REVIEW PAPER
Comparison of sequential extraction techniques and fractional composition of humic substances in chernozems and phaeozems of Poland – A review
Michał Dudek 1  
,   Beata Łabaz 1  
,   Cezary Kabała 1  
 
More details
Hide details
1
Instytut Nauk o Glebie i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Polska
CORRESPONDING AUTHOR
Michał Dudek   

Instytut Nauk o Glebie i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wrocław, Polska
Submission date: 2020-08-19
Final revision date: 2020-10-30
Acceptance date: 2021-01-07
Online publication date: 2021-02-02
Publication date: 2021-02-02
 
 
KEYWORDS
ABSTRACT
Studies on organic matter have always been an important part of soil environment characterization. However, an extraction of humic substances from the organo-mineral complexes is difficult and requires special procedures. Sodium hydroxide, sodium pyrophosphate and sulfuric acids are among the basic extractants. However, its application in various order, combinations and concentrations arises question on the comparability of the results obtained from various methods. The aim of the review was to compare the major fractionation procedures according to Tiurin, Kononowa/Belczikowa, Boratyński/Wilk, and Duchaufour/Jacquin, and the composition of soil humus as investigated by these methods, using the published data for chernozemic soils from various regions of Poland. The comparison confirmed, that these major fractionation procedures are hardly comparable in chemical terms due to differences in extraction environment. However, taking into account the declared binding strength of extracted humus fractions to the mineral soil compounds, the methods of Tiurin and Boratyński/Wilk gave the most compatible results. In general, all applied methods indicated a predominance of the humus fractions weakly and more strongly bound to non-silicate soil compounds (apart from the high contribution of humins/non-extractable residuum). Considering all multistage and long lasting procedures applying different reagents in various concentration, the best results can be achieved with method of Tiurin. At the same time authors suggest that more advanced studies concerning composition, structure or other properties of extracted humic substances using the non-invasive procedures need to be carried out.
 
REFERENCES (73)
1.
Aleksandrowa, L. N., 1980. Soil organic compounds and their transformation processes. Nauka, Leningrad, 1–50. (in Russian).
 
2.
Andrzejewski, J., 1963. Wpływ nawożenia mineralnego na zawartość związków próchnicznych w glebie. Roczniki Nauk Rolniczych 87(3), 481–496.
 
3.
Boratyński, K., Wilk, K., 1961. Skład frakcji próchnicy w niektórych madach okolic Wrocławia. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 10 (suppl.), 645–647. (in Polish).
 
4.
Boratyński, K., Wilk, K., 1964. Boratyński and Wilk’s method of fractional analysis of humus compounds and its usability for determining humus composition in mineral soils of various agricultural utilization. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 14(suppl.), 33–38. (in Polish).
 
5.
Borowiec, S., Wybieralska, A., 1969. Zróżnicowanie składu próchnicy w zależności od typu gleb i ich użytkowania. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 20(1), 67–79. (in Polish).
 
6.
Chodak, M., 2008. Application of Near Infrared Spectroscopy for Analysis of Soils. Litter and Plant Materials. Polish Journal of Environmental Studies 17(5), 631–642.
 
7.
Ćwieląg-Piasecka, I., Medyńska-Juraszek, A., Jerzykiewicz, M., Dębicka, M., Bekier, J., Jamroz, E., Kawałko, D., 2018. Humic acid and biochar as specific sorbents of pesticides. Journal of Soils and Sediments 18(8), 2692–2702. https://doi.org/ 10.1007/s11368-018-1976-5.
 
8.
Drąg, M., Dębska, B., Tobiasova, E., 2010. Wpływ resztek pozbiorowych żyta i ziemniaka na właściwości kwasów huminowych gleb różnych typów. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 61(4), 51–56. (in Polish with English summary).
 
9.
Drewnik, M., 2006. Właściwości stropowych poziomów próchnic gleb polskiej części Karpat. Roczniki Bieszczadzkie 14, 221–235. (in Polish with English summary).
 
10.
Drozd, J., 1973. Związki próchniczne niektórych gleb na tle ich fizykochemicznych właściwości. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 24(1), 3–55. (in Polish).
 
