3.8.4. Определение содержания органического азота в вытяжках из торфов микрохромовым методом и.В. Тюрина
При изучении состава органического вещества торфяных почв большое значение имеет определение в выделяемых фракциях органического вещества не только С, но и N. Определение N в кислотных и щелочных вытяжках в ходе фракционирования органического вещества торфа обычно производят микрохромовым методом И.В. Тюрина.
Ход анализа. В конические колбочки из термостойкого стекла емкостью 100 мл помещают определенные порции щелочной или кислой вытяжки в 2-х повторностях, осторожно приливают 2,5 мл концентрированной Н2SO4 уд. веса 1,84 и выпаривают в вытяжном шкафу при умеренном нагревании на песчаной плитке или закрытой электроплитке до начала выделения белых паров SO2. Затем колбочки снимают с плитки, и после охлаждения их содержимого добавляют по 1 мл 50 %-ного водного раствора хромового ангидрида закрывают маленькими воронками в качестве холодильников, ставят на заранее разогретую песчаную плитку и кипятят не менее 10 минут до полного позеленения жидкости.
После охлаждения содержимое колбы полностью переносят в колбу для отгона аммиака, тщательно обмывая водой стенки колбочки, в которой проводилось сжигание, приливают в отгонную колбу 15 мл 50 %-ного раствора NаОН и отгоняют аммиак, как описано в методе Кьельдаля. Отгоняющийся аммиак улавливается в приемнике 0,01 н. или 0,02 н. раствором Н2SO4. Оставшаяся несвязанной кислота оттитровывается 0,01 н. или 0,02 н. раствором NаОН в присутствии смешанного индикатора Гроака.
Определение N в вытяжках необходимо сопровождать холостым опытом на чистоту реактивов.
Вычисление результатов.
Содержание органического N в щелочных и кислых вытяжках вычисляют в процентах от массы абсолютно сухой почвы по формуле:
где Vo – общий объем вытяжки, мл; V1 – объем вытяжки, взятый для анализа, мл; V2 – количество раствора NaOH, израсходованное на титрование серной кислоты в холостом опыте, мл; V3 – количество раствора NaOH, израсходованное на титрование оставшейся свободной серной кислоты (не связанной аммиаком), мл; н. – нормальность раствора NaOH; 0,014 – граммовое значение 1 мг-экв N; m – навеска почвы, г; 100 – множитель для пересчета N на 100 г почвы.
Пример расчета. Для определения содержания азота взято 20 мл щелочной вытяжки после декальцирования почвы, общий объем которой составил 500 мл, навеска почвы была равна 5 г. На титрование серной кислоты в холостом опыте пошло 19,8 мл 0,01 н. раствора NaOH, на титрование анализируемого образца – 19,2 мл. Содержание азота в вытяжке составило:
Для анализа используют следующие реактивы:
1. 50 %-ный раствор хромого ангидрида. 50 г CrO3 растворяют в дистиллированной воде и доводят до объема 100 мл. Приготовление остальных реактивов изложено в разделах 3.3.1 и 3.3.2.
3.8.5. Определение состава органического вещества торфяно-болотных почв по методу в.В. Пономаревой и т.А. Николаевой.
В.В.Пономаревой и Т.А.Николаевой (1959, 1961) предложена следующая схема фракционирования органического вещества торфяно-болотных почв.
Экстракция спирто-бензолом 1:1
Непосредственная 0,1 н. NаОН - вытяжка из отдельной навески недекальцированной почвы.
Декальцирование 0,1 н. раствором Н2SO4 (или НСl для карбонатных торфов).
4. 0,1 н. NаОН - вытяжка на холоду.
5. 0,02 н. NаОН - вытяжка при 6-часовом нагревании на водяной бане.
6. Гидролиз 1,0 н. раствором Н2SO4.
7. Гидролиз 80% раствором Н2SO4.
8. Нерастворимый и негидролизуемый остаток.
