ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T. XXXVII, NR 2—3, S. 277—285, WARSZAWA 1986
SŁAWOMIR S. GONET, WOJCIECH WISNIEWSKI, KAZIMIERA WEGNER
W ŁAŚCIW OŚCI KW A SÓW HUM INOW YCH EKSTRAHOW ANYCH Z GLEB O RÓŻNYM NAW OŻENIU AZOTOW YM
Akadem ia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy
WSTĘP
K w asy hum inow e i fulw ow e sp ełn iają w glebie isto tn ą rolę, toteż w ie lu badaczy próbow ało określić w p ły w naw ożenia m ineralnego i orga nicznego n a skład zw iązków próchnicznych gleby [1, 8, 11, 12]. W doś w iadczeniach sk ierniew ickich naw ożenie obornikiem oraz obornikiem + N P K pow odow ało w zrost zaw artości kw asów hum inow ych [10, 11]. N atom iast in n i au to rzy nie uzyskali w iększych różnic w składzie fra k cy jn y m próchnicy, dających się p rzypisać zróżnicow anem u naw ożeniu [9— 12]. U w aża się, że kw asy hum inow e pochodzące z gleb naw ożonych obornikiem odznaczają się dużą ilością łańcuchów bocznych, słabo skon d ensow anym ją d re m arom atycznym , jak rów nież m ałą gęstością op tyczną, co św iadczyć może o ich „chem icznej m łodości” [11].
MATERIAŁ I METODY BADAŃ
Do badań użyto 8 próbek w a rstw y ornej gleb z dośw iadczenia naw o zowego, prow adzonego na glebie płow ej k o m pleksu żytniego dobrego w trz y le tn im zm ianow aniu: ziem niaki późne, żyto (ozime 1, żyto ozime 2. T rzy letn ie daw ki naw ożenia m ineralnego oraz ob ornika podano w tab . 1. N aw ożenie azotow e stanow iła sa le tra am onow a, fosforow e — superfo s- f a t jpotrójny, potasow e — sól potasow a.
Szczegóły dotyczące dośw iadczenia oraz w łaściw ości fizykochem iczne gleb przedstaw iono w osobne j p rac y [16].
Do e k stra k cji kw asów h u m inow ych z gleb posłużono się m etodą S c h n i t z e r a [13], polegającą n a jednorazow ej e k stra k cji zw iązków próchnicznych 0,5 M NaOH, po u p rzed n iej d ek alcytacji próbki. K o lejn e e ta p y frakcjo no w an ia p rze d staw ia ją się n astępująco:
T a b e l a 1 Trzyletnie dawki nawożenia mineralnego oraz obornika Three-year rates of mineral fertilizers and farmyard manure
1 Kombinacja j nawozowa ! Fertilizing 1 treatment 1 N kg/ha P kg/ha К kg/ha Obornik Farmyard manure t/ha 1 0 j 240 300 0 2 140 240 300 0 3 280 240 300 0 4 420 240 300 0 5 0 240 300 30 6 140 240 300 30 7 280 240 300 30 8 420 240 300 30
— d ek alcy tacja 0,25 M H2SC>4. P rz y ję to stosunek gleby do ro ztw o ru 1:10, czas e k stra k c ji 24 godziny. Po odw irow aniu ro ztw o ru pozostałość
przem yto w odą destylow aną do odczynu obojętnego; I
— e k stra k cja kw asów hum ino w y ch i fulw ow ych. Pozostałą po d ek al- cy tacji p róbkę gleby zalano 0,5 M NaOH (stosunek gleby do ro ztw o ru 1:10, czas ek stra cji 24 godziny). U zyskany ro ztw ór oddzielono od osadu przez w irow anie. O trzym any e k s tra k t zaw ierał kw asy hum inow e i fu l- wowe. Oznaczono w n im w ęgiel organiczny m etodą T iu rin a (CKh + CKf);
— w y trącan ie kw asów hum inow ych. O trzy m a n y e k s tra k t tra k to w a n o 2 M H 2S 0 4 i doprow adzając roztw ór do pH 2 strącono kw asy h u m i nowe. W ytrącon y osad odw irow ano, w roztw orze oznaczono w ęgiel k w a sów fulw ow ych (CKf). Z różnicy m iędzy sum ą w ęgla kw asów h u m in o w ych i fulw ow ych (Скь + CKf) oraz zaw artością w ęgla kw asów fu lw o w y ch (CKf) oznaczono w ęgiel kw asów hum inow ych (CKh);
— oczyszczanie kw asów hum inow ych. W ytrącone k w asy hum inow e 3 -k rotn ie w ytrząsano z roztw orem zaw ierającym 5 cm 8 stężonego kw asu fluorow odorow ego i 5 cm 3 stężonego k w asu solnego. Pozostałe kw asy h u m inow e odm yw ano w odą destylow aną do zan ik u rea k c ji na chlorki i su szono w ek sykatorze nad P 20 5. N astępnie ro zta rto je w m oździerzu aga tow ym i przechow yw ano w szczelnie zam kniętych naczynkach szklanych.