11.
Drozd, J., Licznar, M., 1985. Niektóre właściwości kwasów huminowych gleb współczesnych i zagrzebanych terenów erodowanych. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 36(2), 17–25. (in Polish with English summary).
 
12.
Drozd, J., Licznar, M., Bekier, J., 2009. Ocena dojrzałości kompostów z odpadów komunalnych na podstawie jakości związków próchnicznych i różnych form azotu. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual60(3), 67–74. (in Polish with English summary).
 
13.
Drozd, J., Piątek, J., Łabaz, B., 2007. Właściwości gleb czarnoziemnych występujących w rejonie Kłodzka. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 520(2), 447–454. (in Polish with English summary).
 
14.
Duchaufour, P., Jacquin, F., 1963. Recherche d’une methode d’extraction et de fractionnement des composes humiques controlee par electrophorese. Annales Agronomiques 14, 885–918. (in French).
 
15.
Dziadowiec, H., 1992. Ekologiczna rola próchnicy glebowej. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 411, 268–282. (in Polish).
 
16.
Dziadowiec, H., Gonet S., 1999. Przewodnik metodyczny do badań materii organicznej gleb. Prace Komisji Naukowych PTG 120, 1–66. (in Polish).
 
17.
Gałka, B., Łabaz, B., 2013. Właściwości kwasów huminowych poziomów próchnicznych gleb leśnych Gór Stołowych. Sylwan 157(10), 780–785. https://doi.org/10.26202/sylwa... (in Polish with English summary).
 
18.
Galka, B., Łabaz, B., 2014. Skład frakcyjny materii organicznej powierzchniowych poziomów próchnicznych gleb leśnych Gór Stołowych. Sylwan 158(1), 18–25. https://doi.org/10.26202/sylwa... (in Polish with English summary).
 
19.
Gliński, J., Turski, J., 1965. Zależność między zawartością miedzi a składem frakcjonarnym kwasów huminowych w glebach. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 15 (suppl.), 311–314. (in Polish).
 
20.
Gonet, S., Dębska, B., Zaujec, A., Banach−Szott, M., Szombathowa, N., 2007. Wpływ gatunków drzew i warunków glebowo−klimatycznych na właściwości próchnicy gleb leśnych. [In:] Gonet, S. S., Markiewicz, M., (Eds.), Rola materii organicznej w środowisku. PTSH, Wrocław, 61−98.
 
21.
Gonet, S., Smal, H., Chojnicki, J., 2015. Właściwości chemiczne gleb. [In:] Mocek, A., (Ed.), Gleboznawstwo. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 189-230. (in Polish).
 
22.
Hayes, M. H. B., Swift, R. S., 1990. Genesis, isolation, composition and structures of soil humic substances. [In:] De Boodt, M. F. et al., (Eds.), Soil colloids and their associations in aggregates. Springer, Boston, 245–305.
 
23.
IUSS Working Group WRB, 2015. World Reference Base for Soil Resources 2014, Update 2015. International soil classification system for naming soil and creating legends for soil maps. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome. p. 182.
 
24.
Jamroz, E., Kocowicz, A., Bekier, J., Weber, J., 2014. Properties of soil organic matter in Podzols under mountain dwarf pine (Pinus mugo Turra.) and Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) in various stages of dieback in the East Sudety Mountains, Poland. Forest Ecology and Management 330, 261−270. https://doi.org/10.1016/j.fore....
 
25.
Kabała, C., 2015. Definicja próchnicy i koncepcja form próchnicy: perspektywa międzynarodowa i polskie tradycje. Ogólnopolskie seminarium naukowe „Nauka o glebie w 200-letniej tradycji kształcenia przyrodniczego w Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie”. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 44–69. (in Polish).
 
26.
Kleber, M., Johnson, M. G., 2010. Advances in understanding the molecular structure of soil organic matter: implications for interactions in the environment. Advances in agronomy. Academic Press 77−142. https://doi.org/10.1016/S0065-....
 
27.
Kleber, M., Lehmann, J., 2019. Humic substances extracted by alkali are invalid proxies for the dynamics and functions of organic matter in terrestrial and aquatic ecosystems. Journal of Environmental Quality 49, 207–216. https://doi.org/10.2134/jeq201....
 
