Methods for determining the organic carbon content in soils (critical review)

Современная проблема глобального изменения климата и связанные с ней исследования циклов углерода в окружающей среде, процессов дегумусирования и почвенной секвестрации углерода, зависящих от количественной оценки пространственновременных изменений запасов почвенного органического углерода (ПОУ) на глобальном и региональном уровне, привела к актуализации изучения методов анализа почв на содержание С орг .

В фундаментальных монографиях И.В. Тюрина (1937) и С.А. Ваксмана (1937) дан глубокий и всесторонний анализ методов определения содержания органического углерода в минеральных, в т. ч. карбонатных, и торфяных почвах. Ими детально рассмотрены теоретические основы и экспериментальные приемы выполнения анализов, представлена информация об истории возникновения и развития методов определения как содержания ПОУ, так и почвенного органического вещества (ПОВ) в целом.

В данной статье авторы ограничатся только обсуждением вопросов, связанных с аналитическими методами определения содержания ПОУ. На Х Международном конгрессе почвоведов (Москва, 1974 г.) М.М. Кононова предложила отказаться от использования показателя “содержание гумуса”, перейдя к более простому и точнее определяемому – “содержание органического углерода” (Когут, Фрид, 1993) . В современной научной литературе по ПОВ последний показатель приобрел доминирующее значение.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В ПОЧВАХ

При определении содержания ПОУ используют прямые и косвенные методы анализа (Теория и практика…, 2006) . К прямым методам относятся способы сухого и мокрого сжигания с последующей фиксацией количества выделившегося диоксида углерода. Наиболее известные в нашей стране – способ сухого сжигания по Густавсону (Тюрин, 1934) и мокрого озоления по Кнопу (Knop ,1872) .

Согласно С.А. Ваксману (Ваксман, 1937, с. 394) “сухое сжи- гание основано на принципе элементарного анализа Либиха; почва прокаливается в печи для сжигания в струе кислорода в присутствии сильно окисленной окиси меди. Углекислый газ поглощается либо во взвешенных натронных трубках, либо титрованными растворами щелочей“.

Применение косвенных методов определения содержания ПОУ по Тюрину и Уолкли–Блэку основано на допущении, предложенным В.И. Ищерековым (1904) и детально разработанном И.В. Тюриным (1931; 1937) . Согласно этому предложению значения содержания С орг , определенные прямым методом сухого сжигания и мокрого озоления, и таковые, полученные косвенным методом по окисляемости, будут совпадать, если степень окисленно-сти органического вещества равна 0.

В экспериментальной работе (Пономарева, Плотникова, 1967) было показано, что при сопоставлении данных, полученных прямым методом мокрого озоления по Кнопу и косвенным методом Тюрина по окисляемости, нулевая степень окисленности ПОВ – скорее исключение, чем правило. Из проанализированных 100 образцов из различных почв России, Эстонии, Франции и Бирмы только в 6 степень окисленности была равна 0.

Анализ данных таблицы 1 показал, что в одних случаях содержание ПОУ, определенное по окисляемости, ниже, чем таковое, полученное способом сухого сжигания (в большинстве), а в других – наоборот, выше.

Приведенные экспериментальные результаты исследований различных авторов полностью соответствуют теоретическим положениям, ранее высказанным И.В. Тюриным (1936) : “ Причины отклонений в ту и другую сторону лежат в различной степени внутримолекулярной окисленности гумуса, состав которого может выражаться в одних случаях формулой C n H 2m O m , в других – C n H 2m O m-x , в третьих, наоборот, – C n H 2m O m+y . Поэтому полное совпадение результатов приблизительных методов (принимая во внимание неполноту окисления) может быть только в первом случае; во втором случае титрометрическое определение должно дать более высокие результаты, так как часть хромовой кислоты израсходуется на окисление водорода, а в третьих случаях,

