Сравнение различных методов определения гумуса в почве

Химический состав и органические вещества почвы. Модели строения гуминовых и фульвокислот. Методы выделения препаратов гумусовых кислот из почв. Характеристика методов исследования свойств гумусовых кислот. Сравнительный анализ методов определения гумуса.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

4

ВВЕДЕНИЕ

Черноземы давно и заслуженно пользуются репутацией лучших почв мира. С полным основанием можно считать, что продовольственная безопасность страны во многом определяется продуктивностью черноземов. Поистине Русский чернозем представляет собой геопластический феномен, и его уникальность обусловлена, прежде всего, необычностью гумусового профиля. Интенсивно темная, почти черная окраска, большая мощность, своеобразие профильного распределения органического вещества и его большие запасы придают данному типу почв особое значение. В настоящее время черноземные территории занимают около 7% всей площади России. Сельскохозяйственные угодья здесь занимают 90 млн.га, в том числе пашня - 67 млн.га черноземных почв, что составляет соответственно 43 и 52% от общей площади сельхозугодий и пашни в стране. При этом на черноземах производится больше половины всей продукции растениеводства. (Щеглов, 2004).

Исключительно высокое природное плодородие, обусловленное оптимальным сочетанием круговорота и аккумуляции углерода, азота, фосфора, кальция явилось причиной длительного использования черноземов человеком. Наиболее важное значение в сохранении природного плодородия черноземов в земледелии имеют положительный баланс органического вещества и биофильных элементов, предотвращение эрозии и организация водного режима.

Одним из важнейших неблагоприятных изменений в черноземах, вызванных земледелием, является утрата запасов органического вещества, в частности гумуса. Опасность потери черноземами гумуса отмечалась еще В.В. Докучаевым и П.А. Костычевым. Ныне это стало острой проблемой. В последние 75-90 лет 20-го столетия резко уменьшилось как суммарное содержание гумуса в черноземах, так и мощность гумусовых горизонтов. Это связано с усиленной минерализацией гумуса и резким снижением поступления органических веществ в пахотные неудобряемые почвы, а такие почти повсеместным развитием водной и ветровой эрозии. (Ковда, 1983).

Замедление потерь гумуса и повышение его содержания в пахотных черноземах, как известно, могут быть достигнуты путем применения комплекса мероприятий, включающих: обеспечение поступления органических веществ (внесение органических удобрений, посев многолетних трав, оставление более высокой стерни зерновых культур), внесение минеральных удобрений, минимализация обработок, создание оптимальных соотношений культур в севооборотах для пополнения почвы органическими веществами и усиление процессов гумификации, применение мелиорантов (извести, дефеката, гипса и др.), вызывающих закрепление гумуса минеральной частью почв.

Длительное использование черноземов при низком уровне удобрений (не более 2-3 т/га навоза в среднем за год) привело к заметному уменьшению всех групп органического вещества. Гумус пахотных черноземов становится более подвижным, чем в целинном аналоге, возрастает количество активного гумуса (Лактионов, 1970).

Для познания изменения черноземов и их плодородия под влиянием высоких доз удобрений большой интерес представляют закономерности изменения количества и качества гумуса. К настоящему времени очень слабо изучены состав и свойства гумуса в профиле черноземов под влиянием различных систем удобрения.

Целью моей работы было сравнительное изучение различных методов определения гумуса в почве, применительно к возможностям школьной лаборатории.

Для этого необходимо было решить следующие задачи: выбрать оптимальные методы определения содержания гумуса в почвенных образцах; апробировать выбранные методы; разработать элективный курс по химии, направленный на формирование понятийного аппарата рационального землепользования, включающий сохранение и повышение почвенного плодородия, и охрану окружающей среды в рамках школьного курса химии.

Глава 1. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ

гумусовая кислота почва

Химический состав почвы включает две части: минеральную и органическую. Все органические вещества почвы, по степени участия в почвообразовании и плодородии, делятся на две группы: 1) сравнительно неустойчивые, зависящие от условий (углеводы, полипептиды, кислоты, липиды, хлорофилл, пигменты), 2) значительно более устойчивые вещества (гуминовые кислоты, гуматы, фульвокислоты, гумин и частично лигнин). Они обусловливают типовые и длительно сохраняющиеся признаки почв. Гуминовые и фульвокислоты носят общее название гумусовых кислот. Благодаря высокой поглотительной способности они выполняют в почве функции ионообменников [1].

Все эти вещества образуют почвенный гумус. Гумус - (от лат. humus -земля, почва) представляет собой высокомолекулярные темноокрашенные органические вещества коллоидной природы. Они относятся по химическому составу и строению к различным классам соединений [1].