В целях унификации методов изучения фракционно-группового состава органического вещества всех без исключения почв в основу данной схемы положена схема И.В. Тюрина (1951, 1957) для минеральных почв, дополненная некоторыми особыми определениями с учетом специфики органического вещества торфяных почв. Выделенные при данной схеме анализа гумусовые вещества подразделяется на те же фракции, и вычисляются на основании тех же табличных форм, как описано для минеральных почв. Помимо гумусовых веществ, в схеме предусмотрено определение в торфах, по возможности, и негумифицированных органических веществ: гидролизуемых 1,0 н. и 80% растворами Н2SO4, а также негидролизуемого остатка.
В схеме принято стандартное соотношение между торфом и растворителями - 1:100 (как для кислотных вытяжек, так и для щелочных). Время настаивания торфа с растворителями 20 час. Учет фракций производят по С и N, причем результаты анализа выражают в процентах на абсолютно сухую почву и в процентах к валовому содержанию в ней органических С и N. Данный метод позволяет одновременно вести анализ 10-12 почвенных образцов.
Ход анализа. 1. Выделение фракции битумов. Навеску воздушно-сухого торфа от 10 до 20 г., пропущенную через сито диаметром отверстий 1 мм, экстрагируют в аппарате Сокслета смесью спирта с бензолом в соотношении 1:1 до полного выделения битумов. Растворитель отгоняют на водяной бане, остаток битумов высушивают при температуре около 60° и взвешивают. Содержание С в битумах условно может быть принято равным 72% или же его определяют весовым путем в приборе Кнопа. Почву после экстрагирования высушивают на воздухе до полного удаления спирта и бензола.
После того, как торф полностью высохнет, на аналитических весах берут две навески по 2,5 г каждая. Одну навеску торфа используют для получения непосредственной 0,1 н. NaOH-вытяжки. Вторая навеска торфа подвергается декальцированию, после чего из нее экстрагируют различные фракции гумусовых и негумусовых веществ.
2. Непосредственная 0,1 н NaOH-вытяжка из недекальцированной почвы. Подготовленную навеску торфа переносят в коническую колбу на 400 – 500 мл и приливают 200 мл 0,1 н. раствора NaOH. В течение рабочего дня колбу несколько раз перемешивают и оставляют на ночь. На следующий день в колбу прибавляют четвертую часть от объема щелочи (т.е. 50 мл) насыщенного раствора Na2SO4 для ускорения фильтрации, перемешивают раствор, выжидают свертывания коллоидов (10-15 мин), вновь перемешивают содержимое колбы непосредственно перед фильтрацией и фильтруют через рыхлый фильтр диаметром 15-16 см. Остаток почвы в колбе и на воронке промывают 1-2%-ным раствором Na2SO4 до полного или почти полного обесцвечивания промывных вод. Фильтрация щелочных вытяжек из торфяно-болотных почв идет довольно медленно, но все же при той небольшой навеске, какая принята в схеме анализа, она заканчивается обычно к концу дня; на следующий день проводят промывание. Лишь в редких случаях фильтрация вместе с промыванием растягивается на три дня.
Щелочной фильтрат вместе с промывными водами доводят до объема 500 мл и хорошо перемешивают. В отдельных его порциях определяют общий С и N по Тюрину, С и N гуминовых кислот после их осаждения серной кислотой (осаждение гуминовых кислот изложено в разделе 3.5.1. при этом концентрация свободной Н2SO4 должна соответствовать приблизительно 0,05-0,1н); С и N фульвокислот могут быть вычислены по разности. Остаток почвы после непосредственной щелочной вытяжки в дальнейшем анализе не используется и выбрасывается.
Данные этого определения, отвечающие содержанию свободных или связанных с R2O3 гуминовых кислот и фульвокислот, вычитают из суммы данных анализа кислотной (0,1н. Н2SO4) вытяжки и последующей щелочной (0,1 н. NаОН) вытяжки, после декальцирования почвы. Полученная разность отвечает содержанию гуминовых кислот и фульвокислот, связанных с кальцием, или вообще более устойчивых к растворению в щелочи.
