Гармонизация методов исследования почв: путь к упорядочиванию

Ученые Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар) представили свой опыт гармонизации подходов анализа почв. Специалисты поделились результатами выполненной в рамках работы в Глосолан авторской разработки методики измерений содержания почвенного органического вещества. Это вклад в интеграцию сведений, накопленных почвоведами мира за исторический период. Унификация методов измерений полезна в решении глобальных инициатив, включая устойчивое управление почвами, картографирование, продовольственную безопасность, а также адаптацию к изменению климата и смягчение его последствий

Для удобства учета и характеристики почвенных ресурсов, проектирования ландшафтных систем земледелия, прогнозирования поведения почвенных систем при антропогенном воздействии встает необходимость объединять информацию, собранную разными коллективами, регионами, странами и континентами. Провести инвентаризацию почвенно-географических данных помогает разработка гармонизированных стандартов, а также поиск поправочных коэффициентов. Решение подобных задач позволяет создать общие массивы данных в упорядоченной форме, что, в конечном счете, способствует преодолению экспертных разночтений в почвоведении.

Сегодня Глобальная сеть почвенных лабораторий (Глосолан) призвана объединить все почвенные лаборатории, чтобы согласовать действия специалистов мирового научного сообщества по повышению эффективности управления и рациональному использованию почв. Главная цель работы экспертов сети Глосолан: разработка гармонизированных стандартов исследования почв, представляемых в открытом доступе на веб-странице этой организации.

Коллектив Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар) в 2018 году стал членом Глосолан, а в 2020 году принял участие в работе по гармонизации метода измерения содержания почвенного органического вещества. Кадровый потенциал, специализация на анализе состава почв, воды, растительных и биологических материалов, а также успешный опыт участия в отечественных и международных сличительных испытаниях позволил сотрудникам института разработать и аттестовать более 30 методик измерений, в том числе по определению агрохимических показателей почв. Получив статус национальной референтной лаборатории Российской Федерации, специалисты активно привлекают к сотрудничеству другие научные школы.

Елена Вячеславовна Шамрикова – доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник отдела почвоведения Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО – рассказала о необходимости и проблемах гармонизации стандартов в почвоведении на примере одного из параметров – содержании органического вещества.

«Почва – необходимый ресурс и жизненно важная часть окружающей среды, главный источник получения сельскохозяйственных продуктов. Около 90% продуктов питания человечество получает в виде урожаев с обработанной земли. Базовым показателем почвенного плодородия является содержание в почвах органического вещества. В то же время почва предоставляет жизненное пространство для людей, а также необходимые экосистемные услуги, которые важны для обеспечения влагой, регулирования климата, поддержания биологического разнообразия, фиксации углерода и др.

Научное почвоведение зародилось в России в 1871 году, его создателем стал В.В. Докучаев. В настоящее время в мировом почвоведении существует целый ряд национальных школ, использующих разные принципы диагностики почв, а также разные подходы и методы их изучения. Подобное многообразие исторически связано как с независимым развитием почвоведения в отдельных странах, так и с широким разнообразием почв и неравномерной распространенностью их на земной поверхности.

Обострение современных глобальных, в том числе экологических проблем,  потребовало консолидации усилий всего мирового научного сообщества. В 2011 году при Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Italy-Rome, http://www.fao.org/global-soil-partnership/glosolan/en/) была создана интерактивная сеть – Глобальное почвенное партнерство, которое объединяет и направляет усилия правительств, университетов, профильных почвенных организаций на решение актуальных мировых задач в области охраны почв, землепользования и разработки новейших технологий в почвоведении.

Осознание необходимости укрепления потенциала лабораторий в области исследования почв привело к появлению в 2017 году Глобальной сети почвенных лабораторий (Глосолан, Glosolan). Главная цель этого сообщества – повышение качества исследований путем согласования стандартных операционных (рабочих) процедур известных методов, повышения потенциала лабораторий в области обеспечения и контроля качества измерений, продвижения передовой практики в области здоровья и безопасности. Итогом работы экспертов сети является разработка гармонизированных стандартов и учебных материалов, которые бесплатно публикуются на веб-странице Глосолан», – Елена Шамрикова обозначила, какое актуальное значение имеет разработка гармонизированных стандартов исследования почв для решения разного рода исследовательских задач почвоведения.

