Influence of various factors on the assessment of the total alkalinity of soils on carbonate rocks

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The dynamism of carbon pools and flows in landscapes requires special attention to methods and means for measuring all carbon components. An important component of the carbon budget of carbonate geosystems is dissolved inorganic carbon, part of which is carried out by surface and lateral flows into water bodies, which requires attention to assessing the total alkalinity (TA) of soils. Analysis of soils of the Polar Urals with CaCO3 content from 0 to 100% revealed factors influencing the value of their TA: a) method of soil preparation and water extract (ratio of soil mass and volume of distilled water mS : VH2O, quality of separation of solid and liquid phases); b) option of fixing the end point of titration of extracts with acid; c) the presence of organic acids with pKa less than 4.4. The latter reduce the content of bicarbonate ion by converting it into carbonic acid, which is not measured titrimetrically. This mechanism is confirmed by: a) analysis of model solutions of sodium bicarbonate and formic (pKa = 3.75), tartaric (pKa1 = 3.04, pKa2 = 4.37), malic (pKa1 = 3.46) acids; b) cation-anion balance of water extracts from soils; c) a negative shift in the results of titrimetric measurement of TA (the sum of carbonate and organic alkalinity) relative to the amount of equivalents of dissolved inorganic carbon determined by high-temperature catalytic oxidation at the same mS : VH2O in both methods. Comparison of the TA of soils obtained in different laboratories is possible only under strict observance of all conditions that can be performed experimentally. It is recommended to use a centrifuge to separate the solid and liquid phases of carbonate soils, as well as a pH meter or titrator to fix the end point of titration. The above considerations can be useful for forecasting and research modeling of soil carbonate dissolution as a result of global climate change and acidification.

About the authors

E. V. Vanchikova

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: shamrik@ib.komisc.ru
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

E. V. Shamrikova

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: shamrik@ib.komisc.ru
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

E. V. Kyzyurova

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: shamrik@ib.komisc.ru
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

E. V. Zhangurov

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: shamrik@ib.komisc.ru
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

