Способ определения в почве биодоступных форм анионов

(51) 01 11/00 (2006.01) 01 31/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Способ включает приготовление водной суспензии почвенного образца,осветление суспензии фильтрацией и количественное определение в фильтрате целевых анионов, отличающийся тем, что для селективной и одновременной экстракции анионов фосфора, азота и серы используют катионообменную смолу в протонированной (Н) форме в количестве эквивалентной емкости катионного обмена почвенного образца в пересчете на навеску почвенной пробы. Процесс экстракции с ионообменной смолой проводят при постоянном перемешивании при температуре 15-25 С при нормальном атмосферном давлении в течение не менее 15 мин. Количественную оценку биодоступных форм фосфора, азота и серы проводят с использованием известных методов количественного анализа.(76) Султанбаев Еркен Амантаевич Султанбаев Бейбыт Еркенович(56) ГОСТ 26207-91. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИАНО(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ПОЧВЕ БИОДОСТУПНЫХ ФОРМ АНИОНОВ(57) Способ определения в почве биодоступных анионов может использоваться в отраслях почвоведения, агрохимии, экологии, биохимии и физиологии растений для оценки потенциального плодородия почв. Сущностью изобретения является использование ионообменной экстракции для избирательной количественной оценки доступных растениям форм анионов фосфора, азота и серы. Изобретение относится к областям почвоведения, агрохимии, экологии, биохимии и физиологии растений. Определение компонентов анионных форм минерального питания растений является ключевым звеном в оценке потенциального плодородия почв и проведения агрохимических мероприятий с целью повышения урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. Адекватная оценка плодородия почв возможна только при избирательном определении только подвижных форм почвенных анионов (фосфат, нитрит, нитрат,сульфат), доступных для ассимиляции корнями растений. Доступные растениям элементы минерального питания в почве находятся в свободном и связанном состоянии. Свободные формы легко экстрагируются в воде, однако,большая часть анионов, в особенности фосфат и сульфат, в почве находятся в связанном состоянии. В настоящее время для определения в почве подвижных форм анионов,почвенноагрохимическая практика использует большое количество способов. Эти способы основаны на экстракции анализируемых элементов из почвы добавлением химических реагентов различной концентрации и их количественное определение в осветленной фильтрацией водной вытяжке. Известны способы определения подвижного фосфора, включающие извлечение фосфатов(НРО 4)-2 из почвенной пробы добавлением водных растворов химических реагентов соляной кислоты(НС) 0,2 моль/дм 3 (ГОСТ 26207-91. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИАНО) углекислого аммония 4)2 О 3) 10 г/дм 3(ГОСТ 26205-91. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Мачигина в модификации ЦИАНО) уксусной кислоты(СН 3 СООН) 0,5 моль/дм 3 (ГОСТ 26204-91. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Чирикова в модификации ЦИАНО) серной кислоты (2 О 4) 0,1 моль/дм 3(ГОСТ 26206-91. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Ониани в модификации ЦИАН). Известны способы определения азота, включающий извлечение нитратов (3)-2 из почвенной пробы добавлением водных растворов химических реагентов калия хлористого (С) 1 моль/дм 3 (ГОСТ 26488-85. Почвы. Определение нитратов по методу ЦИАНО) алюмокалиевых квасцов (4(О 4)212 Н 2) 10 г/дм 3 (ГОСТ 26205-91. Почвы. Определение нитратов ионометрическим методом). Известен способ определения подвижной серы, включающий извлечение сульфатов (4)-2 из почвенной пробы добавлением водного раствора хлористого калия(С) 1 моль/дм 3 (ГОСТ 26490-85. Почвы. Определение подвижной серы по методу ЦИАНО). Известные способы определения подвижных элементов фосфора, азота и серы в зависимости от применяемого реагента и анализируемого типа почв приведены в таблице 1. Использование водных растворов кислот и солей для экстракции целевых анионов обусловлено тем,что минеральные формы этих ионов в почве связаны коллоидно-глинистой и органической фракциями почв. Анионы в почве иммобилизованы ионами металлов (кальций, магний, натрий, калий и т.