Какие сегодня в научном сообществе практикуются методы определений/измерений органического вещества почв и чем вызвано такое разнообразие методик в исследовательском поле (вариативность методов и подходов)? 

«Все методики измерений содержания органического вещества в почвах основаны на окислении входящего в его состав углерода до углекислого газа (CO₂). Можно выделить два основных подхода в измерении этого показателя.

Первый – «сухой» – способ окисления предполагает каталитическое сжигание органических соединений в присутствии кислорода при температуре свыше 1000 ºС. Высокая стоимость анализаторов углерода, расходных материалов к ним, технического обслуживания ограничивают их широкое использование в химических лабораториях.

Второй, «мокрый» способ, получивший широкое распространение в мировом почвоведении, предполагает окисление дихромат-анионами в сернокислой среде. Использование данного приема имеет вековую историю, однако реализуется в разных государствах по-разному. В США, Канаде, Австралии и других странах почвоведы используют методику, разработанную А. Уолкли и И. Блэком. Ученые России и многих стран Европы и Азии в практическом почвоведении применяют метод И.В. Тюрина, имеющий множество модификаций. Данный подход не требует сложных современных средств измерений, однако его серьезным недостатком является неполное окисление, т.е. недоучет содержания органического вещества. В связи с этим, в методе Уолкли-Блэка результат измерений умножают на поправочный коэффициент 1.3. И.В. Тюрин в своих работах также предлагал ввести коэффициент 1.17, учитывающий неполное окисление органического углерода почв. Однако в современных модификациях метода Тюрина учет неполного окисления не предусмотрен. К недостаткам этого приема также можно отнести использование значительных количеств вредных для здоровья человека и состояния окружающей среды реактивов.

Следует отметить, что географическая обособленность применения метода Тюрина сложилась исторически. Сходная проблема касается многих других методов анализа почв», – сообщила ученый.

Как происходит измерение органического вещества почв, какую информацию оно дает и почему так важна гармонизация результатов этих измерений?

«Эффективность «мокрого» окисления органического вещества зависит от условий протекания окислительно-восстановительной реакции. В модификациях метода Тюрина условия окисления углерода органических соединений различаются (температура – от 20 °С до 150 °С, время – от 5 минут до 24 часов, концентрация дихромат-ионов и серной кислоты в растворе, способы разделения жидкой и твердой фаз). В методе Уолкли-Блэка нагрев реакционной смеси происходит за счет экзотермического эффекта, возникающего при смешивании концентрированного раствора серной кислоты с дистиллированной водой, а концентрация дихромата калия и серной кислоты в реакционной смеси в 1.5 раза больше, чем в методе Тюрина. Неполное окисление органического вещества приводит к занижению результатов измерений. Высокотемпературное сжигание на анализаторе обеспечивает окисление всех органических соединений, в том числе неокисляемых хромовой смесью. Данное обстоятельство приводит к получению несопоставимых результатов измерений для идентичных образцов почв», – раскрыла исследователь.

Почему так важна гармонизация результатов этих измерений и к чему может привести искажение/некорректность подобных измерений?

«Наличие разных научных школ, исследующих почвы различными методами и получающих зачастую несопоставимые результаты, препятствует обобщению сведений в единые базы данных, картографированию почвенного покрова, сдерживает развитие знаний о почвах», – уточнила Елена Шамрикова.

Коллектив Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН провел сравнительные исследования, взяв за основу модифицированную отечественную (Тюрина) и международную (Уолкли-Блэк) методики измерений. В чем их суть и что представляет собой модифицированный метод, Елана Шамрикова детально пояснила: «Для наглядности представим последовательность процедур выполнения этих двух анализов в виде схемы (см. Рис. 1). Здесь приведена модификация метода Тюрина, разработанная в нашем институте.

Разработка модифицированной методики потребовала проведения специального исследования. Оказалось, что отдельные стадии выполнения анализа по иным модификациям метода Тюрина могут снижать точность измерений. Приведем примеры.

Во-первых, отдельные прописи метода предусматривают нагрев реакционной смеси на электроплитке. Однако интенсивность нагрева зависит от вида используемого нагревательного прибора. Установить одинаковый нагрев для всех систем затруднительно. Вместе с тем температура нагрева реакционной смеси – фактор, определяющий полноту окисления органического вещества почв. Во избежание разночтений для нагрева нами использована водяная баня. Аналогичный прием предусмотрен ГОСТом № 26213-9 (1992).

Во-вторых, для разделения твердой и жидкой фаз реакционной смеси в некоторых модификациях метода Тюрина рекомендовано использование обеззоленных фильтров с диаметром пор 2-3 мкм. Наши исследования показали неоднозначность этой процедуры. Для проверки возможности подобного способа разделения фаз две партии стандартных растворов отфильтровали через обеззоленные фильтры (см. Рис. 2), после чего фильтры стали зелеными (цвет комплексных ионов хрома (III)). Связано это с тем, что бумажные фильтры изготовлены из целлюлозы растений. Следовательно, углерод органических соединений бумаги в условиях окисления органического углерода почв может также взаимодействовать с дихромат-ионами. Оптическая плотность стандартных растворов значимо увеличилась, что свидетельствует об окислении органического углерода фильтров дихромат-ионами».

Альтернативным вариантом разделения жидкой и твердой фаз, рекомендованным действующим ГОСТом № 26213-9 (1992), является отстаивание суспензий почв до «полного оседания частиц». Как показал наш опыт, данная процедура далеко не всегда выполнима. Во-первых, в отдельных случаях не удается достичь полного оседания частиц и за 72 часа отстаивания. Во-вторых, длительное отстаивание суспензий почв приводит к обесцвечиванию окрашенных растворов, что влечет за собой занижение результатов измерений на 8%. В этой связи мы предложили в методе Тюрина ввести центрифугирование суспензий почв. Исследования показали, что в методе Уолкли-Блэка дополнительное центрифугирование надосадочной системы не требуется, поскольку не приводит к значимому улучшению качества результатов измерений.

Важно отметить, что в ходе работ нами установлены корреляционные коэффициенты, учитывающие неполное окисление органического вещества в условиях, регламентированных методами Тюрина и Уолкли-Блэка. Использование этих коэффициентов, называемых педотрансферными функциями, позволяет преодолеть историческую разобщенность научных школ и интегрировать накопленный более чем за вековой период массив данных о содержании органического вещества в различных типах почв стран Евразии в глобальную сеть мониторинга качества почв.

Разработанные модификации методов Тюрина и Уолкли-Блэка прошли  метрологическую аттестацию (Свидетельство № 88-17641-001-RA.RU.310657-2020, Центр «СЕРТИМЕТ» АХУ УрО РАН, https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry/16).»

Каковы перспективы вашей усовершенствованной методики? Есть ли у вашего авторского подхода сторонники или заинтересованные лица?

«Востребованность наших усилий подтверждает заинтересованность международного научного сообщества. На IV заседании Глосолан (11-13 ноября 2020) по результатам работ был сделан устный доклад (http://www.fao.org/global-soil-partnership/glosolan/en/), принята пропись модификации метода Тюрина. В ближайшее время текст будет размещен на сайте Глосолан. В настоящее время по результатам исследований подготовлена научная статья. Что касается практического применения, то важно отметить, что в институт поступают запросы с целью приобретения аттестованных нами методик Тюрина и Уолкли-Блэка», – считает ученый.

«Гармонизация методов – задача, которую почвоведам России рано или поздно надо будет решать. И лучше, если это случится раньше», – подчеркнула Елена Шамрикова.

Коллектив Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН зарегистрирован в системе Глосолан с 16 апреля 2018 года. Итогом трехлетнего сотрудничества с партнерами стало признание коллектива национальной референтной лабораторией Российской Федерации.

Как заверила Елена Шамрикова, «наш коллектив соответствует всем требованиям, предъявляемым к национальным референтным лабораториям. Прежде всего стоит отметить высокую квалификацию членов коллектива – 6 докторов, 12 кандидатов наук, 20 ведущих инженеров-химиков, представляющих два подразделения – экоаналитическую лабораторию и отдел почвоведения Института биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук – обособленного подразделения Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук.

Экоаналитическая лаборатория специализируется на анализе почв, воды, растительных и биологических материалов. Лаборатория аккредитована в соответствии с международным стандартом ISO/IEC 17025 (уникальный номер записи об аккредитации в реестре аккредитованных лиц РОСС RU.0001.511257, http://fsa.gov.ru). С 1998 года лаборатория активно и успешно участвует в отечественных и международных сличительных испытаниях, по таким проектам как: «The International Cooperative Programme on Assessment and Monitoring of Air Pollution Effects on Forests (EC-UN/ECE ICP Forests)», «The International Cooperative Programme on Assessment and Monitoring Effects of Air Pollution on Rivers and Lakes (ICP Waters)», established under the Executive Body of the UNECE «Convention on Long-range Transboundary Air Pollution (LRTAP)». Усилиями сотрудников разработано и аттестовано более 30 методик измерений, в том числе по определению агрохимических показателей почв. Все методики измерений внесены в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Исследования отдела почвоведения направлены на изучение механизмов функционирования почв на территории Арктического и Субарктического секторов европейского Северо-Востока России.

И, конечно, важным аспектом признания нашей лаборатории референтной стала наша инициатива и желание работать в данном направлении. Полагаем, что усилия коллектива могут способствовать объединению знаний. Считаем это стратегической задачей развития почвоведения как в теоретических, так и прикладных аспектах».

В настоящее время коллектив работает над созданием национальной сети почвенных лабораторий и рассчитывает на поддержку Общества почвоведов им. В.В. Докучаева.

Обретенный статус национальной референтной лаборатории, по словам Шамриковой, «способствует развитию почвенных исследований в Институте биологии, который по праву занимает заметные позиции в области почвоведения, а школа почвоведов Республики Коми имеет широкую известность. В рамках работы в Глосолан в течение 2020 года коллективом выполнены практически значимые исследования по гармонизации методов измерений органического вещества почв. В дальнейшем планируем продолжить исследования по гармонизации других методов измерений. Новый материал – это и публикация статей в рейтинговых журналах, и выступления на конференциях, встречах, это проведение семинаров и стажировок».

Продвижение унифицированных методик измерений на законодательном уровне может способствовать экспериментально обоснованному пересмотру устоявшихся подходов с целью глобализации знаний. 

По мнению Елены Шамриковой, «унификация методик – это не только интересная исследовательская деятельность, научный поиск, это ответственная и почетная миссия – способствовать интеграции сведений, собранных несколькими поколениями ученых мира. Мы осознаем всю сложность и многоступенчатость этой работы. Первый этап – аттестация методов и внесение их в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений – нами успешно пройден. Следующий шаг предполагает поиск заинтересованных структур и проведение дополнительных межлабораторных испытаний для утверждения аттестованных методов в виде ГОСТа. Наконец, третий этап – получение международного стандарта. Продвижение унифицированных методик измерений на законодательном уровне может способствовать экспериментально обоснованному пересмотру устоявшихся подходов с целью глобализации знаний. Подобная деятельность может стать хорошим примером для других почвенных лабораторий России».

Выполнение сравнительных исследований и разработка модифицированной методики проводилась при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 20-04-00445а «Факторы и механизмы стабилизации органического вещества в почвах экстремальных условий (на примере арктических экосистем)».

«Актуальность разрабатываемого направления позволяет нам задуматься над подготовкой заявки на новый грант уже по этой тематике», – заметила Елена Шамрикова.

Члены коллектива (см. фото ниже) выражают благодарность секретариату Глосолан за поддержку нашей инициативы по проведению данной работы, а также за предоставление образцов почв для исследований. Авторы также признательны администрации Института биологии в лице ее директора д.б.н. С.В. Дёгтевой за предоставленную возможность реализации данного проекта.

Коллектив экоаналитической лаборатории и отдела почвоведения Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (к.х.н. Е. В. Ванчикова – идеолог выполненных работ, д.б.н. Е. В. Шамрикова, к.б.н. Е. М. Лаптева, к.х.н. Б. М. Кондратенок, ведущие инженеры Е. А. Туманова, Е. И. Лю-Лян-мин, А. П. Давыдова, Т. В. Зонова, С. Н. Кострова).         Автор фото Алексей Пушкарев

Итак, гармонизация методов измерений показателей почв необходима как для коммуникации специалистов на международном научном пространстве в решении теоретических вопросов, так и для постановки практических задач, в частности, реакции экосистем на антропогенное вмешательство. Работа сотрудников экоаналитической лаборатории и отдела почвоведения Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН станет полезным примером пополнения стандартизированных методических разработок – своей лептой в дело глобализации научных знаний.

Все фотографии и изображения предоставила Елена Шамрикова