References

  1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. 488 с.
  2. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М.: Изд-во МГУ, 1998. 272 с.
  3. Воробьева Л.А. Щелочность почв: показатели, структура, природа // Почвоведение. 1993. № 5. С. 21–28.
  4. Воробьева Л.А., Герасименко Н.М., Хитров Н.Б. Щелочность вторично-гидроморфных черноземов Азовской оросительной системы // Почвоведение. 2002. № 11. С. 1333–1345.
  5. Воробьева Л.А., Климанов А.В., Новикова А.Ф., Конюшкова М.В. Щелочность целинных солонцов Северной Калмыкии (район Аршань-Зельменского стационара РАН) // Почвоведение. 2010. № 2. С. 166–174.
  6. Воробьева Л.А., Панкова Е.И. Щелочные засоленные почвы // Почвоведение. 2008. № 5. С. 517–532.
  7. Гедройц К.К. Химический анализ почвы // Избр. соч. В 3-х томах. М.: Издательство Сельхозгиз, 1955. Т. 2. 616 с.
  8. Гончарова О.Ю., Тимофеева М.В., Матышак Г.В. Диоксид углерода в почвенных, грунтовых и поверхностных водах арктических и бореальных регионов: роль, источники, методы определения (обзор) // Почвоведение. 2023. № 3. С. 321–338. https://doi.org/10.31857/S0032180X22601025
  9. ГОСТ 26423-85. Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, pH и плотность остатка водной вытяжки. Введ.01.01.1986 // Почвы : Методы определения катионно-анионного состава водной вытяжки : ГОСТ 26423-85 – ГОСТ 26428-85. М.: Издательство стандартов, 1985. С. 1–7.
  10. ГОСТ 26424-85. Почвы. Методы определения ионов карбоната и бикарбоната в водной вытяжке. Введ.01.01.1986 // Почвы: Методы определения катионно-анионного состава водной вытяжки: ГОСТ 26423-85–ГОСТ 26428-85. М.: Издательство стандартов, 1985. С. 8–11.
  11. Калабин Г.В., Моисеенко Т.И. Эмиссия, перенос и выпадение кислотных осадков в Арктических регионах // Известия РАН. Сер. географическая. 2011. № 5. С. 50–61.
  12. Климанов А.В., Воробьева Л.А., Новикова А.Ф., Конюшкова М.В. Природа щелочности целинных и антропогенно-преобразованных солонцов Северной Калмыкии // Почвоведение. 2014. № 4. С. 433–442. https://doi.org/10.7868/S0032180X14040030
  13. Кондратёнок Б.М., Лю-Лян-Мин Е.И., Ситникова В.В., Давыдова А.П., Ванчикова Е.В., Налимова Ю.А. Методика измерений № 88-17641-008-2018 (ФР.1.31.2019.33264). Почвы, грунты, донные отложения, торф. Методика измерений удельного количества эквивалентов или массовой доли гидрокарбонат-анионов, суммы удельных количеств эквивалентов карбонат- и гидрокарбонат-анионов, входящих в состав водорастворимых соединений титриметрическим потенциометрическим методом. Сыктывкар, 2018. 30 с.
  14. Коссович П.С. Солонцы и отношение к ним растений и методы определения солонцовых почв // Журнал опытной агрономии. 1903. Т. 4. С. 1–57.
  15. Лопухина О.В., Панкова Е.И. Природа щелочности в некоторых почвах Волгоградской области // Бюл. Почв. Ин-та им. В.В.Докучаева. 2007. № 60. С. 3–11.
  16. Любимова И.Н., Горобец А.В., Грачев В.А., Никитина Н.С. Природа щелочности целинных и агрогенно-измененных почв солонцового комплекса Волгоградской области // Почвоведение. 2004. № 11. С. 1325–1334.
  17. Методика измерений массовой концентрации общего углерода, общего неорганического углерода, общего органического углерода, нелетучего (не удаляемого продувкой) органического углерода и общего азота в питьевых, природных (в том числе подземных), сточных м технологических водах с помощью анализатора ТОС (Shimadzu). Свидетельство об аттестации методики измерений № 441/242-(01.00250-2008). 2013. 19 с.
  18. Полевой определитель почв России. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.
  19. Рогожникова Е.В., Зборищук Ю.Н. Карбонаты в некоторых почвах каменной степи // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2009. № 3. С. 17–24.
  20. Теория и практика химического анализа почв / Под ред. Воробьевой Л.А. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.
  21. Шадрин Л.Ф., Островский Л.Я. О картировании ордовикских толщ на Полярном Урале. // Геология и металлогения ордовикских образований осевой зоны Полярного Урала. Тюмень, 1978. С. 21–27.
  22. Шамрикова Е.В., Груздев И.В., Пунегов В.В, Хабибуллина Ф.М., Кубик О.А. Водорастворимые низкомолекулярные органические кислоты в автоморфных суглинистых почвах тундры и тайги // Почвоведение. 2013. № 6. С. 691–697. https://doi.org/10.7868/S0032180X13060099
  23. Шамрикова Е.В., Денева С.В., Кубик О.С. Распределение углерода и азота в почвенном покрове прибрежной территории Баренцева моря (Хайпудырская губа) // Почвоведение. 2019. № 5. С. 558–569. https://doi.org/10.1134/S0032180X19030092
  24. Шамрикова Е.В., Денева С.В., Панюков А.Н., Кубик О.С. Свойства почв и характера растительности побережья Хайпудырской губы Баренцева моря // Почвоведение. 2018. № 4. С. 401–412. https://doi.org/10.7868/S0032180X18040020
  25. Шамрикова Е.В., Жангуров Е.В., Кубик О.С., Королев М.А. Состав водных вытяжек из растительного материала, почв на карбонатных породах и поверхностных вод в северной части Полярного Урала // Почвоведение. 2021. № 8. С. 911–926. https://doi.org/10.31857/S0032180X21080153
  26. Шамрикова Е.В., Жангуров Е.В., Кулюгина Е.Е., Королев М.А., Кубик О.С., Туманова Е.А. Почвы и почвенный покров горно-тундровых ландшафтов Полярного Урала на карбонатных породах: разнообразие, классификация, распределение углерода и азота // Почвоведение. 2020. № 9. С. 1053–1070. https://doi.org/10.31857/S0032180X20090154
  27. Шварева Ю.О. Климат Приполярного и Полярного Урала // Исследование ледников и ледниковых районов. М.: Изд-во АН СССР, 1962. Вып. 2. С. 176–199.