Таблица 1. Результаты определения содержания органического углерода способом сухого сжигания на автоматических анализаторах, методами Тюрина и Уолкли–Блэка по окисляемости, степени внутримолекулярной окисленности ПОВ, а также неорганического углерода для различных почв

Table 1. Results of determining of organic carbon content for different soils: by dry combustion method using automated analyzers; by Tyurin and Walkley–Black methods based on oxidability, degree of intramolecular oxidation of SOC, and inorganic carbon

Почва, образец	Мокрое озоление, по окисляемости, С орг		Сухое сжигание на анализаторах		Степень окисленности		Источник
	С 1орг	С 2орг	C неорг	С 3орг	1ɷ	2ɷ
Дерново-подзолистая СП-2	0.42		нет	0.57	26.3		“Аналитическое обеспечение…, 1993” Когут, Фрид, 1993
Дерново-подзолистая супесчаная СДПС-3	0.71		нет	0.89	20.2
Чернозем СП-1	3.23		нет	3.67	12.0
Краснозем СКР-3	2.39		нет	3.19	25.1
Чернозем выщелоченный САЧвП-01	1.80		нет	2.22	18.9
Чернозем карбонатный САЧкП-01	2.26		0.09	2.92	22.6

Продолжение таблицы 1

Table 1 continued

Почва, образец		Мокрое озоление, по окисляемости, С орг		Сухое сжигание на анализаторах		Степень окисленности		Источник
		С 1орг	С 2орг	C неорг	С 3орг	1ɷ	2ɷ
Светло-каштановая СП-3		1.06		0.34	1.33	20.3		Аналитичес кое обеспече ние…, 1993 Когут, Фрид, 1993
Засоленная САЗП-01		0.91		1.27	1.22	25.4
Солонцовая САСолП-01		0.93		нет	1.23	24.4
Серозем карбонатный ССК-3		0.27		2.32	0.42	35.7
Феррасоль, см	0–10	7.64		нет	22.9	22.9		Милановский, 2009
	20–30	3.23		нет	28.5	28.5
	60–80	1.18		нет	38.9	38.9
Soil FS		1.48		нет	2.10	29.5		Ciavatta et al., 1989
Soil A		1.57		нет	2.25	30.2
Eutric Albeluvisol 92 образца, 0–20 см		2.05	2.14	нет	1.94	-5.7	-10.3	Jankauskas et al., 2006

Продолжение таблицы 1

Table 1 continued

Почва, образец	Мокрое озоление, по окисляемости, С орг		Сухое сжигание на анализаторах		Степень окисленности		Источник
	С 1орг	С 2орг	C неорг	С 3орг	1ɷ	2ɷ
Brazilian savannah soils 54 образца, 0–20см		1.64	нет	2.29		28.4	Sato et al., 2014
Дерново-подзолистая легкосуглинистая почва, САДПП-09/4, ОСО 18911	0.79	0.77	нет	0.98	19.4	21.4	Shamrikova et al., 2022
Дерново-подзолистая среднесуглинистая GSO 10413-2014	1.07	1.02	нет	1.32	18.9	22.7
Дерново-подзолистая супесчаная почва, OSO 10904	1.66	1.52	нет	1.9	12.6	20.0
Серая лесная супесчаная, OSO 11201	2.13	2.09	нет	2.68	20.5	22.0
Чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый, OSO 21401	3.37	3.23	нет	4.01	16.0	19.5
Чернозем карбонатный среднесуглинистый OSO 39002	3.33	3.16	??	3.93	15.3	19.6