W otrzy m an ych p re p a ra ta c h kw asów hu m in ow ych oznaczono:
— g ru p y fu n k cy jn e karboksylow e i fenolow e m etodą S c h n i t z e r a i G u p t y [14]. G ru p y karboksylow e oznaczono m etodą z octanem w ap nia, n ato m iast całkow itą kwasowość (sum ę g ru p karboksylow ych i feno lowych) — z w odorotlenkiem b aru . Po dokonaniu obliczeń, z różn icy m iędzy całkow itą kw asow ością a ilością g ru p karboksylow ych w yliczono zaw artość gru p fenolow ych;
K w asy hum inowe gleb różnie nawożonych N 279
— w spółczynnik E4/6. S to su nek absorb ancji p rzy długościach fal 465 i 665 nm wyznaczono dla roztw orów kw asów hum inlowych w 0,025 M N a H C 0 3, stosując stężen ia kw asów hum in o w y ch rów ne 200 ^g/1 cm 3 [15]. P o m iaru dokonano na sp ektro fo to m etrze Specol 10;
— w idm a w podczerw ieni — rejestro w an o sp ek tro fo to m etrem Spe- kord 74 w zakresie 2,2— 1,5 nm (odpow iadającym liczbom falow ym 667— — 4550 cm -1) dla tab le te k kw asów hum in ow y ch z K B r, zużyw ając 3 m g p re p a ra tu kw asów hum inow y ch n a 400 m g K B r;
— w idm a w ultrafiolecie — w ykonano dla 0,001% roztw orów k w a sów hum inow ych w 0,025 M N a H C 0 3 [15].
B adane k w asy hum inow e oznakow ano n u m eram i zgodnym i z n u m e rac ją kom binacji naw ożenia gleb, z k tó ry ch p obrano próbki do analiz.
OMÓWIENIE WYNIKÓW I DYSKUSJA
P o czterech latach n a pod staw ie u zy skanych w yników stw ierdzono, że pod w pływ em zróżnicow anego naw ożenia azotow ego skład fra k c y jn y próchnicy, oznaczony m etodą S chnitzera, uległ niew ielkim ty lk o zm ia nom . Zanotow ano jedynie, że pod w pły w em w zrastającej daw ki naw o zów azotow ych w obiektach bez obornika w zrosła zaw artość kw asów fu l w ow ych (Cjcf), n ato m iast w obiektach naw ożonych obornikiem stw ie r dzono zależność odw rotną. P o rów n u jąc jed n a k średnie w y n ik i uzyskane z obiektów naw ożonych obornikiem i N PK z obiektam i naw ożonym i n a wozam i m in eraln y m i azotow ym i stw ierdzono, że połączone naw ożenie organiczn o-m ineraln e spowodow ało isto tn y w zrost ekstrah o w an ej sum y kw asów hum inow ych i fulw ow ych (CKh + CKf) oraz sam ych kw asów hum ino w ych (Скь)*
Biorąc pod uw agę znaczną rolę, jak ą sp ełniają kw asy próchniczne, a szczególnie kw asy hum inow e w procesach glebotw órczych i żyzności gleb n ależy uznać te n proces za bardzo korzystn y. U zyskane w yniki św iadczą o isto tn y m działaniu obornika w k ształto w an iu się składu frakcy jneg o próchnicy (tab. 2).