д.),которые входят в состав коллоидно-глинистой и органической фракциях почв. Недостатком этих методов является то, что для экстракции анализируемых элементов из почвы в водный раствор используется низкие значенияи высокая ионная сила, которые не свойственны естественным почвенным условиям. Количество экстрагируемых минеральных компонентов в большей степени зависит от концентрации и экстрагирующей силы кислот и солей используемых для анализа и продолжительности процесса экстракции. Выбор известного способа для анализа почв обусловлен субъективным фактором,которым является классификация почв по их типу, и не связан с физико-химическими особенностями почвы. Поэтому эти способы анализа имеют низкую избирательность по отношению к биодоступным для растений формам фосфора, азота и серы. Более того,эти способы не могут быть использованы для одновременной экстракции анионов фосфата,нитрита, нитрата и сульфата и не обладают универсальностью для анализа разных типов почв. Применение химических реагентов для экстракции анионов из почвы может приводить к выщелачиванию прочносвязанных элементов фосфора, серы и азота из кристаллической решетки минеральных комплексов и гидролизу фосфора и серы из органических соединений почвы. Однако,такие прочносвязанные элементы фосфора, азота и серы не ассимилируются корнями растений и соответственно не должны учитываться при оценке потенциального плодородия почв. С другой стороны использование известных методов экстракции может приводить к занижению содержания в почве биодоступных форм фосфора, азота и серы, так как экстрагирующее действие применяемых реагентов нейтрализуется высокой щелочностью некоторых типов почв. Таким образом, основным недостатком известных способов анализа почв является низкая избирательность и достоверность при количественной оценке биодоступных форм анионов фосфора, азота и серы. Отличительным признаком заявляемого способа является использование ионообменного замещения катионов экстрагируемых анионов на полимерном катионообменном твердофазном носителе в Н форме, при котором для экстракции целевых анионов вместо обработки почвенной пробы водным раствором углекислого аммония (ГОСТ 26205-91. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Мачигина в модификации ЦИАНО) к водной суспензии почвенного образца в воде добавляется катионообменная смола в Н форме. Соотношение навески почвенной пробы ( 0,01 г) к объему добавляемой воды ( 0,1 мл) может варьировать от 13 до 110 соответственно. Добавление твердофазного ионообменника к водной почвенной суспензии приводит к обмену противоионов фосфата, нитрита, нитрата и сульфата на протоны водорода (Н), что вызывает экстракцию этих анионов в водный раствор. При этом прочносвязанные формы элементов фосфора, азота и серы, которые входят в состав кристаллической решетки минералов или входят в состав органических молекул не экстрагируются. Количество добавляемой для экстракции катионообменной смолы зависит от обменной емкости используемого ионообменника и должно быть эквивалентно емкости катионного обмена почвы в пересчете на навеску почвенного образца используемого для анализа. Таким образом,количество добавляемого для экстракции ионообменника связано с обменными свойствами используемого ионообменника и физикохимической характеристикой, которая отражает обменные свойства почвы (ГОСТ 17.4.4.01-84. Почвы. Методы определения емкости катионного обмена). Процесс ионообменной экстракции в водной почвенной суспензии проводят при постоянном перемешивании в течение не менее 15 минут при комнатной температуре 15-25 С при нормальном атмосферном давлении. Более продолжительная экстракция не влияет на количественные результаты анализа. Водную суспензию почвенного образца с ионообменником осветляют фильтрацией через бумажный фильтр. Содержание целевых анионов в осветленном водном растворе анализируют с использованием известных методов количественного анализа. Для одновременного анализа фосфата, нитрита, нитрата,сульфата из одной пробы используется методы ионообменной хроматографии анионов или капиллярный электрофорез (ГОСТ 52181-2003. Вода питьевая. Определение содержания анионов методами ионной хроматографии и капиллярного электрофореза). Для количественного анализа фосфата используется фотометрический метод по определению синего фосфорно-молибденового комплекса (ГОСТ 26205-91. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Мачигина в модификации ЦИАНО). Для количественного анализа азота нитратов используется электрохимический метод с использованием нитрат селективных электродов(ГОСТ 26205-91. Почвы. Определение нитратов ионометрическим методом) или фотометрический метод определения нитратов восстановленных до нитритов в виде окрашенного диазосоединения(ГОСТ 26488-85. Почвы. Определение нитратов по методу ЦИАНО). Для количественного анализа серы используется турбодиметрический метод определения сульфата бария по оптической плотности (ГОСТ 26490-85. Почвы. Определение подвижной серы по методу ЦИАНО). Предлагаемый способ определения биодоступных для растений анионов фосфора, азота и серы путем замещения катионов экстрагируемых анионов на ионообменном носителе в водной почвенной суспензии моделирует процессы ионного обмена, которые проходят на ионообменных центрах коллоидно-глинистой и органической фракции почв в естественных условиях. При этом в водный раствор экстрагируются только те формы фосфора, азота и серы, которые в естественных условиях способны участвовать в процессах ионообменного замещения, протекающих в почве при ассимиляции минеральных форм питания корнями растений. В процессе ионообменной экстракции не изменяется ионная сила ипочвенной суспензии. Достоверность и селективность анализов предлагаемого способа подтверждается при использовании метода добавок. Для проверки использовали минеральные добавки легко диссоциируемых солей фосфора (24),азота (2, 3) и серы (24) к почвенным пробам. Эти соли относятся к доступным растениям источникам фосфора и азота и серы, и широко применяются в практике культивирования растений на гидропонных беспочвенных водных средах( 1938,. ,.,, ). В таблицах 2,3,4 показаны результаты,полученные с использованием предлагаемого способа и известными способами,использующих экстракцию анализируемых элементов добавлением химических реагентов. Результаты показывают, что заявляемый способ имеет высокую избирательность к биодоступным формам фосфора, азота и серы, т.к. экзогенные добавки биодоступных форм фосфора, азота и серы с высокой достоверностью отражаются в результатах анализа. Основные преимущества заявляемого способа в сравнении с известными способами являются высокая селективность и достоверность при определении биодоступных для растений форм анионов возможность одновременного определения анионов фосфора,азота и серы из одной почвенной пробы универсальность способа для анализа всех типов почв. Сущность способа определения в почве биодоступных форм анионов фосфора, азота и серы заключается в том, что к точной навеске воздушно сухой пробы почвы приливают деминерализованную воду с удельной электропроводностью менее 2 мкС/см. Соотношение навески почвенной пробы (0,01 г) к объему добавляемой воды (0,01 мл) может варьировать от 13 до 110 соответственно. После перемешивания суспензии в нее добавляют сильнокислотный катионообменник с сульфоновыми(-3) ионогенными группами в протонированной (Н) форме с обменной емкостью 0,5-5,0 мг-экв/г. Количество катионообменной смолы добавляемой к водной почвенной суспензии эквивалентно емкости катионного обмена почвенного образца в пересчете на навеску почвенной пробы. Для экстракции также можно использовать среднекислотный катионообменник с фосфоновыми (-РО(ОН)2) ионогенными группами, или слабокислотный катиоонобменник с карбоксильными (-СООН) 3 ионогенными группами с обменной емкостью 0,55,0 мг-экв/г в протонированной (Н) форме. После добавления катионообменника почвенные пробы перемешивают на орбитальном шейкере 150200 об/мин при комнатной температуре при нормальном атмосферном давлении в течение не менее 15 мин. Более продолжительная инкубация почвенной суспензии с ионообменником на выход анализируемых элементов не влияет. Почвенную суспензию переносят на бумажный фильтр. Первую порцию фильтрата отбрасывают. Фильтрат почвенного экстракта используют для количественного определения анионов фосфата,нитрата, нитрита и сульфата методом ионообменной хроматографии на жидкостном хроматографе,оснащенный изократическим насосом,автоматическим пробоотборником,кондуктометрическим детектором и компьютерной системой с программным обеспечением для обсчета хроматограмм. Для анализа анионов используют анионообменную колонку -фирмы, размером 4.675 мм, зернением 6 мкм. Непосредственно перед анализом пробу фильтруют через ПВДФ гидрофильный мембранный фильтр 0.45 мкм. Объем анализируемой пробы 0,1 см 3. Для количественных расчетов используют калибровку полученную с применением государственных стандартных образцов (ГСО) состава растворов фосфат-, нитрит-, нитрат- и сульфат- ионов с относительной погрешностью 1. Количественное содержание биодоступных форм анионов в почвенной пробе пересчитывают исходя из содержания анионов в фильтрате почвенного экстракта, навески почвенного образца и объема воды использованной для приготовления почвенной суспензии. Способ определения в почве биодоступных форм анионов. Таблица 1 Сравнение известных способов определения в почве подвижных форм анионов фосфора, азота и серы используемых в зависимости от типа анализируемых почв Известные способы ГОСТ 26207-91, Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИАНО 1 ГОСТ 26205-91, Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Мачигина в модификации ЦИАНО 2 ГОСТ 26204-91, Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Чирикова в модификации ЦИАНО 3 ГОСТ 26206-91, Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Ониани в модификации ЦИАНО 4 ГОСТ 26488-85, Почвы. Определение нитратов по методу ЦИАНО 5 ГОСТ 26205-91, Почвы. Определение нитратов ионометрическим методом 6 ГОСТ 26490-85, Почвы. Определение подвижной серы по методу ЦИАНО 7 Реагент для экстракции Тип почвы соляная кислота (НС) подзолистые, дерново 0,2 моль/дм 3 подзолистые, серые лесные и другие почвы лесной зоны углекислый аммоний сероземы, серо-бурые, бурые,4)2 О 3) 10 г/дм 3 каштановые, черноземы, и карбонатные почвы уксусная кислота черноземы, серые лесные и(СН 3 СООН) другие почвы степной и 0,5 моль/дм 3 лесостепной зон серная кислота (2 О 4) красноземы 0,1 моль/дм 3 калий хлористый (С) 1 моль/дм 3 алюмокалиевые квасцы все типы почв все типы почв Таблица 2 Сравнение результатов известных способов определения подвижного фосфора и заявляемого способа определения биодоступного аниона фосфора в почвенных образцах с вариантами добавления экзогенного фосфора в форме 24 в пересчете на содержание Р 2 О 5 Определение подвижного фосфора (средние значения Р 25 из 3-х повторений), мг/кг Заявляемый Известный Известный Известный способ способ 1 способ 2 способ 3 24,6 6,2 18,8 6,8 56.2 32,2 Определение подвижного фосфора (средние значения Р 25 из 3-х повторений), мг/кг Заявляемый Известный Известный Известный способ способ 1 способ 2 способ 3 68,0 44,8 Таблица 3 Сравнение результатов известных способов определения подвижного азота и заявляемого способа определения биодоступных анионов азота в почвенных образцах с вариантами добавления экзогенного азота в форме нитрита натрия 2 или нитрата натрия 3. Приведены результаты по содержанию нитритов 2 и 3 в мг/кг и в пересчете на содержание азота , мг/кг Определение подвижного азота. Среднее значение О 2 или 3 из 3-х повторений в пересчете на , мг/кг Заявляемый способ Известный Известный способ 5 способ 6 О 2 О 3,О 3 О 3 7.4 (2.3) 56.5 (12.7) 24.2 (5.5) 38.9 (8.8) 27.6 (8.4) 146 (33.2) 56.7 (12.8) 108(24.5) 5.6 (1.7) 78.4(17.7) 26.1 (5.9) 46.5 (10.5) 22.0 (6.3) 154 (35.0) 60.2(13.6) 102.2 (23.1) 15.2 (4.6) 29.2 (8.9) 12.6 (3.8) 25.9 (7.9) Таблица 4 Сравнение результатов известных способов определения подвижной серы и заявляемого способа определения биодоступных анионов сульфата в почвенных образцах с вариантами добавления экзогенной серы в форме сернокислого натрия 24 в пересчете на содержание 4 мг/кг ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ определения в почве биодоступных форм анионов, включающий приготовление почвенной суспензии из воздушно сухой навески почвы и Определение подвижной (средние значения 4 из 3-х повторений), мг/кг Заявляемый Известный способ 7 способ 102 120 158 134 96 117 154 128 84 68,5 131 76,1 94 72,4 138 89,6 воды, осветление суспензии фильтрацией и количественное определение в фильтрате экстрагированных анионов, отличающийся тем,что для селективной и одновременной экстракции биодоступных форм анионов фосфата, нитрита,5 нитрата и сульфата к водной почвенной суспензии добавляют катионообменную смолу в протонированной (Н) форме в количестве эквивалентной емкости катионного обмена почвенного образца в пересчете на навеску почвенной пробы, экстракцию с ионообменнной смолой проводят при постоянном перемешивании при температуре 15-25 С при нормальном атмосферном давлении в течение не менее 15 мин.