ХИМИЯ ПОЧВЫ. ОРГАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПОЧВЫ

Методы исследования почвенного гумуса

За последние два-три десятилетия разработано большое число методов изучения почвенного гумуса, основанных на новейших достижениях химии, физики и физико-химии. Широкое применение этих методов определило большие успехи, достигнутые за недавние годы в познании природы и свойств гумусовых веществ,— вопроса, который по своей сложности и важности является одним из основных в науке о почве.

Коротко остановимся на важнейших методах определения общего содержания гумуса в почве, его качественного состава и свойств отдельных групп гумусовых веществ

1. Определение общего содержания гумуса. В нашей стране наиболее широко применяется метод, предложенный И. В. Тюриным в 1931 г. Навеска почвы, освобожденная от корешков и других видимых органических остатков, окисляется при осторожном кипячении раствором К2Сг207 в серной кислоте. Количество К2Сг207. восстановленное навеской почвы, определяется по разности между количеством 0,2 н. соли Мора [(NH4)2S04-FeS04-6H20], пошедшим: на титрование: а) исходного раствора КгСг207 и б) того же раствора после взаимодействия с почвой (титрование ведется в присутствии фенилантраниловой кислоты в качестве индикатора по предложению В. Н. Симакова).

Реакции проходят по следующим уравнениям:

а)         окисление С гумуса:

2К2СГ207 + 8H2S04 + ЗС = 2K2S04 + 2Cr2(S04)3 8Н20 f ЗС02;

б)        титрование К2Сг207 солью Мора:

К2СГ207 + 7H2S04 + 6FeS04 = 7Н20 + K2S04 + Cr2(S04)3 + 3Fe2(S04)3.

Каждый миллилитр 0,2 н. раствора соли Мора соответствует 0,000601 г С или (принимая среднее содержание С в гумусе равным 58%) 0,0010362 г гумуса.

Следует ометить, что метод Тюрина, основанный на определении окисляемое™ органического вещества, позволяет получать приближенные данные содержания органического углерода в почве.

Точные результаты дает метод сухого сожжения Густавсона, при котором С02, образующийся при окислении углерода, улавливается щелочным поглотителем и в дальнейшем количественно учитывается по увеличению веса приемника, содержащего поглотитель. Метод Тюрина дает 90—95% от количества углерода, определяемого по методу Густавсона (Кононова, 1963).

Данные, близкие к полученным по методу сухого сожжения, дает метод Кноппа, в котором окисление почвы производится хромовой смесью, но образующаяся С02 поглощается щелочью и определяется по привесу приемника, как в методе Густавсона.

2. Определение качественного состава гумуса. Как мы видели выше, гумусовые вещества находятся в почве в основном в форме разнообразных соединений с минеральной частью почвы. Для выделения их и количественного определения необходимо нерастворимые соединения перевести в форму растворимых. Мы знаем, что для гуминовых кислот растворимы их соли с одновалентными катионами; поэтому выделение гуминовых кислот производится в виде гуматов Na (иногда NH4). Фульвокислоты могут быть выделены и в виде свободных кислот, и в виде фульватов Na. Следует отметить, что, помимо связей с минеральной частью почвы, большая часть гуминовых и фульвокислот находится в связи между собой (очевидно, по типу эфирной связи). Эти сложные эфиры расщепляются (омыляются) щелочью.

Метод определения качественного состава гумуса разработан И. В. Тюриным и его сотрудниками. Здесь мы изложим ход анализа в модификации В. В. Пономаревой (1957).

Для анализа берутся две навески почвы. Каждая из них предварительно обрабатывается смесью спирта и бензола, которая выделяет воска и смолы (фракция битумов). Первая навеска затем используется для выделения той части гуминовых кислот и фульвокислот, которая в почве находится в свободном состоянии или связана с подвижными (легко растворимыми в слабых кислотах и щелочах) полуторными окислами. Для этой цели навеска почвы обрабатывается 0,1 н. NaOH; после настаивания фильтруется. В части фильтрата извлеченная гуминовая кислота осаждается H2S04, отфильтровывается, промывается и растворяется содой. Раствор выпаривают и в сухом остатке определяют С гуминовой кислоты. Эта фракция (1) является наиболее высокодисперсной частью гуминовых кислот (бурые гуминовые кислоты  ). По Пайковой (1954), эта фракция носит название подвижной гуминовой кислоты. В почвах подзолистого типа и близких к ним почти все гуминовые кислоты входят в эту фракцию. Из черноземов непосредственно обработкой 0,1 н. NaOH извлекается лишь небольшая часть гуминовых кислот  .

Определение общего содержания С в другой части вытяжки 0,1 н. NaOH позволяет по разности (— С гуминовйх кислот) вычислить С фульвокислот, извлекаемых при этой обработке (фракция 1).

Вторая навеска подвергается декальцированию, т. е. удалению Са, связывающего гуминовые кислоты. Для этого почву обрабатывают 0,1 н. H2SO*. После установления равновесия сернокислая вытяжка фильтруется. По общему содержанию С в ней определяются фульвокислоты — свободные и связанные с подвижными R203 (фракция 1а). Декальцированная почва обрабатывается 0,1 н. NaOH. При этом в вытяжку переходят наиболее характерные и генетически важные фракции гумусовых веществ.

Из щелочной вытяжки при помощи H2S04 осаждаются гумусовые кислоты, которые были связаны с Са (фракция 2); количество С этой фракции определяется так же, как и С фракции 1 гуминовых кислот. С фульвокислот (фракция 2), которые в почве связаны с фракцией 2 гуминовых кислот, определяется по разности между общим С щелочной вытяжки и С гуминовых кислот.

Для выделения гумусовых веществ, связанных с устойчивыми полуторными окислами, остаток декальцированной почвы после обработки щелочью обрабатывается 1 н. H2S04. В фильтрате определяется С фульвокислот, связанных с глинами и устойчивыми R203 (фракция 4), а промытую почву снова обрабатывают 0,1 н. NaOH. В вытяжке при помощи H2S04 осаждают гуминовые кислоты, связанные с устойчивыми R203 (фракция 3) и определяют их С; в фильтрате — связанные с ними фульвокислоты (фракция 3). По сумме извлеченных фракций судят об общем количестве в почве гуминовых кислот и фульвокислот, С которых обычно выражают в процентах от общего С почвы.

С остатка нерастворимых гумусовых веществ (гуминов) определяют по разности: общий С — (С битумов + С гуминовых кислот + + С фульвокислот) (см. схему анализа на стр. 76).

В ускоренном методе определения состава гумуса минеральных почв, разработанном М. М. Кононовой и Н. П. Бельчиковой, извлечение из почвы гумусовых веществ производится при помощи пиро- фосфата натрия (Кононова, 1963). Применение 0,1 н. раствора Na4P207-ЮН20 для выделения гумусовых веществ из почвы основано на способности его к образованию нерастворимых осадков или растворимых комплексов с кальцием, железом, алюминием и некоторыми другими поливалентными катионами, с которыми связаны в почве гумусовые вещества. Преимущество работы с пирофосфатом натрия заключается в том, что извлечение органических веществ протекает за короткий период времени и может быть выполнено однократной обработкой почвы смесью пирофосфата Na и NaOH, имеющей рН около 13. Предварительное декальцирование при этом может быть опущено.

3.         Определение оптических свойств гумусовых веществ. Гумусовые вещества, выделенные из разных почв, обладают весьма различными окрасками: так, окраска растворов гуминовых кислот варьирует от темно-коричневой, почти черной, до светло-бурой; существует некоторая разница и в окраске растворов фульвокислот из разных почв.

Различия в окраске растворов являются следствием различий в поглощении световых волн разной длины. Ослабление силы света при прохождении его через поглощающую среду непосредственно связано с химическим и физическим состоянием этой среды.

Оптическая плотность гуминовых кислот зависит от соотношения ароматических и алифатических групп в их составе: чем шире это соотношение, тем больше оптическая плотность. В связи с этим более «молодые» в химическом отношении гуминовые кислоты с менее конденсированной ароматической сеткой имеют меньшую оптическую плотность, чем более «зрелые» представители этой группы.

Определение величины ослабления света, проходящего через слой в 1 см раствора исследуемого вещества, производится при помощи спектрофотометра со светофильтрами при длинах волн 726, 665, 619, 574 , 533, 496, 465 ммк. Растворы гумусовых веществ, изготовленные для просмотра, должны быть уравнены по содержанию углерода в литре раствора и по рН.

4.         Определение порога коагуляции гуминовых кислот. Чем выше, конденсация ароматического ядра гуминовых кислот и чем шире ; отношение ароматического углерода к углероду боковых радикалов, | тем ниже степень дисперсности гуминовых кислот и ниже их гидро- фильность, а следовательно, меньше устойчивость к коагулирующему действию электролитов. Величина порога коагуляции электролита (т. е. наименьшей концентрации, вызывающей коагуляцию) является поэтому показателем степени дисперсности гуминовой j кислоты: чем выше порог коагуляции, тем выше и степень дисперсности.