  28. Alongi D.M. Lateral Export and Sources of Subsurface Dissolved Carbon and Alkalinity in Mangroves: Revising the Blue Carbon Budget // J. Mar. Sci. Eng. 2022. V. 10(12). P. 1916. https://doi.org/10.3390/jmse10121916
  29. Bargrizan S., Smernik R.J., Mosley L.M. Constraining the carbonate system in soils via testing the internal consistency of pH, pCO2 and alkalinity measurements // Geochem Trans. 2020. V. 21(4) P. 1–10. https://doi.org/10.1186/s12932-020-00069-5
  30. Bughio M.A., Wang P., Meng F., Qing C., Kuzyakov Y., Wang X., Junejo S.A. Neoformation of pedogenic carbonates by irrigation and fertilization and their contribution to carbon sequestration in soil // Geoderma. 2016. V. 262. P. 12–19. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.08.003
  31. Ferdush J., Paul V. A review on the possible factors inruencing soil inorganic carbon under elevated CO2 // Catena. 2021. V. 204. P. 105434. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105434
  32. Friesen S.D., Dunn C., Freeman C. Decomposition as a regulator of carbon accretion in mangroves: a review // Ecol. Eng. 2018. V. 114. P. 173–178. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2017.06.069
  33. Gao Y., Tian J., Pang Y., Liu J. Soil inorganic carbon sequestration following afforestation is probably induced by pedogenic carbonate formation in Northwest China // Front. Plant Sci. 2017. V. 8. P. 1282. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01282
  34. Hoppe C.J.M., Langer G., Rokitta S.D., Wolf-Gladrow D.A., Rost B. Implications of observed inconsistencies in carbonate chemistry measurements for ocean acidiћcation studies // Biogeosci. 2012. V. 9. P. 2401–2405. https://doi.org/10.5194/bg-9-2401-2012
  35. Kim H.C., Lee K. Signiћcant contribution of dissolved organic matter to seawater alkalinity // Geophys Res Lett. 2009. V. 36. P. L20603. https://doi.org/10.1029/2009GL040271
  36. Lal R. Sequestering carbon in soils of agro-ecosystems // Food Policy. 2011. V. 36. P. S33–S39. https://doi.org/10.1016/j.foodpol.2010.12.001
  37. Maher D.T., Santos I.R., Golsby Smith L., Gleeson J., Eyre B.D. Groundwater derived dissolved inorganic and organic carbon exports from a mangrove tidal creek: The missing mangrove carbon sink? // Limnology and Oceanography. 2013. V. 58(2). P. 475–488. https://doi.org/10.4319/lo.2013.58.2.0475
  38. Patsavas M.C., Byrne R.H., Yang B., Easley R.A., Wanninkhof R., Liu X. Procedures for direct spectrophotometric determination of carbonate ion concentrations: measurements in the US Gulf of Mexico and East Coast Waters // Marine Chem. 2015. V. 168. P. 80-85.
  39. Raymond P.A., Cole J.J. Increase in the Export of Alkalinity from North America’s Largest River // Science. 2003. V. 301. № 5629. P. 88–91. https://doi.org/10.1126/science.1083788
  40. Reithmaier G.M.S., Ho D.T., Johnston S.G., Maher D.T. Mangroves as a source of greenhouse gases to the atmosphere and alkalinity and dissolved carbon to the coastal ocean: A case study from the Everglades National Park, Florida // J. Geophys. Res.: Biogeosciences. 2020. V. 125. P. e2020JG005812. https://doi.org/10.1029/2020JG005812
  41. Salt L.A., Thomas H., Bozec Y., Alberto V., Borges A.V., de Baar H.J.W. The internal consistency of the North Sea carbonate system // J. Mar. Sys. 2016. V. 157. P. 52–64. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmarsys.2015.11.008
  42. Shamrikova E.V., Vanchikova E.V., Ryazanov M.A. Acid-base properties of water-soluble organic matter of forest soils, studied by the pk-spectroscopy method // Chemosphere. 2006. V. 65(8). P. 1426–1431. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2006.03.057
  43. Shamrikova E.V., Yakovleva E.V., Gabov D.N., Zhangurov E.V., Korolev M.A., Panukov A.N. PAHs accumulation factors in soils from karst sinkholes of Polar Urals // Catena. 2024 (in print)
  44. Travis W. Drake, Peter A. Raymond, Robert G.M. Terrestrial carbon inputs to inland waters: A current synthesis of estimates and uncertainty // Limnology and Oceanography. 2018. V. 3(3) P. 132–142. https://doi.org/10.1002/lol2.10055
  45. Vachon D., Sponseller R.A., Karlsson J. Integrating carbon emission, accumulation and transport in inland waters to understand their role in the global carbon cycle // Global Change Biology. 2021. V. 27(4). P. 719–727. https://doi.org/10.1111/gcb.15448
  46. Van Hees P.A.W., Lundstrom U.S. Equilibrium models of aluminium and iron complexation with different organic acids in soil solution // Geoderma. 2000. V. 94. P. 201–221. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(98)00139-6
  47. Wanninkhof R., Lewis E., Feely R.A., Millero F.J. The optimal carbonate dissociation constants for determining surface water pCO2 from alkalinity and total inorganic carbon // Mar. Chem. 1999. V. 65. P. 291–301. https://doi.org/10.1016/S0304-4203(99)00021-3
  48. Whitney R.S., Cameron F.O.R. The chemistry of the soil as related to crop production // U.S. Dep. Agric. Bureau of soils. Bull. Wachington, 1903. V. 22. 71 p.
  49. World Reference Base for Soil Resources. World Soil Resources Reports 106. Rome: FAO, 2014.
  50. Zamanian K., Kuzyakov Y. Contribution of soil inorganic carbon to atmospheric CO2: more important than previously thought // Glob. Change Biol. 2018. V. 25(1). P. e1–e3. https://doi.org/10.1111/gcb.14463
  51. Zamanian K., Zhou J., Kuzyakov Y. Soil carbonates: The unaccounted, irrecoverable carbon source // Geoderma. 2021. V. 384. P. 114817. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114817

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences