1
ĆWICZENIE V
Część teoretyczna ćwiczenia
SUBSTANCJA ORGANICZNA gleby stanowi ok. 7% składu gleby. Składają się na nią:
Resztki roślinne (10 %);
Ciała mikroflory i mikrofauny (5 %);
Produkty przejściowe rozkładu resztek roślinnych, zwierzęcych, mikrofauny;
Próchnica glebowa (85 %).
Zarówno zawartość próchnicy jak i C jest zróŜnicowana dla róŜnych typów gleb.
Zawartość próchnicy waha się:
od 0,6 - 1,8% (18 – 54 t/ha) w bielicach piaskowych;
do 2,6 do 4,0% (78 – 120 t/ha) w czarnoziemach.
Zawartość C waha się równieŜ w podobnych granicach:
od 0,35 - 0,95% (10,5 – 30,0 t/ha) w bielicach piaskowych;
do 1,51 – 2,30% (69,6 – 100,0 t/ha) w czarnoziemach.
Szacuje się, Ŝe całkowita zawartość C w glebie kuli ziemskiej wynosi 400 mld ton.
Rośliny zuŜywają ok. 20 mld ton rocznie.
Próchnica
Związek amorficzny (bezpostaciowy) tworzony w procesie humifikacji złoŜonym z 2 faz:
I faza, w której skomplikowane związki organiczne ulegają rozkładowi na związki prostsze;
II faza, w której w wyniku syntezy ze związków prostszych tworzy się próchnica.
Rozkład związków moŜe zachodzić w warunkach:
aerobowych – poprzez butwienie
anaerobowych – poprzez gnicie
Gdy związki organiczne ulegają całkowitemu rozkładowi na proste związki mineralne mamy do czynienia z
procesem mineralizacji.
W glebach strukturalnych procesy aerobowe zachodzą na powierzchni agregatów,
anaerobowe (obniŜające tempo rozkładu) wewnątrz agregatów.
W miarę zachodzenia procesów mineralizacji zmienia się skład zespołów drobnoustrojów:
od bakterii rozkładających związki białkowe;
poprzez bakterie celulolityczne i grzyby celulolityczne (2 tygodnie);
bakterie nitryfikacyjne (1 miesiąc);
promieniowce i grzyby (4 – 6 miesięcy).
Po tym okresie substancja organiczna traci 70 – 80% C i 30 –60% N.
Istnieje ścisła zaleŜność tempa procesu mineralizacji od:
rodzaju gleb (dodatek materiałów ilastych hamuje ten proces);
natlenienia – niedotlenienie powoduje produkcje kwasów organicznych (średnie pochłanianie O
2
przez 1 m
2
gleby wynosi 4 l O
2
dziennie;
związków biologicznie aktywnych (witamin, giberelin, antybiotyków – głównie z grupy B) pochodzących z
rozkładu hemiceluloz;
właściwości rozkładanych połączeń, a w szczególności od:
stosunku C:N – duŜe ilości C zuŜywane są dla celów energetycznych, wzrasta ilość drobnoustrojów a ich białko
wzbogaca przetwarzaną substancję w N.
W glebie organiczno-mineralnej stosunek C:N wynosi 10
- im stosunek C:N szerszy tym energiczniej wydzielany jest CO
2
:
- im gleba uboŜsza w N tym słabiej mineralizowane są połączenia C i N jej substancji organicznej.
W ciągu 1 roku mineralizacji ulega 5% glebowego C i 1% glebowego N
Rocznie 1 ha gleby wytwarza 8000kg CO
2
(70 - 319 kg CO
2
/1 ha dziennie).
Wydzielany z utlenianych węglowodanów CO
2
:
♦
spulchnia glebę;
♦
nasyca roztwory i działa, jako rozpuszczalnik mineralnych połączeń.
Dziennie (obliczenia z Rothamsted) 1m
2
gleby:
♦
pochłania 2 - 4 l O
2
;
♦
wydziela 4,2 - 7,5 g CO
2
;
♦
uwalnia 10 cal energii
(w okresie wegetacyjnym ilość wydzielanego CO
2
szacuje się w zakresie 0,7 - 33 g CO
2
).
2
Próchnica zawiera więcej C i więcej N niŜ resztki roślin, z których powstała (ok. 58% C i ok. 5% N), poza tym
zawiera O
2
, H
2
, S, P., składniki popiołowe oraz kationy Ca
+2
, Mg
2+
, Na
+
, K
+
.
W skład próchnicy wchodzą:
I.
BITUMINY
II.
ZWIĄZKI HUMUSOWE
1.
KWASY HUMUSOWE w postaci wolnej i związanej:
kwasy huminowe właściwe,
kwasy huminowe brunatne, czyli kwasy ulminowe,
fulwokwasy.