P ró b k i glebow e do analiz pobierano w rok po dru giej dawce oborni ka. P rz y jm u je się, że w ciągu jednego ro k u rozkłada się tylk o 60— 90% obornika, jeśli są oczywiście odpow iednie w a ru n k i klim atyczne, szcze gólnie w ilgotność. Poniew aż te n n iew ątp liw ie w ażny czynnik, w p ły w a jący n a p rocesy m in eralizacji obornika, nie był przedm iotem badań, nie m ożna w ykluczyć, że obserw ow ane zm iany w ilości w y ek strah o w an y ch połączeń próchnicznych b y ły okresow e i spow odow ane nagrom adzeniem się w glebie nie w pełni jeszcze rozłożonej m ate rii organicznej. M ogłaby ona w te d y przechodzić z gleby do ro ztw o ru w czasie ek stra k cji za< pom o cą ługów.
Ilościow ym zm ianom kw asów hum in o w y ch we w szystkich obiektach badanego dośw iadczenia nawozowego tow arzyszyły zm iany sto su n k u k w a
-S kład frakcyjny materii organicznej (CKh — węgiel kwasów huminowych, C*f — węgiel kwasów fulwowych) oraz właściwości wyekstrahowanych kwa sów huminowych z różnie nawożonych gleb
Fractional composition of organie matter (СКь — carbon of humic acids, CKf — carbon of fulvic acids) and properties of humic acids extracted from differently fertilized soils
Kombinacja nawozowa Węgiel ogółem Total carbon c og %. Azot ogółem Total nitrogen N oa% C/N Cith+Ск! w-in Ckh w-in CKf w-in Ckh A В С E4/6 Fertilizing
treatment % Cog % coa % c0,
1 CkT meq/g 1 2 3 4 0,677 0,745 0,800 0,704 0,072 0,082 0,062 0,075 9.42 9,00 12,00 9.43 30,48 27,23 29,15 30,30 15,99 16,93 17,44 17,08 14,49 10,29 11,71 13,21 1,10 1,64 1,72 1,29 9.7 9.7 9.8 10,0 6.9 6.9 7.0 7.1 2,8 2,8 2.9 2.9 5,1 5,0 4,7 4,9 X 2, 3,4 0,750 0,075 10,14 28,89 17,18 11,40 1,55 9,8 6,9 2,8 4,9 5 0,859 0,084 9,80 35,98 20,65 15,33 1,34 9,7 6,4 3,3 5,5 6 0,830 0,086 9,70 33,32 19,51 13,81 1,41 9,6 6,7 2,9 5,1 7 0,807 0,083 9,75 34,15 20,08 14,07 1,43 9,5 6,5 2,9 5,2 8 0,866 0,072 13,07 31,15 19,68 11,44 1,72 9,2 6,8 3,0 5,2 1 6 , 7 , 8 0,834* 0,080 10,84 32,86* 19,76* 13,01 1,52 9,5 6,7 3,0 5,3
* Istotne przy a=0,05 Significant at a=0.05
A — całkowita kwasowość — total acidity В — zawartość grup -COOH — content of -< С — zawartość grup -OH — content of -ОН
COOH groups groups
K w asy hum inowe gleb różnie nawożonych N 281
sów hu m in ow ych do kw asów fulw ow ych CKh/CKf. Na obiekcie k o n tro l n y m (1) sto su n ek te n w ynosił 1,1, n a obiekcie naw ożonym obornikiem (5) 1,34, n a to m ia st średn ie w arto ści tego sto su n k u n a glebach naw ożonych w yłącznie naw ozam i m in e raln y m i azotow ym i ( X 2, 3, 4) oraz obornikiem + N P K ( X 6, 7, 8), b y ły zbliżone i w y n osiły 1,52— 1,56.
