакан помещали в термостат, где поддерживали температуру 50-60°С. По окончании видимой реакции между почвой и перекисью водорода (прекращение выделения пузырьков газа) часовые стекла со стаканов сняли, и содержимое выпарили до влажного состояния почвы в том же термостате. Затем опять прилили раствор перекиси водорода и т.д.
Были приготовлены и исследованы образцы трех типов почв: серая лесная, чернозем оподзоленный, солонец. Масса навески 5 г, повторность опыта четырехкратная. Применяли 6% растворы перекиси водорода, в первом варианте объемом 75 мл, время обработки 36 часов, во втором - 150 мл и 72 часа. Жидкость над почвой в конце окисления из буро-зеленоватого цвета становится бесцветной [10, 11].
Как видно из таблицы 2, в отношении гумуса и рН получилась та же закономерность, как и у К.К. Гедройца, и количество органического вещества меньше в случае окисления перекисью водорода, чем при определении органического вещества по Тюрину. Наибольшее различие в значениях отмечено для чернозема, наименьшее -для солонца. При этом отмечено, что окисление основного количества органического вещества достигается при обработке 75 мл 6% Н2О2, а добавление избыточного объема перекиси водорода не приводит к существенному доокислению органического вещества.
Полученные в наших опытах результаты подтверждают возможность определения гумуса в почвах с использованием методики сжигания его перекисью водорода. Необходимо отметить, что метод с обработкой перекисью водорода не лишен недостатков: долговременный, трудо-затратный, ресурсозатратный.
1. Содержание гумуса, % на воздушно-сухую _первоначальную (с гумусом) почву
Способ обработки Азот аммиачный Гумус СО2 РгО5
(перегонка с по
М2О) Кнопу
I группа 20 см3 Н2О2 0,400 1,40 0 5,3
II группа 40 см Н2О2 0,398 1,42 0 5,0
III группа 60 см Н2О2 0,461 1,12 0,1 7,3
Нами применен метод сжигания органического вещества в лабораторной печи типа SNOL, предназначенной для обжига, термической обработки, прокаливания различных материалов в ходе испытаний, а также при производстве различных изделий, например, керамической посуды. Навеску почвы массой 30 г переносили в тигель, который далее помещали в печь при температуре 450°С. Время прокаливания 4 часа.
Из данных таблицы 3 следует, что метод сжигания почвенных образцов в муфельной печи обладает большей производительностью по сравнению с окислением перекисью водорода и дает более точные результаты, подтверждающие возможность
определения общего количества органического вещества в почвах, как
3. Содержание органического вещества в почвах, %
№ Наименование почвы Содержание органического
п/п вещества, %
1 Серая лесная (А!) 4,50±0,17
2 Серая лесная (В!) 4,66±0,15
3 Чернозем оподзоленный (А!) 6,97±0,28
4 Чернозем оподзоленный (В2) 4,60±0,24
5 Солонец (А!) 3,87±0,26
6 Солонец (В2) 2,33±0,21
с использованием перекиси водорода, так и по методике сжигания образца в печи. При этом прокаливание служит более простым и менее трудозатратным способом удаления органического вещества из почвы.
Таким образом, при определении органического вещества в серых лесных почвах, черноземе оподзоленном, солонцах окислением перекисью водорода применение 6% раствора Н2О2, по сравнению с 15% раствором, не снижает показателей точности определения. Метод сжигания органического вещества перекисью водорода более пригоден для определения органического вещества в серых лесных почвах и солонцах. При определении органического вещества в черноземах и других почвах с высоким содержанием органического вещества более точные результаты дает метод сжигания в лабораторной печи.
Литература
1. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. - Л.: Наука, 1980. - 288 с.
2. Карпинский Н.П., Замятина В.Б. Фосфорная кислота, связанная с органическим веществом почвы // Труды ВИУА. Физико-химия почв, 1933, вып. 2. - С. 133-147.
3. Шнее Т.В., Кончиц В.А., Шевченко А.А., Белопухов С.Л. Исследование коллоидно-химических свойств зональных и солонцовых почв Омской области // Бутлеровские сообщения, 2010, Т. 21, № 7. - С. 74-77.
4. Мамонтов В.Г., Кузелев М.М., Шевченко А.А., Кончиц В.А. Характеристика фракций гуминовых кислот обыкновенных черноземов по данным термического анализа // Плодородие, 2010, № 2. - С. 36-37.
5. Т.В. Шнее, С.Л. Белопухов Применение электрокинетического потенциала при изучении коллоидно-химической природы засоленных почв Армении // Известия Государственного аграрного университета Армении, 2010, № 4. - С. 10-13.
6. Дубровская С.А. Эколого-геохимическая характеристика загрязнения городских почв тяжелыми металлами и нефтепродуктами // Известия Оренбургского государственного аграрного университета, 2013, № 1 (39). - С. 167-169.
7. Белопухов С.Л., Цыгуткин А.С., Штеле А.Л. Применение термоанализа для изучения зерна белого люпина // Достижения науки и техники АПК, 2013, № 4. - С. 56-58.
8. Савич В.И., Белопухов С.Л., Никиточкин Д.Н., Филиппова А.В. Новые методы очистки почв от тяжелых металлов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета, 2013, № 4(42). - С. 216-218.
9. ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества.
10. ПНД Ф 16.1.41-04. Количественный химический анализ почв. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах почв гравиметрическим методом.
11. СанПиН 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы».
12. Покровский В.А. Гигиена. - М.: Медицина, 1979. - 176 с.
2. Гумус и рН водной вытяжки, в % абсолютно _ сухой почвы
Способ обработки Гумус рНН2О
Серая лесная зональная (А!) (контроль). Гумус по Тюрину 2,46±0,15 6,8
Серая лесная (А!) 75 мл 6% Н2О2 36 часов 1,76±0,04 5,8
Серая лесная (А!) 75 мл 6% Н2О2 72 часа 1,78±0,05 5,7
Серая лесная (А!) 150 мл 6% Н2О2 36 часов 1,72±0,03 5,9
Серая лесная (А!) 150 мл 6% Н2О2 72 часа 1,74±0,04 5,8
Чернозем оподзоленный (А!) (контроль). Гумус по Тюрину 4,93±0,29 6,9
Чернозем оподзоленный (А!) 75 мл 6% Н2О2 36 часов 1,64±0,03 6,9
Чернозем оподзоленный (А!) 75 мл 6% Н2О2 72 часа 1,59±0,04 6,7
Чернозем оподзоленный (А!) 150 мл 6% Н2О2 36 часов 1,63±0,05 6,4
Чернозем оподзоленный (А!) 150 мл 6% Н2О2 72 часа 1,56±0,03 6,3
Солонец (А!) (контроль). Гумус по Тюрину 1,36±0,05 7,8
Солонец (А!) 75 мл 6% Н2О2 36 часов 1,28±0,04 7,2
Солонец (А!) 75 мл 6% Н2О2 72 часа 1,24±0,02 7,2
Солонец (А!) 150 мл 6% Н2О2 36 часов 1,26±0,03 7,3
Солонец (А!) 150 мл 6% Н2О2 72 часа 1,22±0,02 7,1