2.
HUMINY I ULMINY
♦
Bituminy - stanowią mieszninę: węglowodorów oraz ich tlenowych pochodnych: smół i wosków
(rozpuszczalne w mieszaninie alkoholu i benzenu);
♦
Kwasy huminowe - barwy czarnej (nierozpuszczalne w H
2
O, rozpuszczalne w zasadach, niektórych
obojętnych solach lub roztworach związków organicznych (np. mocznik);
♦
Kwasy ulminowe - barwy brunatnej (uwaŜane za brunatną odmianę kwasów huminowych) mogą w nie
przechodzić;
♦
Fulwokwasy - (np. krenowy czy apokrenowy) są produktem przejściowym, mają znacznie prostszą budowę
niŜ kwasy, mogą tworzyć z nimi połączenia, bardzo łatwo rozpuszczają się w H
2
O. Łatwa rozpuszczalność
fulwokwasów i większości ich soli warunkuje znaczną ruchliwość i zdolność przenikania tych związków w
głąb profilu glebowego - odgrywają duŜą rolę w procesie bielicowym;
♦
Huminy i ulminy - stanowią nieaktywne formy kwasów huminowych.
MoŜna dokonać podziału próchnicy na kilka grup:
♦
próchnica amorficzna (właściwa) - całkowicie zmumifikowana;
♦
próchnica torfowa - powstała w warunkach złego dostępu powietrza (daje się wyróŜnić pierwotna struktura
tkanek roślinnych)
Zarówno próchnica właściwa jak i torfowa jest związkiem koloidalnym ujemnie naładowanym,
moŜe być wysycona róŜnymi kationami:
♦
próchnica nienasycona - gdy przewaŜają jony H
+
(kwaśna);
♦
próchnica nasycona - próchnica z kationami o charakterze zasadowym:
słodka - wysycona głównie Ca
2+
(Mg
2+
);
słona - wysycona kationami jednowartościowymi (Na
+
).
Najkorzystniejsze właściwości posiada próchnica słodka - występuje w czarnoziemach, czarnych ziemiach,
rędzinach, madach i glebach mułowych.
Niekorzystana jest próchnica słona - silnie zdyspergowana, pogarsza właściwości fizyczne gleby.
Najniekorzystniejsza jest próchnica kwaśna - nieskoagulowana, łatwo rozpuszczalna, powoduje wymywanie
minerałów z kompleksu sorpcyjnego - występuje w glebach leśnych, zbielicowanych.
ZNACZENIE PRÓCHNICY (głównie słodkiej):
dzięki duŜym zdolnościom sorpcyjnym jest składnikiem pokarmowym dla roślin, a takŜe głównym źródłem
N i P;
posiada silne właściwości buforowe - zapobiega zmianom pH gleby;
dzięki ciemnej barwie wpływa na nagrzewanie się gleb;
przy dostatecznej ilości kationów wielowartościowych (Ca
+2
, Mg
+2
, Al.
+3
, Fe
+3
) jest materiałem klejącym
decydującym o gruzełkowatości gleby;
wywiera dodatni wpływ na właściwości wodne, powietrzne i cieplne gleb - spoistość, kruchość, pulchność;
wpływa stymulująco na wzrost, rozwój mikroorganizmów i roślin wyŜszych.
Literatura:
Young C.C., Cheng K.T., Waller G.R., 1991, “Phenolic compounds in conductive and supressive soils on clubroot disease
of crucifers”. Soil Biol. Biochem. 23: 1183 - 1189
-opis metody oznaczania kwasów huminowych w glebie (zmodyfikowana metoda Wanga i in. 1967)
3
METODY OZNACZANIA ZAWARTOŚCI PRÓCHNICY
Wszystkie metody oznaczania zawartości próchnicy polegają na jej utlenieniu.
C spala się do CO
2
.
Z ilości CO
2
moŜna obliczyć ilość C, a stąd ilość próchnicy przyjmując,
Ŝ
e zawiera ona przeciętnie 58% C.
(Stąd lepiej podawać wyniki w % C organicznego)
Ogólnie dzielimy na:
♦
metody wagowe
♦
metody objętościowe (miareczkowe).
METODY WAGOWE
Spalanie substancji organicznej na drodze suchej lub mokrej.
CO
2
jest wychwytywany w urządzeniach absorpcyjnych.
♦
Metoda Knopa - spalanie kwasem chromowym na mokro, CO
2
wolny od zanieczyszczeń
przechodzi do V - rurek z wapnem sodowym i ulega absorpcji.