28.
Kleszczycki, A., Kozakiewicz, A., Łakomiec, I., 1967. Porównanie metod stosowanych w badaniach próchnicy gleb mineralnych. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 12, 229–241. (in Polish).
 
29.
Kondratowicz–Maciejewska, K., Kobierski, M., Murawska, A., 2012. Wpływ rodzaju użytkowania gleb rdzawych na wybrane właściwości fizykochemiczne materii organicznej. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 63(2), 19–24. https://doi.org/10.2478/v10239... (in Polish with English summary).
 
30.
Kononowa, M., Belczikowa, I. P., 1961. Uskoriennyje mietody opriedielenija sostawa gumusa mineralnych poczw. Poczvov 10, 75–87. (in Russian).
 
31.
Kononowa, M., 1968. Substancje organiczne gleby ich budowa, właściwości i metody badań. Wydawnictwo Rolnicze i Leśne Warszawa. (in Polish).
 
32.
Kowaliński, S., Drozd, J., Licznar, M., 1973. Zmodyfikowana metoda oznaczania składu frakcyjnego próchnicy w glebach mineralnych. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 24(1), 129–144. (in Polish with English summary).
 
33.
Kozakiewicz, A., 1966. Nowe poglądy na skład próchnicy niektórych typów gleb mineralnych w świetle wyników uzyskanych zmodyfikowaną metodą Tiurina (cz. I.). Soil Science Annual – Roczniki Gleboznawcze 16(1), 113–130. (in Polish).
 
34.
Kwiatkowska–Malina, J., 2018. Qualitative and quantitative soil organic matter estimation for sustainable soil management. Journal of Soils and Sediments 18, 2801–2812. https://doi.org/10.1007/s11368....
 
35.
Kuźnicki, F., Skłodowski, P., 1968. Przemiany substancji organicznej w niektórych typach gleb Polski. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 19(1), 3–25. (in Polish).
 
36.
Lehmann,, J., Kleber, M., 2015. The contentious nature of soil organic matter. Nature 528 (7580), 60–68. https://doi.org/10.1038/nature....
 
37.
Licznar, M., Drozd, J., 1985. Wpływ erozji na właściwości związków próchnicznych w niektórych jednostkach systematycznych gleb. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 36(3), 189–199. (in Polish with English summary).
 
38.
Licznar, M., 1985. Właściwości gleb i kierunki ich ewolucji na terenach erodowanych Płaskowyżu Głubczyckiego. Wydawnictwo Akademii Rolniczej we Wrocławiu, Katedra Gleboznawstwa, 1–79. (in Polish).
 
39.
Licznar, M., Drozd, J., Licznar, S. E., 1993. Skład ilościowy i jakościowy związków próchnicznych gleb deluwialnych Płaskowyżu Głubczyckiego. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 411, 139–148. (in Polish).
 
40.
Licznar, S. E., Łabaz, B., Licznar, M., 2004. Zawartość mikroelementów w czarnych ziemiach wrocławskich. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 502(1), 223–228. (in Polish).
 
41.
Łabaz, B., 2007. Skład frakcyjny próchnicy czarnych ziem okolic Wrocławia. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual58(1–2), 69–83. (in Polish with English summary).
 
42.
Łabaz, B., 2010. Właściwości kwasów huminowych gleb czarnoziemnych występujących w rejonie Kłodzka. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie 10, 153–164. (in Polish with English summary).
 
43.
Łabaz, B., Bogacz, A., Cybula, M., 2008. Właściwości substancji humusowych czarnych ziem w Parku Krajobrazowym Dolina Baryczy. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 59(3), 175–184. (in Polish with English summary).
 
44.
Łabaz, B., Musztyfaga, E., Waroszewski, J., Bogacz, A., Jezierski, P., Kabała, C., 2018. Landscape-related transformation and differentiation of Chernozems – Catenary approach in the Silesian Lowland, SW Poland. Catena 161, 63–76. https://doi.org/10.1016/j.cate....
 