Продолжение таблицы 1

Table 1 continued

Почва, образец	Мокрое озоление, по окисляемости, С орг		Сухое сжигание на анализаторах		Степень окисленности		Источник
	С 1орг	С 2орг	C неорг	С 3орг	1ɷ	2ɷ
Чернозем типичный легкосуглинистый OSO 29106	4.15	3.94	нет	4.93	15.8	20.1	Shamrikova et al., 2022
Pamplona, ES		1.20	2.83	1.60		25.0	Apesteguia et al., 2018
Typic Haploxerept		1.23	2.83	1.56		21.2
Typic Haploxerept		0.77	4.30	0.72		-6.9
Fluventic Haploxerept		0.91	4.76	0.84		-8.3
Fluventic Haploxerept		1.07	4.62	1.11		3.6
Typic Calcixerept		0.84	0.81	0.91		7.7
Typic Calcixerept		2.78	0.91	2.96		6.1
Petrocalcic Calcixerept		1.47	1.98	1.62		9.3
Typic Calcixerept		0.75	3.79	0.99		24.2

Продолжение таблицы 1

Table 1 continued

Почва, образец	Мокрое озоление, по окисляемости, С орг		Сухое сжигание на анализаторах		Степень окисленности		Источник
	С 1орг	С 2орг	C неорг	С 3орг	1ɷ	2ɷ
Typic Calcixerept		0.94	3.75	1.26		25.4	Apesteguia et al., 2018
Typic Calcixerept		0.72	4.68	0.88		18.2
Calcic Haploxerept		1.01	4.11	0.96		-5.2
Calcic Haploxerept		1.49	3.98	1.67		10.8
Typic Xerorthent		0.70	4.00	0.84		16.7
Typic Xerorthent		1.36	3.49	1.44		5.6
Petrocalcic Rhodoxeralf		3.02	-0.09	3.85		21.6
Xeric Haplocalcid		0.79	3.72	0.88		10.2
Xeric Haplocalcid		0.75	3.57	0.86		12.8
Xeric Haplocalcid		1.33	2.93	1.41		5.7

Продолжение таблицы 1

Table 1 continued

Почва, образец	Мокрое озоление, по окисляемости, С орг		Сухое сжигание на анализаторах		Степень окисленности		Источник
	С 1орг	С 2орг	C неорг	С 3орг	1ɷ	2ɷ
Xeric Haplocalcid		1.41	2.88	1.46		3.4	Apesteguia et al., 2018

Примечание. В некарбонатных почвах способом сухого сжигания определяли С общ = С орг , а в карбонатных почвах способом сухого сжигания определяли С общ , а С орг = С общ – С неорг .

С 3орг , С 1орг, , С 2орг – содержание органического углерода, определенное методами сухого сжигания и по окисляемости Тюрина и Уолкли–Блэка соответственно; 1ɷ, 2ɷ – степень внутримолекулярной окисленности органического вещества почвы, рассчитанная по данным С 3орг , С 1орг и С 2орг по формуле (Пономарева, Плотникова, 1967): 1ɷ = (С 3орг – С 1орг /С 3орг ) × 100%; 2ɷ = (С 3орг – С 2орг /С 3орг ) × 100%.

Note. In non-carbonate soils С total was determined by dry combustion method C total = C org , and in carbonate soils С total was determined by dry combustion, but C org = C total – C inorg .

С 3org , С 1org , С 2org – are organic carbon contents determined by dry combustion and by Tyurin and Walkley–Black oxidation, respectively; 1ɷ, 2ɷ are intramolecular oxidation degree of soil organic matter, calculated from С 3org , С 1org, , С 2org data by the formula (Ponomareva, Plotnikova, 1967):

1ɷ = (C 3org – C 1org /C 3org ) × 100%; 2ɷ = (C 3org – C 2org /C 3org ) × 100%.

наоборот, титрометрическое определение даст более низкие результаты, чем метод сухого сожжения, так как часть углерода в гумусе уже является окисленной за счет избытка кислорода O y ”.

Следует отметить, что помимо степени окисленности ПОВ на надежность определения содержания С орг по методам Тюрина и Уолкли–Блэка могут оказывать влияние и такие факторы, как температура и время мокрого озоления, наличие в почве хлоридов и закисных соединений железа и др. (Ваксман, 1937; Никитин, 1999; Орлов и др., 1996; Титова, Когут, 1991; Тюрин, 1937) . В начале прошлого века разработка альтернативы методам Кнопа– Сабанина и Густавсона и широкое распространение “приблизительного” (Schollenberger, 1927) метода определения С орг по окис-ляемости было вызвано необходимостью обработки “ огромного количества собираемых при полевых исследованиях материалов, в целях общей и агрономической характеристики почв ” (Тюрин, 1931) .