3. Декальцирование 0,1 н. Н2SO4. Вторую подготовленную навеску торфа переносят в коническую колбу на 400-500 мл и заливают 250 мл раствора 0,1 н Н2SO4. В течение рабочего дня почву перемешивают и оставляют до следующего дня. На следующий день вытяжку фильтруют через плотный фильтр диаметром 12-15 см, остаток почвы промывают водой, подкисленной Н2SO4, до полного вытеснения кальция, а после этого 2-3 раза дистиллированной водой. Вытяжку вместе с промывными водами доводят до определенного объёма (обычно до 500 мл) и хорошо перемешивают. В отдельных порциях её определяют: органический С (по Тюрину, после нейтрализации содой и выпаривания досуха), органический N (по Тюрину) и, при желании, редуцирующие вещества после двухчасового гидролиза на водяной бане с 1,0 н. растором Н2SO4. Кроме того, попутно можно определить минеральный состав вытяжки, например, количество в ней Са и Мg, которые в бескарбонатных торфах можно считать вытесненными из обменного состояния. Так как перед определением Са и Мg, необходимо осаждение R2O3, то легко провести и их определение для суждения о содержании в торфах подвижных Fе и А1.
Содержание углерода в этой фракции органического вещества торфяно-болотных почв обычно невысокое, тогда как количество азота достигает значительных величин, особенно в слаборазложившихся верховых торфах.
В случае карбонатных почв для декальцирования используют соляную кислоту. Если содержание в почве СО2 карбонатов известно, то для их разрушения приливают эквивалентное им количество 5 %-ной НСl, если не известно – 5 %-ную НСl приливают к навеске почвы небольшими порциями до прекращения вскипания или до слабокислой реакции (капельная проба с метилротом). Затем концентрацию свободной НСl в растворе доводят до 0,1 н. Отмывание Са ведут сначала водой, подкисленной НСl , а затем водой, подкисленной Н2SO4, до полного удаления Са и Сl .
Анализом данной фракции при наличии карбонатов можно пренебречь, ввиду незначительного содержания в ней С и невозможности его определения методом Тюрина (в присутствии Сl), или следует провести определение С и N путем настаивания отдельной навески торфа (2,5 г) с 250 мл 0,1н. раствора Н2SO4 (без промывания).
4. 0,1 н. NаОН – вытяжка после декальцирования. Остаток почвы после декальцирования в сыром виде в тот же день смывают с фильтра в ту же колбу при помощи отмеренного в чистую промывалку раствора 0,1н. NаОН (200 мл). В колбу предварительно вставляют воронку диаметром 10-12 см с коротким и широким горлом, на которой разворачивают фильтр с почвой. Под конец остатки щелочи выливают на фильтр, чтобы вымыть из него растворившиеся органические вещества. После этого фильтр выбрасывают, а щелочной раствор с почвой несколько раз перемешивают и оставляют до следующего дня.
На следующий день в колбу прибавляют четвертую часть от объема щелочи (т.е. 50 мл) насыщенного раствора Na2SO4 для ускорения фильтрации, перемешивают раствор, выжидают свертывания коллоидов (10-15 мин), вновь перемешивают содержимое колбы непосредственно перед фильтрацией и фильтруют через рыхлый фильтр диаметром 15-16 см. Остаток почвы в колбе и на воронке промывают 1-2%-ным раствором Na2SO4 до полного или почти полного обесцвечивания промывных вод.
Щелочной фильтрат вместе с промывными водами доводят до объема в 500 мл и хорошо перемешивают. В отдельных его порциях определяют общий С и N по Тюрину, С и N гуминовых кислот после их осаждения серной кислотой, С и N фульвокислот могут быть вычислены по разности.
5. 0,02 н. NaOH – вытяжка. Остаток почвы после операции 4 смывают, используя промывалку, в сыром состоянии в тот же день в ту же колбу 200 мл 0,02 н. раствора NаОН. Смывание происходит быстрее, если раствор 0,02 н. NаОН предварительно подогреть до 70-80°. Затем колбу накрывают часовым стеклом и ставят на сильнокипящую водяную баню на 6 часов, считая с момента, когда содержимое колбы достаточно разогреется. Фильтрацию этой вытяжки и промывание остатка проводят на следующий день таким же способом, как описано выше для 0,1 н. NaOH-вытяжки после декальцирования почвы. Вытяжку вместе с промывными водами также доводят до объема в 500 мл и в ней производят те же определения, что и в предыдущих щелочных вытяжках. Данная операция переводит в раствор очень характерную для сильноразложившихся торфов устойчивую фракцию гумусовых веществ, по-видимому, типа гуминов.