Для определения порога коагуляции, так же как и для определения оптических свойств, используются растворы гуминовых кислот с одинаковым содержанием С в литре раствора; рН раствора доводится до 7,2; температура — 20—22° С. В серию пробирок вносятся возрастающие количества раствора СаС12 и водой доводятся до одинакового объема (1 мл). Затем в каждую пробирку вносится 5 мл раствора гумата. Отмечается наименьшая концентрация, при которой за 4 ч происходит полное осаждение (Кононова, 1963).

Фульвокислоты хлористым кальцием не осаждаются. Необходимо подчеркнуть, что на результаты определений порога коагуляции оказывает влияние степень очистки золя гумата.

5. Применение рентгенографии и инфракрасной спектрографии к исследованию строения гумусовых веществ. Рентгенографический метод структурного анализа основан на явлении рассеяния рентгеновых лучей атомами вещества и интерференции рассеянного излучения. Мы видели выше, что применение рентгенографического метода сыграло большую роль в выяснении структуры глинных минералов. Для аморфных веществ, к которым относятся почвенные гумусовые вещества, разработаны специальные методы рентгеновского анализа, в основу которых положена теория рассеяния рентгеновых лучей в жидкостях и газах. Данные о структуре аморфных веществ, получаемые при рентгенографическом анализе, более схематичны, чем получаемые при анализе кристаллических веществ. Однако они помогли раскрыть природу и принцип строения карбо- низованных веществ, к классу которых принадлежат и гумусовые вещества. Углеродный скелет всех карбонизованных веществ имеет общие черты строения, что было установлено методом рентгеновского структурного анализа.

Изучение соотношения интенсивности и расширения интерференционных полос на рентгенограммах различных гумусовых веществ позволяет исследовать природу изменений их углеродного скелета. Так, для молекул фульвокислот было установлено наличие периферийной части и слабо выраженной ядерной части: об этом свидетельствуют малая интенсивность и размытость полос 002 и 100 и сравнительно большая интенсивность у-полосы. В гуминовых кислотах чернозема сетка выражена сильнее, нежели в гуминовых кислотах дерново-подзолистой почвы, в которых отчетлива обнаруживается у-полоса боковых цепей (Касаточкин, Кононова и Зильбербрандт, 1958).

Метод инфракрасной спектроскопии, интенсивно разрабатываемый в последние годы, является одним из основных оптических методов исследования химического строения вещества. Этот метод основан на возникновении характерных полос поглощения при прохождении инфракрасных лучей через исследуемое вещество, что связано с возбуждением собственных колебаний 'атомных групп вещества. Спектральные кривые поглощения записываются на регистрирующем инфракрасном спектрометре.

6. Применение метода распределительной хроматографии к фракционированию гумусовых веществ. Хроматографический адсорбционный метод разделения смесей растворенных веществ, впервые разработанный русским ученым М. С. Цветом в 1903 г. для изучения хлорофилла, широко и плодотворно используется в физиологических исследованиях и в последние 10—15 лет применяется также для расчленения и изучения гумусовых веществ.

Метод, предложенный Цветом, состоит в том, что раствор, содержащий смесь веществ, пропускается через колонку, заполненную тем или иным адсорбентом (крахмал, окись алюминия). При этом отдельные компоненты смеси, отличающиеся различным сродством к растворителю и различной способностью адсорбироваться содержащимся в колонке веществом, передвигаются с разной скоростью и на разное расстояние от поверхности. В результате вещества, входившие в состав смеси, распределяются в разных слоях

Помимо хроматографии в колонках с адсорбентами широко применяется хроматография на бумаге. Метод бумажной хроматографии основан на различиях в распределении веществ между двумя несмешивающимися жидкими фазами: водной фазой, которая неподвижно удерживается бумагой, и подвижной фазой органического растворителя, насыщенного водой (н-бутанол, фенол, хлороформ и др.). Некоторое количество исследуемого раствора наносят на фильтровальную бумагу и, дав подсохнуть пятну, опускают конец бумажной полосы в растворитель. Растворитель передвигается по бумаге и вместе с ним передвигаются растворенные вещества, но с различной скоростью. Кононова, Александрова и Бельчикова (1960) употребляли 2-процентные растворы гумусовых веществ в 0,1 н. NaOH, определенные объемы которых наносились на бумагу и после подсушивания разгонялись растворителем, состоящим из н-бутанола, уксусной кислоты и воды в отношении 40 : 12 : 28. На  21 приведены хроматограммы гумусовых веществ. Расчленение гумусовых веществ на отдельные фракции ускоряется при сочетании бумажной хроматографии с электрофорезом (Кононова и Титова, 1961; Титова, 1962; Кауричев, Федоров и Шнабель, 1960).

При помощи хроматографии на угле (Хан, 1951) и на бумаге (И. В. Александрова, 1960) изучается состав воднорастворимых органических веществ растительных остатков и почвенных растворов.