Развитие аналитического приборостроения во второй половине XX века привело к разработке автоматических анализаторов определения содержания С орг , базирующихся на принципе сухого сжигания, не уступающих и даже превосходящих по производительности косвенные методы анализа по Тюрину и Уолкли–Блэку. Так, в 1970 г. Табатабаи и Бремнер (Tabatabai, Bremner, 1970) предложили использовать автоматический анализатор Leco, сконструированный для определения содержания углерода в сталях и сплавах, для анализа почв на общее содержание углерода. Производительность метода составила до 150 анализов в день. Однако, зарубежные анализаторы (Leco, Shimadzu, Perkin-Elmer и др.) характеризовались высокой стоимостью, что существенно ограничивало возможности их широкого внедрения в почвенные и агрохимические исследования.

В начале 80-х годов прошлого века в Почвенном институте им. В.В. Докучаева был испытан экспресс-анализатор АН-7529 (Гомель), также изначально предназначенный для определения углерода в сталях и сплавах, с целью установления содержания общего углерода в почвах (Кочетов и др., 1985). В дальнейшем была разработана и аттестована методика определения содержа- ния общего, органического и неорганического углерода в почвах на базе этого автоматического анализатора с использованием государственных стандартных образцов почвенных масс (Аналитическое обеспечение…, 1993). Стоимость анализатора АН-7529 была в 5–10 раз меньше стоимости зарубежных аналогов, а цена одного анализа на нем – не менее чем в 10 раз ниже, по сравнению с зарубежными приборами.

Здесь следует еще раз отметить, что при использовании вышеуказанными авторами режима сжигания почвенных проб (температура выше 1 000 °C) определяется общее содержание углерода. В случае некарбонатных почв и почв, не получающих карбонаты с мелиорантами и удобрениями, этот параметр будет равен содержанию органического углерода. При определении количества органического углерода в карбонатных почвах необходимо осуществление специальных приемов, позволяющих учесть содержание углерода карбонатов.

В Новой Зеландии (Blakemore et al., 1977) был применен разностный метод определения неорганического углерода в карбонатных почвах на базе автоматического анализатора Leco. В одной навеске почвы при температуре выше 1 000 °C определяют общий углерод. Другую навеску почвы обрабатывают соляной кислотой для освобождения от карбонатов. Образец высушивают при температуре 100 °C в течение 30 мин для удаления паров соляной кислоты, а затем определяют содержание органического углерода методом сухого сжигания на автоматическом анализаторе Leco. По разности величин находят содержание неорганического углерода. Критически оценивая этот способ, который часто рекомендуют использовать и в современных приборах, отметим: во-первых, снижение надежности определения содержания С орг за счет изменения массы навески при обработке ее кислотой; во-вторых, резкое падение производительности анализатора.

В ВИУА (Срапенянц и др., 1979) и в Почвенном институте им. В.В. Докучаева (Рентгенофлуоресцентный энергодисперсионный метод…, 1982) для разработки методики экспрессного определения содержания общего углерода и углерода органической части некарбонатных почв был использован автоматический анализатор DC-12 фирмы Leco (США). Как показали исследования, при определении углерода в органической части карбонатных почв возникают затруднения, связанные с выбором температуры. Была предложена температура 650–700 °C, однако в этом случае не происходит, по-видимому, полного окисления органического вещества почвы. Кроме того, при значительном содержании карбонатов они могут даже при сравнительно низких температурах сжигания почвенного образца вносить заметный вклад в количество определяемого углерода. Существенно искажают результаты анализа и присутствующие в почве карбонаты магния и другие неорганические соединения, способные образовывать CO2 в том же интервале температур, что и органическое вещество почвы.

