Углерод в почвах и методы определения углерода органической части почвы

Методы валового анализа органической части почвы.

При проведении валового анализа в составе органической части почвы обычно определяю содержание углерода и азота. По количеству углерода рассчитывают содержание гумуса, т.к. надежные методы непосредственного определения его содержания в почвах отсутствуют.

Все методы определения углерода органических соединений основаны на окислении его до СО₂ и Н₂О. Это окисление принято называть озолением. Его проводят либо сжиганием навески почвы при температурах 650 – 750^оС в калильной трубке (сухое озоление), либо окислением растворами сильных окислителей при кипячении (мокрое озоление). Количественное определение СО₂ осуществляется прямыми или косвенными методами.

Прямые методы основаны на отгонке СО₂ и определении его массы или объема различными аналитическими методами. Например, в методе Густавсона навеску почвы озоляют в тугоплавкой трубке при температурах 650 – 750^оС, через которую непрерывно пропускают кислород или воздух очищенный от СО₂. В качестве катализатора используют CuO. Продукты окисления улавливают специальными поглотителями. СО₂ поглощают аскаритом (асбестом, пропитанным NaOH), который помещают в U-образные поглотительные трубки. Их взвешивают до и после озоления и по разности масс рассчитывают содержание углерода в почве. В методе Кнопа- Сабанина проводят мокрое озоление навески почвы сернокислым раствором дихромата калия. Схематически реакцию можно выразить уравнением:

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

СО₂, который выделяется при кипячении реакционной смеси, также улавливают поглотительными трубками и определяют гравиметрически.

Его можно определить также титриметрически, если отогнать в титрованный раствор щелочи, взятый в избытке, а затем остаток щелочи оттитровать раствором кислоты с известной концентрацией.

Экспресс-метод. Для определения углерода органических соединений использую специальные анализаторы, которые позволяют получить результат в течение нескольких минут.

Один из таких методов основан на скорости выделения СО₂. Он разработан специально для анализа почв и позволяет раздельно оценивать СО₂, выделившийся при разложении органики и при разложении карбонатов. По мере нагревания навески почвы в токе кислорода до700^оС растет скорость

выделения СО₂ вследствие окисления углерода органических соединений, достигает максимума и затем уменьшается. Скорость разложения карбонатов начинает увеличиваться при более высокой температуре. Анализатор автоматически регистрирует кривую скорости выделения СО₂ как функцию температуры и по высоте пика количественно определять содержание углерода органических соединений и карбонатов.

При мокром озолении гумуса углерод органических соединений можно определить косвенными методами (метод Тюрина). При использовании этих методов о содержании углерода органических соединений судят по количеству Cr₂O₇^2-, израсходованному на окисление (титриметрический метод), либо по количеству Cr³⁺, образовавшемуся в процессе окисления (фотометрический метод). Погрешности этого метода обусловлены следующими причинами:

1. Возможное разложение раствора окислителя при кипячении в процессе озоления. Поэтому в ходе анализа проводят холостой опыт. Объем раствора окислителя, равный взятому на окисление навески почвы, кипятят с кусочками прокаленной пемзы и устанавливают концентрацию K₂Cr₂O₇ после кипячения титриметрически по раствору соли Мора известной концентрации.

2. Дихромат окисляет также водород органических соединений до воды.

12H + 2K₂Cr₂O₇ + 8H₂SO₄ = 2Cr₂(SO₄)₃ + 14H₂O + 2K₂SO₄

Эта реакция не оказывает влияния на результаты определения углерода только в случае, если в составе органической части почвы Н: О = 2:1. Если это соотношение больше 2, то на окисление будет затрачено больше окислителя и результаты определения углерода будут завышены. И наоборот, если Н:О <2, то окислитель затрачивается меньше и результаты занижены. Реальные соотношения Н:О в разных компонентах органического вещества почв различны. Для гуминовых кислот они равны примерно1,4 (горно-луговые почвы) – 2,4 (торфяно-болотные и каштановые).В составе фульвокислот Н: О значительно меньше 2 и находятся в пределах 1,1 – 1,7.

3. Окислитель может расходоваться также на окисление и минеральных компонентов почвы (Fe²⁺, Cl^-). Однако содержание ионов двухвалентного железа в воздушно–сухих пробах незначительно, а влияние хлорид-ионов может быть учтено, т.к. реакция

Сr₂O₇^2- + 6Cl^- + 14 H⁺ = 2Cr³⁺ + 3Cl₂ + 7H₂O

протекает количественно.

ω(С)= { n(1/4 C) – n(Cl)} ∙ M(1/4 C),

где ω(С) – массовая доля углерода в почве, %;

n(1/4 C) – число ммоль ∙ экв углерода органических соединений,

содержащихся в 100г почвы;

n(Cl) – число ммоль ∙ экв хлорид-ионов в 100г почвы, которое

предварительно определить из водной вытяжки;

M(1/4 C) – молярная масса эквивалента углерода.

Массовую долю гумуса рассчитывают по формуле:

ω(гумуса) = ω(С) ∙ 100/58 = 1,724 ∙ ω(С)%,

где 100/58 – эмпирический коэффициент. Он рассчитан из условия, что гуминовая кислота содержит 58% углерода. Такое же содержание углерода условно принято и для гумуса в целом.

Азот в почвах и методы определения его общего содержания.

Общее содержание азота в верхних горизонтах почв измеряется десятыми долями %, причем около 95% этого его связана с гумусом. Минеральные соединения азота – это нитраты, нитриты, ионы аммония. Ионы аммония могут находиться в почвах в способном к обмену состоянии и могут быть прочно фиксированы в кристаллической решетке глинистых минералов.

Для определения общего содержания азота в почвах применяются газоволюметрические методы, основанные на термическом разложении почвы и измерении объема выделившегося азота. В практике лабораторных исследований чаще используют методы, основанные на мокром озолении органического вещества почв концентрированной серной кислотой метод Кьельдаля) или сернокислым раствором CrO₃ (метод Тюрина).В результате азот органического вещества почв переходит в сульфат аммония, содержание которого находят обычными аналитическими методами. Чаще используют метод Кьельдаля, но азот нитратов и нитритов им не определяется. Поскольку в почвах, не получавших азотные и органические удобрения нитратов и нитритов очень мало, этот метод используют для характеристики общего содержания азота в почвах.

Отношение С/12: N/14 (молярное отношение С: N)

Это отношение характеризует характеризует обогащенность гумуса азотом.

С: N равное 8 – 10 характерно для большинства гумусовых горизонтов почв и отвечает высокой и средней обеспеченности гумуса азотом. Очень высокое (18 – 20) свойственно бедному азотом гумусу красноземов и грубогумусным горизонтам лесных почв. Низкое отношение С: N (2 – 3) характерно для очень бедных гумусом горизонтов.