N a po dstaw ie bad ań kw asów hu m inow ych w y ek strah o w an y ch z gleb o różn ym naw ożeniu m ożna ogólnie stw ierdzić, że są one w zasadzie p o dobne. N ie stw ierdzono różnic w ilości g rup karboksylo w ych i fenolo w ych dających się p rzypisać stosow anem u naw ożeniu. N atom iast w spół czynnik E4/ e p rzy jm o w ał nieco wyższe w arto ści d la gleb naw ożonych obornikiem + N PK . Z b a d ań p rzeprow adzonych przez S c h n i t z e r a [14, 13] w ynika, że w spółczynnik te n /m a le je ze w zrostem m asy cząstecz kow ej kw asów próchnicznych, zaw artości w ęgla w cząsteczkach ty ch k w a sów oraz ilości g ru p karboksylow ych. Na te j jpodstawie m ożna w niosko wać, że k w asy hum inow e w yizolow ane z gleb obiektów naw ożonych obor n ikiem + N PK m ają nieco iniższą m asę cząsteczkow ą niż w yodrębnione z gleb obiektów z naw ożeniem m ineraln ym .
A nalizując przebieg w idm w podczerw ieni (ryc. 1) zaobserw ow ano w m iarę w zro stu daw k i m in eraln ego naw ożenia azotow ego zm niejszenie in tensyw ności pasm a absorpcyjnego w zakresie 1510— 1530 cm _1 (zarów no dla obiektów naw ożonych, jak i nie naw ożonych obornikiem ). Poniew aż
Ryc. 1. Widma w podczerwieni kw asów 'huminowych ekstrahow anych z gleb o różnym nawożeniu
A — w zakresie 2800—3600 c m - 1, В — w zakresie 1000—1800 c m - 1 Fig. 1. IR spectra o f humic acids extracted from differently fertilized soils
zakres te n -odpowiada d rganiom w iązań С = С w zw iązkach arom atycz ny ch [2, 5, 6], m ożna przypuszczać, że w sk u tek zw iększającej się daw ki naw ożenia m inaralnego azotow ego zachodzą zm iany w e w łaściw ościach kw asów hum inow ych, zm ierzające w k ie ru n k u zm niejszenia g ru p aro m aty czny ch zaw arty ch w ty ch kw asach.
S tw ierdzono rów nież odm ienny obraz w idm a w zakresie 1600— 1700 cm -1 dla o biektu 5 w p oró w n an iu z in n y m i próbkam i, co może być spo w odow ane szczególnie dużą „arom atycznością” tego p re p a ra tu kw asów hum inow ych. W arto zaznaczyć, że podobne re z u lta ty uzyskał Ł a k o m i e ć [12], k tó ry rów nież stw ierdził podobne stosunki na podstaw ie b a d a ń w idm IR kw asów hum inow ych w y ek strah o w an y ch z gleb naw ożo ny ch obornikiem .
Ryc. 2. Widma w ultrafiolecie kw a sów hum inowych ekstrahowanych
z gleb o różnym nawożeniu Fig. 2. UV spectra of humic acids extracted from differently fer tili
zed soils
Om ówione różnice są jedn ak niew ielkie i niepew ne. W skazuje to n a potrzebę zastosow ania (równolegle in n y ch m etod w badaniach.
W idm a kw asów hum in ow y ch uzyskane w u ltrafiolecie (ryc. 2) są ana logiczne do w idm n a tu ra ln y c h zw iązków organicznych zaw ierający ch og niw o aro m aty czne [3]. Są rów nież podobne do w idm związków zaw iera jących znaczne ilości grup chrom oforow ych, sprzężonych z ogniw iem arom aty czn ym drobin [4, 15].
W edług D u b i n a [3] in te rp re ta c ji podd aje się p a s m a w zakresie 275— 280 nm , k tó ry c h intensyw ność m iałaby być uzależniona od arom a tycznego c h a ra k te ru kw asów (huminowych. W naszych badaniach s tw ie r dzono najniższą absorpcję dla kw asów hum inow ych z obiektu 8, nawożo nego obornikiem + N PK , oraz obiektów 3 ji 4 naw ożonych w yłącznie n a w ozam i m in eralnym i. D la pow yższych p róbek analiza IR w y kazała ró w nież m niejszą „arom atyczność” .
K w asy hum inowe gleb różnie nawożonych N 283
P odsum ow ując (należy stw ierdzić, że pom im o zasadniczego podobień s tw a zw iązków hum u sow y ch z gleb o zróżnicow anym naw ożeniu, w y stę p u ją jed n ak pew ne isto tn e różnice w ich w łaściw ościach.