В Почвенном иснтитуте им В.В. Докучаева на базе автоматического анализатора АН-7529 была предложена методика определения содержания общего, органического и неорганического углерода в карбонатных почвах (Аналитическое обеспечение…, 1993) . В одной навеске почвы при ее сжигании (температура выше 1 000 °C) определяют общий углерод. Другую навеску почвы помещают в специально сконструированную приставку к прибору и обрабатывают раствором HClO 4 . Выделяющийся CO 2 карбонатов почв напрямую, минуя печь, поступает в поглотительный раствор, и его определяют с помощью метода кулонометрического титрования. По разности между количеством общего и неорганического углерода вычисляют органический углерод почвы. Производительность раздельного определения содержания неорганического и органического углерода в карбонатных почвах на анализаторе АН-7529 составила до 50 образцов в рабочую смену.

Особо следует остановиться на сравнительной оценке метрологических характеристик определений содержания углерода прямым способом сухого сжигания на автоматических анализаторах и косвенным методом по окисляемости Тюрина. Необходимо дать некоторые пояснения применяемым метрологическим характеристикам. Воспроизводимость и правильность являются основными показателями качества аналитической информации. Воспроизводимость относится к флуктуациям серии измерений случайной величины относительно центра распределения серии, правильность – к расхождению между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины. Проблема правильно- сти информации связана с другими проблемами, как, например, состоятельность информации: способности аналитических процедур адекватно отражать действительность. Надежным способом выявления и обеспечения правильности является создание стандартных образцов, аттестованных в межлабораторном эксперименте по составу и свойствам, и широкое использование их в аналитической практике в качестве калибровочных и контрольных (Большаков, 1992; Большаков и др., 1995; Метрологическое обеспечение…, 1988).

По авторитетному мнению Д.С. Орлова с соавторами (1996) : “ Все предложенные модификации метода Тюрина дают хорошую воспроизводимость результатов, … но не обеспечивают достаточную (примечание авторов) правильность результатов ”. Это заключение следует из анализа данных таблицы 2. Более того, правильность метода сухого сжигания даже в межлабораторном эксперименте превосходит таковую метода Тюрина во внутрила-бораторном (табл. 2 и 3).

Вывод Д.С. Орлова с соавторами (1996) о правильности метода Тюрина хорошо согласуется с таковым Nilson, Sommers (1996) , которые считают, что метод Уолкли–Блэка является приблизительным или полуколичественным для оценки содержания С орг .

В последнее время в международных и отечественных проектах поставлена цель уточнения оценок запасов органического углерода в почвах (Чернова, Голозубов, 2018; Soil Organic carbon mapping…, 2017) . В связи с вышеизложенным совершенно не ясна цель работ Глобальной сети почвенных лабораторий Glosolan, а в нашей стране – коллектива Института биологии Коми НЦ УрО РАН как Национальной референтной лаборатории Российской Федерации (Шамрикова и др., 2022; Shamrikova et al., 2022) по созданию новой модификации метода Тюрина.

Справедливости ради стоит отметить, что эта модификация несколько улучшает метрологические характеристики определения окисляемости ПОВ, но это не имеет никакого отношения к повышению точности определения содержания ПОУ.

Таблица 2. Результаты определения содержания С орг методом Тюрина в различных модификациях во внутрилабораторном эксперименте (Орлов и др., 1996)

Table 2. Results of determination of С org content by Tyurin's method in different modifications in intralaboratory experiment (Orlov et al., 1996)

Метод	Чернозем выщелоченный, гор. А 1		Дерновоподзолистая почва, гор. А 1
	n	M ± tm	n	M ± tm
Сухое сжигание (анализатор АН-7529)	4	5.43 ± 0.01	4	2.36 ± 0.00
Метод Тюрина без катализатора	4	4.17 ± 0.30	4	1.75 ± 0.06
Метод Тюрина с катализатором	4	4.93 ± 0.10	4	2.14 ± 0.06
Метод Тюрина в модификации Никитина, 20 мин, 150 °C	4	3.78 ± 0.03	4	1.63 ± 0.01
Метод Тюрина в модификации Никитина, 30 мин, 160 °C	4	4.23 ± 0.08	4	1.86 ± 0.03
Метод Тюрина в модификации Никитина с катализатором, 30 мин, 160 °C	4	4.69 ± 0.02	4	1.99 ± 0.05
Метод Тюрина в модификации Антоновой, Скалабана, Сучилкиной	4	3.71 ± 0.15	4	1.55 ± 0.02

Таблица 3. Результаты аттестации стандартных образцов СП1 и СП2 на содержание органического углерода способом сухого сжигания в различных организациях (Аналитическое обеспечение…, 1993)

Table 3. Results of certification of standard samples СП1 and СП2 in terms of C org content by dry combustion method in different organizations (Analytical support…, 1993)

Тип анализатора	Организация	Статистические параметры
		M	S	m	S
СП-1 Курский чернозем
	Почвенный институт им. В.В. Докучаева	3.54	0.05	0.02	1.3
АН-7529	Геологический	3.69	0.05	0.02	1.3
	факультет МГУ ИГЕМ*	3.59	0.03	0.01	0.9
	ПИСХ** Каунас	3.72	0.04	0.02	1.1
ВИУА-	ПИСХ** Харьков	3.99	0.06	0.03	1.6
Хереус	ПИСХ** Саратов	3.80	0.04	0.02	1.1
	ВИУА***	3.64	0.05	0.02	1.5
	Почвенный институт	3.47	0.10	0.04	2.9
Леко	им. В.В. Докучаева ВИУА***	3.53	0.02	0.01	0.6
СП-2 Московская дерново-подзолистая почва
	Почвенный институт им. В.В. Докучаева	0.49	0.01	0.003	1.5
АН-7529	Геологический	0.60	0.01	0.004	1.8
	факультет МГУ ИГЕМ*	0.59	0.01	0.01	2.4
	ПИСХ** Каунас	0.55	0.02	0.01	3.3
ВИУА-	ПИСХ** Харьков	0.61	0.01	0.01	2.1
Хереус	ПИСХ** Саратов	0.71	0.02	0.01	3.0
	ВИУА***	0.45	0.05	0.02	11.4
	Почвенный институт	0.63	0.03	0.01	5.4
Леко	им. В.В. Докучаева ВИУА***	0.39	0.02	0.01	5.6

Примечание. ^*Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, ^**Проектно-изыскательская станция химизации, ^***Всероссийский институт удобрений и агрохимии им. Д.Н. Прянишникова.

Хорошо известно, что ранее было предложено множество модификаций метода Тюрина, но ни одна из них не получила доминирующего распространения как в почвенных исследованиях СССР, стран Восточной Европы, так и в таковых в современной России.

Предлагаемая указанными выше авторами цель обобщения накопленных данных по содержанию ПОУ, определяемых по окисляемости методами Тюрина и Уолкли–Блэка, в почвах России и Мира в современных условиях устарела и не приведет к повышению точности оценок запасов ПОУ на глобальном и региональном уровне. Следует также отметить, что сделанные ранее оценки запасов ПОУ, основанные на базах данных по содержанию ПОУ, определенного по методу Тюрина, в почвах России сильно отличались у разных авторов. Одной из причин этого, по мнению (Когут и др., 2021) , является результат анализа данных, полученных различными вариантами метода Тюрина.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, обоснованность преимущества прямого метода сухого сжигания на автоматических анализаторах, по сравнению с косвенным методом Тюрина по окисляемости, для определения содержания ПОУ, как с теоретических, так и с метрологических позиций не вызывает сомнений. Рекомендовано при мониторинге содержания и запасов органического углерода в почвах использовать метод сухого сжигания на автоматических анализаторах.