Рис. 1. Номенклатура органических веществ почвы по Д.С. Орлову [2]

На рисунке 1 показана номенклатура органических веществ почвы по Д.С. Орлову [2], в соответствии с которой в составе гумуса различают специфические гумусовые вещества (собственно гумусовые вещества), неспецифические органические соединения (или «вещества известного строения», по Фляйгу) и промежуточные продукты распада и гумификации.

Специфические гумусовые вещества - это более или менее темноокрашенные азотсодержащие высокомолекулярные соединения преимущественно кислотной природы. Они представлены гумусовыми кислотами (наиболее характерные вещества), прогуминовыми веществами типа «молодых» гуминоподобных продуктов, образующихся в культуральных средах и при ферментативном синтезе, и компонентами гумина [2].

Вопросы генезиса, строения, роли и функций гумусовых кислот в биосфере по настоящее время остаются актуальными и не до конца решенными [2].

1.1 Образование гуминовых и фульвокислот

Образование гумусовых веществ - сложный и длительный процесс, зависящий от множества факторов. Так, в основе формирования черноземов лежит дерновый процесс, который заключается в аккумуляции гумуса, биофильных элементов и образовании водопрочной структуры под действием травянистой растительности. Для гумусоаккумулятивного процесса в этих почвах складываются наиболее оптимальные условия: большое количество ежегодного опада, существенная часть которого поступает в почву в виде корневой системы растений; близкая к нейтральной реакция среды; высокая насыщенность минеральной части почвы кальцием и магнием; при периодически промывном водном режиме четко выраженная контрастность режима влажности; умеренная биологическая активность [3]. В настоящее время ученые признают важную роль органического вещества в почвообразовании. Свежий опад трансформируется, подвергается минерализации и гумификации, в результате которой образуются новые молекулы гуминовых и не гуминовых соединений, которые также минерализуются, хотя и медленнее, чем свежий опад. Гумусовые вещества образуются в процессе трансформации компонентов опада, когда фенольные или хиноидные их составляющие формируют «центральное ядро», а алифатические - «боковые цепи» [4]. Опад растительности черноземной зоны богат кальцием, что приводит к образованию в почвах биогенного кальция и к его миграции в форме гидрокарбоната, в результате процесс гумификации протекает при избыточном количестве солей кальция и сопровождается повышенным поглощением ионов кальция образующимися гумусовыми веществами, что фактически исключает формирование и вынос свободных водорастворимых продуктов [5].

Оптимальные условия для гумификации в черноземной зоне создаются весной и ранним летом, когда в почве возникают благоприятные условия водного и температурного режимов, для микробиологических процессов. При недостатке увлажнения летом эти процессы существенно замедляются, что позволяет предохранить образовавшиеся гумусовые вещества от быстрой минерализации. Укрупнение молекул гумусовых веществ за счет присоединения боковых цепей, увеличения «ядерной» части, в результате реакций поликонденсации и окисления наиболее активно протекает также в этот период при повышении температуры и некотором иссушении почвы. В зимний период, при промерзании почвы, происходят процессы денатурации гумусовых веществ. Вместе с тем это процесс весьма длительный, и образующиеся вещества гумусовой природы демонстрируют высокую устойчивость к биохимической и термической деструкции.

Гумусовые вещества в растворах не претерпевают заметных изменений в течение нескольких лет, а микроорганизмам требуется больше месяца, чтобы уменьшить вдвое их концентрацию [6]. Даже в жестких гидротермальных условиях при нагревании до 200 °С, за 10 дней разложению подвергается максимум 90% исходного количества гумусовых веществ [7]. Поэтому они способны довольно долго сохраняться и накапливаться в естественных условиях. Так, данные радиоуглеродного анализа свидетельствуют, что возраст гумусовых кислот в почвах колеблется от 500 до 5000 лет, во взвесях речных осадков - от 1500 до 6500 лет [8], а их доля в органическом веществе почв и поверхностных вод составляет 60-90%.

Для черноземов выщелоченных характерно отношение количества гуминовых кислот к фульвокислотам в интервале 1,7 - 2,5, высокая степень окисленности и ароматичности гуминовых кислот и преимущественное их закрепление в форме гуматов кальция, более сложное, по сравнению с подзолистыми почвами, строение фульвокислот [9]. Следует отметить, что в работах по влиянию сельскохозяйственного освоения почв на гуминовые кислоты [10] методами ИК-спектроскопии и дифференциального термического анализа установлено, что молекулы гуминовых кислот освоенных участков обладают менее выраженной периферической частью, чем гуминовых кислот целинных земель. При исследовании гу...