WNIOSKI
— N aw ożenie obornikiem spowodow ało w zrost sum y fra k c ji kw asów h u m ino w y ch i fulw ow ych, a także w zrost sam ych kw asów hum ino w y ch ekstrah o w an y ch m etodą S chnitzera, w p o ró w n an iu z obiektam i nawożo n y m i w yłącznie naw ozam i .m ineralnym i.
— W łaściw ości kw asów hum inow ych w y ek strah o w an y ch z gleb o róż n y m naw ożeniu były na ogół podobne. K w asy hum inow e pochodzące z obiektów naw ożonych naw ozam i m in eraln y m i oraz obornikiem odzna czały się najw yższą w arto ścią w spółczynnika E4/6. Ze w zrostem daw ki m ineraln eg o naw ożenia azotowego następow ało zm niejszenie „arom atycz- ności” kw asów hum inow ych, n ato m iast działanie obornika było o d w ro t ne.
LITERATURA
£1] B o r a t y ń s k i K., K o w a l i ń s k i S.: {Skład frakcyjny zw iązków próchnicz nych gleb wytw orzonych w różnych strefach bioekologicznych. Rocz. glebozn. 12, 1962, 85—97.
•12] D r o z d J., J o n g e r i u s A., K o w a l i ń s k i S.: T he properties of hum us compounds in som e dutch podzol soils. Department of Soil Sei. Academ y of Agriculture, W rocław Poland 1978, 65—75.
[3] D u b i n В.: Tierm owiesnowaja charaktieristika i kineticzeskije parametry tierm odiestrukeji gum usowych kisłot osnownych tipow poczw Mołdawii. Poczw owied. 9, 1970, 70—88.
{4] F l i p Z., H a i d e r K., B e u t e l s p a c h e r H., M a r t i n P.: Comparision of IR-spectra from m elanins of microscopis soil fungi, humic acids and mo
del phenol polymers. Geoderma 11, 1974, 37—52.
{5] G o h K. M., S t e v e n s o n F. J.: Comparision of infrared spectra of synthetic and natural humic and fulvic acid. Soil Sei. 112, 1971, 6, 341—392.
[6] G o ł ę b i o w s k a D.: M etody optyczne w badaniach substancji hum usowych. Zesz. nauk. WSR w Szczecinie 32 1970, 133—142.t ł
[7] K o n o n o w a N., B i e l i c z k o w a J.: Uskoriennyej m ietody opriedielenija sostawa gumusa m inieralnych ^poczw. Poczwowied. 10, 1961, 75—87.
[8] K o w a l i ń s k i S., D r o z d J., L i с z na г М.: Badania nad w yczerpującą analizą frakcjonowania zw iązków próchnicznych niektórych gleb. Rocz. glebozn. 24, 1973, 1, 103—127.
[9] K o w a l i ń s k i S.. D r o z d J., . L i c z n a r M.: Skład frakcyjny zw iązków próchnicznych pod roślinnością uprawianą w m onokulturze i zm ianowaniu.
Zesz. nauk ART Olsztyn, Rolnictwo 29, 1980, 23—31.
[10] K o w a l i ń s k i S., D r o z d J., L i c z a r M.: Związki próchniczne na tle ich fizykochem icznych w łaściw ości. Rocz. glebozn. 24, 1973, 1, 3—35.
[11] K u s z e w s k i L.: W pływ nawożenia, organicznego i mineralnego na zawar tość i niektóre w skaźniki jakościow e substancji próchicznych ( gleby. Rocz. Nauk roi. 98, 1972, 1, 7—27.
[12] Ł a k o m i e ć J.: Przem iany substancji organicznych w .glebie pod w pływ em zm ianowania i nawożenia. Sprawozdanie MR II-23.8. PAN, 1983.
[13] S c h n i t z e r M., K h a n fi.: Soil organie matter. E lsevier Sc. Pub. Comp. Amsterdam^ London, N ew York 1978.
[14] S c h n i t z e r M4j G u p t a U.: D eterm ination of acidity on soil organic matter. Soil Sei. Am . Proc. 29, 1970, 3, 274—277.