3C(sub.org) + 4H
2
CrO
4
+ 6H
2
SO
4
= 2Cr
2
(SO
4
)
3
+ 3CO
2
+10H
2
O
♦
Metoda Terlikowskiego - utlenianie substancji organicznej gleby mieszaniną K
2
Cr
2
O
7
i bezwodnego CuSO
4
i zaabsorbowanie wydzielającego się CO
2
w V - rurkach z wapnem
sodowym. Mieszanina K
2
Cr
2
O
7
i bezwodnego CuSO
4
łatwo się topi wydzielając obficie O
2
.
2K
2
Cr
2
O
7
+ 2CuSO
4
= 2K
2
SO
4
+ 2Cr
2
O
3
+ 2CuO + 3O
2
3C(sub.org) + 3O
2
= 3CO
2
METODY OBJĘTOŚCIOWE
Szybsze od metod wagowych.
Substancja organiczna utleniana jest za pomocą K
2
Cr
2
O
7
z H
2
SO
4
lub KMnO
4
.
Nadmiar pozostałego po redukcji utleniacza oznacza się uŜywając związków redukujących np.
tiosiarczanu Na lub siarczanu Fe; względnie kwasu szczawiowego.
Nadmiar K
2
Cr
2
O
7
moŜna oznaczyć kolorymetrycznie.
ZuŜyty na spalanie dwuchromian redukuje się do zielonego Cr
+3
.
Intensywność zielonego zabarwienia jest proporcjonalna do ilości próchnicy (metoda Westerhoffa).
Metoda Tiurena - w obecności HgSO
4
jako katalizatora utleniana kwasem chromowym.
Nadmiar kwasu chromowego redukowany solą Mohra w obecności H
3
PO
4
i dwufenyloaminy jako
indykatora.
Kwas fosforowy wiąŜe Fe
+3
na fosforan Ŝelaza słabiej zabarwiony od Fe
2
(SO
4
)
3
.
Dwufenyloamina ulega utlenieniu do dwufenylobenzydyny, a ta do fioletu dwufenylobenzydyny.
Przy samym końcu reakcji powstaje produkt przyłączenia dwufenylobenzydyny do fioletu - związek o
barwie zielonej
.
Dwufenyloamina
4
Część praktyczna ćwiczenia
OZNACZANIE ZAWARTOŚCI WĘGLA I PRÓCHNICY W GLEBIE
I. Oznaczanie węgla ogólnego wg Tiurena
Metoda ta polega na utlenianiu próchnicy kwasem chromowym w obecności
HgSO
4
lub AgSO
4
jako katalizatora.
Nadmiar kwasu chromowego redukuje się solą Mohra (NH
4
)SO
4
FeSO
4
· 6H
2
O w obecności
dwufenyloaminy jako indykatora.
Zachodzą tu następujące reakcje:
K
2
Cr
2
O
7
+ H
2
SO
4
= K
2
SO
4
+ 2CrO
3
+ 2H
2
O
4CrO
3
+ 6H
2
SO
4
= 2Cr
2
(SO
4
)
3
+ 3O
2
+ 6H
2
O
3C + 3O
2
= 3CO
2
K
2
Cr
2
O
7
+ 6FeSO
4
+ 7H
2
SO
4
= Cr
2
(SO
4
)
3
+ 3Fe
2
(SO
4
)
3
+ K
2
SO
4
+ 7H
2
O
Wykonanie oznaczenia
Do analizy uŜywamy glebę powietrznie suchą (przesianą przez sito), którą starannie rozcieramy
w moździerzu.
Wielkość odwaŜki jest zaleŜna od zawartości substancji organicznej i waha się w granicach 0,1 - 0,5g.
OdwaŜamy glebę na wadze analitycznej, a następnie przenosimy do suchej kolby Erlenmayera
o pojemności 100 ml.
Do kolby dodajemy 0,2 g sproszkowanego siarczanu rtęci oraz 10 ml 0,4 N kwaśnego roztworu
dwuchromianu potasu. Dwuchromian potasu odmierzamy dokładnie biuretą.
Kolbę zakrywamy małym lejkiem, który w czasie gotowania spełnia rolę chłodnicy zwrotnej.
Kolbę z zawartością stawiamy na płycie grzejnej z płytką azbestową i podgrzewamy do stałego
wrzenia. Podczas wrzenia powinny odrywać się od powierzchni pojedyncze pęcherzyki. Następnie
zdejmujemy kolbę z płyty i doprowadzamy do temperatury pokojowej.
Po ostudzeniu kolby lejek naleŜy dokładnie opłukać wodą z tryskawki.
W chwili przystępowania do miareczkowania w kolbie powinno być 10 – 15 ml płynu.
Roztwór powinien mieć zabarwienie Ŝółto-pomarańczowe.
Zielone zabarwienie roztworu po 5 min. gotowania świadczy o niedostatecznej ilości dwuchromianu
potasu dla utlenienia całkowitej zawartości węgla organicznego.
Roztwór w kolbie miareczkujemy 0,2 N roztworem soli Mohra wobec 10 kropli
dwufenyloaminy jako wskaźnika.
W kaŜdej serii oznaczeń naleŜy wykonać analizę zerową składającą się z dwóch powtórzeń.
W analizie zerowej w miejsce odwaŜki gleby naleŜy dodać 0,1-0,2 g wypraŜonej gleby.
Dodatek ten jest konieczny dla równomiernego wrzenia w kolbie.
Obliczenia:
%
100
)
2
1
(
•
•
•
−
=
a
M
n
m
m
p
m
1
- ilość ml 0,2 N soli Mohra zuŜytej na zmiareczkowanie próby zerowej
m
2
- ilość ml 0,2 N soli Mohra zuŜytej na odmiareczkowanie nadmiaru dwuchromianu potasu po
utlenieniu węgla organicznego
n - współczynnik dla C organicznego wynoszący 0,003
M - miano soli Mohra
a - waga analizowanej próbki w gramach
5
II. OZNACZANIE RODZAJU I ZAWARTOŚCI PRÓCHNICY
W próchnicy glebowej wyróŜnia się grupy związków róŜniące się reakcją na róŜnorodne
czynniki fizyczne i chemiczne.
Ze względu na rozpuszczalność w kwasach i zasadach związki te dzielimy na trzy grupy:
1. kwasy fulwowe - rozpuszczalne w wodzie kwasach i zasadach;
2. kwasy huminowe - rozpuszczalne w zasadach, nierozpuszczalne w kwasach;
3. huminy i ulminy - nierozpuszczalne ani w kwasach ani w zasadach.
Ze względu na stopień i charakter wysycenia jonami próchnicę dzielimy na:
1. kwaśną - adsorpcyjnie nienasyconą, w której przewaŜają jony wymienne H
+
i Al
+3
;
2. słodką - adsorpcyjnie nasyconą jonami Ca
+2
i Mg
+2
;
3. słoną - adsorpcyjnie nasyconą jonami Na
+
.
Oznaczanie rodzaju próchnicy
A. Próchnica kwaśna pod wpływem jonów OH
-
2%-wego roztworu amoniaku łatwo peptyzuje
i przechodzi do roztworu. Roztwór ten zabarwia się na kolor brunatny.
B. Próchnica słodka potraktowana 2%-wym roztworem amoniaku nie daje brunatnego zabarwienia
roztworu.
C. Próchnica słona dysperguje i rozpuszcza się w wodzie destylowanej zabarwiając ją na kolor ciemny.
Wykonanie oznaczenia
OdwaŜyć po 4 próby 1 g badanej gleby kaŜda. Wsypać kaŜdą z próbek do probówek.
Do 2 probówek dodać 5 ml 2%- wego roztworu amoniaku;
Do 2 probówek dodać 5 ml H
2
O.
Probówkę zamknąć korkiem i wytrząsać ok. 1 min. Roztwór pozostawić do sklarowania.
- Próchnica ma charakter kwaśny, jeŜeli roztwór amoniakalny nad glebą ma zabarwienie ciemne:
brunatne lub Ŝółte;
- Próchnica ma charakter słodki, jeŜeli roztwór amoniakalny nad glebą jest niezabarwiony;
- Próchnica ma charakter słony, jeŜeli roztwór wodny nad glebą jest niezabarwiony.
Oznaczanie zawartości kwasów huminowych w glebie
Zasada metody polega na ekstrakcji kwasów huminowych z gleby za pomocą zasady
a następnie wytrąceniu kwasów huminowych z roztworu przez nagłe zakwaszenie środowiska.
Wykonanie:
Część 1.
- OdwaŜyć 100 g gleby do kolbek o pojemności 300 ml;
- Dodać 100 ml 0,5 N NaOH i wytrząsać przez ok. 2 godziny w temperaturze niŜszej niŜ pokojowa
(moŜe być obniŜona nawet do 5
o
C);
- Odwirować roztwór przy 9000 obr/min;
- Supernatant zlać do kolbek o pojemności 100 ml.
Część 2.
- Otrzymany roztwór w celu sprecypitowania kwasów huminowych naleŜy doprowadzić do pH 1;
- Zakwaszony roztwór naleŜy odwirować przy 12000 obr/min i zdekantować supernatant;
- Osad kwasów huminowych przepłukać wodą o pH 1, przenieść na uprzednio zwaŜone sączki,
wysuszyć w suszarce i zwaŜyć.
Obliczyć procentowe stęŜenie kwasów huminowych w glebie.