6. Гидролиз 1,0 н. H2SO4. Остаток почвы смывают в сыром состоянии в тот же день в ту же колбу отмеренным в чистую промывалку раствором 1,0 н. Н2SO4 (250 мл), который также полезно подогреть до 70-80°. Колбу накрывают часовым стеклом и ставят на сильнокипящую водяную баню на 2 часа. Вытяжку фильтруют через гладкий бумажный фильтр и промывают холодной водой до обесцвечивания промывных вод и полного удаления серной кислоты.
Фильтрат и промывные воды доводят до объема 500 мл и берут отдельные пробы на определение С и N и, если это необходимо (в слаборазложившихся торфах), – восстанавливающих веществ по Бертрану. Последние для сравнения с общим С этой фракции, выражаются в углероде.
В хорошо гумифицированных торфах количество С восстанавливающих веществ иногда бывает выше содержания общего С гидролизуемой фракции, что свидетельствует не об углеводном, как в слаборазложившихся торфах, а о каком-то другом составе этой фракции, обычно богатой азотом.
7. Гидролиз 80%-ной Н2SO4. Остаток почвы после гидролиза 1,0 н раствором Н2SO4 смывают с фильтра горячей водой в фарфоровую чашку диаметром 6-8 см, воду удаляют выпариванием на водяной бане, причем чашку снимают с бани в тот момент, когда материал остается еще чуть влажным. Полного высушивания остатка следует избегать потому, что в таком случае он становится очень твердым и кожистым, не растирающимся в ступке и не диспергирующимся в 80 %-ной Н2SO4. Когда же он снимается с бани в чуть влажном состоянии, то легко распускается в 80%-ной Н2SO4 при перемешивании стеклянной палочкой с плоским пестикообразным концом. 80 %-ную Н2SO4 приливают прямо в фарфоровую чашку в количестве 18 мл и несколько раз перемешивают с остатком в течение 2,5-часового настаивания. После этого содержимое чашки смывают из промывалки отмеренным количеством воды (250 мл) в коническую колбу, которую накрывают часовым стеклом и ставят на 5 часов на сильнокипящую водяную баню. Вытяжку фильтруют через взвешенный стеклянный фильтр (воронки Шотта 2-3), остаток полностью переносят на фильтр, промывают водой до полного удаления серной кислоты, высушивают и взвешивают.
Фильтрат и промывные воды доводят до определенного объема (500 мл), из которого берут отдельные пробы для определения С, N и, в случае надобности, восстанавливающих веществ по Бертрану.
8. Нерастворимый и негидролизуемый остаток. Содержание С и N в остатке может быть вычислено по разности между общим С и N в торфе и суммой С и N всех выделенных фракций, или же определено по видоизмененному методу Анстета. В последнем случае следует ввести поправку на убыль в весе остатка по сравнению с первоначальной навеской. Величину С : N в остатке лучше определять непосредственно, так как в случае ее вычисления по разности она может сильно отклониться от истинной из-за влияния ошибок многих отдельных определений С и N. Вследствие неизбежных потерь органического вещества в ходе выделения различных фракций величина остатка может быть несколько заниженной, а следовательно, заниженными будут и данные С и N при определении их в остатке, на величине же С : N это не отразится.
Так как в органическом веществе почв и особенно торфов содержание С в десятки раз выше содержания N то данные фракционного состава по С получаются более точными, чем по N. Поэтому лучше всего при определении С и N в остатке поступать так: С остатка вычислить по разности между общим содержанием С в торфе и суммой С всех растворимых фракций; величину С : N в остатке определить прямым путем, т.е. описанным выше серно-хромовым методом Анстета в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Николаевой. Разделив величину С, вычисленную по разности, на фактически полученное отношение С : N, получают содержание N в остатке.
Для анализа необходимы следующие реактивы:
1. 80%-ная Н2SO4. В термостойкую колбу приливают ~ 150 мл дистиллированной воды и затем 785,5 мл концентрированной Н2SO4. Раствор перемешивают, охлаждают, переносят в мерную колбу на 1 л и доводят до метки дистиллированной водой, заливая ее предварительно небольшими порциями в термостойкую колбу, что бы смыть оттуда остатки реактива. Приготовление остальных реактивов приводится в разделе 3.5.1.