[15] T h e n g B. K., W a k e J., P o s n e r A.: The humic acids extracted by va rious reagents a soil. II ;Lnfra-red, visible, and ultra-violet absorption spectra.
Journal of Soil Sei. 18, 1967, 2, 349—363.
[16] W i ś n i e w s k i W., W e g n e r K., G o n e t S. S.: W pływ m ineralnego i orga nicznego nawożenia azotowego na jakość próchnicy. Rocz. glebozn. w tym nu merze, str. 287—294. С. С. ГОНЭТ, В. ВИСЬНЕВСКИ, К. ВЕГНЕР СВОЙСТВА ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ЭКСТРАГИРОВАННЫХ ИЗ ПОЧВ РАЗЛИЧНО УДОБРЯЕМЫХ АЗОТОМ Сельскохозяйственно-технический университет в Быдгоще Р езю м е В удобрительном опыте с 3-поллным севооборотом (картофель, озимая рожь, озимая рожь) исследовали восемь образцов почвы. Образцы были отобраны из полей различно удобряемых азотом (140, 280 и 420 кг N/ra за на 3 года) с внесением или без внесения стой лового навоза. Гуминовые кислоты экстрагировали по методу Шнитцера (однократная экстракция 0,5 M NaOH после декадтцитации). Для полученых препаратов гуминовых кислот определяли состав функционных групп, коэффициент Е4/6, а также спектры ИК и УФ Удобрение стойловым навозом приводило к существенному повышению суммы гуминовых и фульвовых кислот или одних гуминовых кислот. В вариантах без стойлового навоза с по вышенным уровнем азотного удобрения наблюдался прирост фульвовых кислот. В вариан тах со стойловым навозом было оборатное соотношение. Свойства экстрагированных гуми новых кислот были, в общем, сходными. Гуминовые кислоты из почв удобряемых стойло вым навозом показывали более высокие значения коэффициента Е4/6 и несколько более узкий предел спектра УФ в сравнении с гуми новыми кислотами из почв с одним минераль ным удобрением. Не установлены существенные различия в составе функционных групп гуминовых кислот из образцов отобранных с различно удобряемых объектов. Анализ ИК спектров указывал на более слабую ароматическую структуру гуминовых кислот под воз действием азотного удобрения.
Kwasy huminowe gleb różnie nawożonych N 2 8 5
S. S. GONET, W. WIŚNIEWSKI, K. WEGNER
PROPERTIES OF THE HUMIC ACIDS EXTRATED FROM THE SOILS WITH DIFFERENT NITROGEN FERTILIZATION
U niversity of Technology and Agriculture in Bydgoszcz
S u m m a r y
Eight sam ples of soils from a fertilizing experim ent w ith three-year crop rotation (potatoes, w inter rye, w inter rye) w ere investigated. The sam ples w ere taken from th e fields w ith different nitrogen fertilization (140, 280 and 420 kg N /ha for three years) applied w ith or without farm yyard manure. Humic acids w ere extracted according to Schnitzer (one tim e extraction w ith 0.5 M NaOH after decalcitation). For the obtained humic acid preparations the com position of func tional groups, E4/ 6 coefficient and IR and UV spectra w ere determined. Farmyard m anure caused a significant increase of the extracted sum of humic and {fulvic acids and humic acids only. In the treatm ents w ithout farmyard manure, an incre m ent of the content of fulvic acids along w ith an increase of the nitrogen fertili zation rate w as observed. In the treatm ents w ith farm yard manure the above rela tionship showed an opposite effect. Properties o f the extracted humic acids jwere, on the whole, similar. Humic acids from soils fertilized w ith farm yard manure show ed higher value of E4/ 6 coefficient and som ewhat less abstorption in the UV range as compared w ith humic acids from soils w hich w ere fertilized only w ith m i neral elem ents. No significant differences in the com position of functional groups of hum ic aaids from the sam ples taken from the treatm ents of different fertilization w ere found. The analysis of IR spectra suggests the decrement of the humic acid "aromatic structure” under the nitrogen fertilization effect.
D r S. S. G onet Z akład C hem icznych P odstaw R olnictw a ATR B yd g o szcz, B ernardyń ska 6