45.
Łakomiec, I., Kozakiewicz, A., 1970. Trwałość fulwianów i humianów w zależności od odczynu środowiska. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 21(1), 51–68. (in Polish with English summary).
 
46.
Mucha, W., 1961. Z badań nad kwasami huminowymi. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 10(suppl.), 1–3. (in Polish).
 
47.
Musierowicz, A., Brogowski, Z., Skorupska, T., 1960. Materiały do poznania związków organicznych gleb polski. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 10(1), 91–101. (in Polish).
 
48.
Myneni, S. C., 2019. Chemistry of natural organic matter - The next step: Commentary on a humic substances debate. Journal of Environmental Quality 48(2), 233–235. https://doi.org/10.2134/jeq201....
 
49.
Olk, D.C., Bloom, P.R., De Nobili, M., Chen, Y., McKnight, D.M., Wells, M.J.M., Weber, J., 2019. Using humic fractions to understand natural organic matter processes in soil and water: Selected studies and applications. Journal of Environmental Quality 48(6), 1633–1643. https://doi.org/10.2134/jeq201....
 
50.
Ohno, T., Hess, N. J., Qafoku, N.P., 2019. Current understanding of the use of alkaline extractions of soils to investigate soil organic matter and environmental processes. Journal of Environmental Quality 48(6), 1561–1564. https://doi.org/10.2134/jeq201....
 
51.
Piccolo, A., 2002. The supramolecular structure of humic substances: a novel understanding of humus chemistry and implications in soil science. Advances in agronomy 75, 57-134. https://doi.org/10.1016/s0065-....
 
52.
Pietrzykowski, M., Chodak, M., 2014. Near infrared spectroscopy – a tool for chemical properties and organic matter assessment of afforested mine soils. Ecological engineering 62, 115–122. https://doi.org/10.1016/j.ecol....
 
53.
Ponomariewa, V.V., Płotnikowa, T.A., 1980. Humus i proces glebotwórczy. Metody i wyniki badań 1–220. (in Russian).
 
54.
Schnitzer, M., 1978. Humic substances: Chemistry and reactions. [In:] Schnitzer, M., Khan, S.U., (Eds.), Soil organic matter. Elsevier, Amsterdam, 1–64.
 
55.
Schnitzer, M., Monreal, Q. M., 2011. Quo vadis soil organic matter research? A biological link to the chemistry of humification. Advances in agronomy 113, 143–217. https://doi.org/10.1016/B978-0....
 
56.
Skłodowski, P., 1986. Przemiany materii organicznej w glebach rdzawych i brunatnych kwaśnych. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 37, 127–137. (in Polish with English summary).
 
57.
Stevenson, F.J., 1994. Humus chemistry: Genesis, composition, reactions. John Wiley & Sons Hoboken.
 
58.
Strouhalova, B., Ertlen, D., Šefrna, L., Novák, T. J., Virágh, K., Schwartz, D., 2019. Assessing the vegetation history of European chernozems through qualitative near infrared spectroscopy. Quaternaire 30(3), 227–241. https://doi.org/10.4000/quater....
 
59.
Swift, R. S., 1996. Organic matter characterization. [In:] Sparks, D., Page, A. L., Sumner, M. E., (Eds.), Methods of soil analysis: Part 3 Chemical methods. Soil Science Society of America, American Society of Agronomy, 1011–1069.
 
60.
Systematyka gleb Polski, 2019. Polskie Towarzystwo Gleboznawcze, Komisja Genezy Klasyfikacji i Kartografii Gleb. Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, Polskie Towarzystwo Gleboznawcze, Wrocław-Warszawa.
 
61.
Tiurin, I. V., 1951. К mietodikie analiza dla srawnitielnogo izuczenia sostawa poczwiennogo gumusa. Trudy Poczw. Inst. AN SSSR 38, 1–250.
 
62.
Trendel, J. M., Schaeffer, P., Adam, P., Ertlen, D., Schwartz, D., 2010. Molecular characterisation of soil surface horizons with different vegetation in the Vosges Massif (France). Organic Geochemistry 41(9), 1036–1039. https://doi.org/10.1016/j.orgg....
 
63.
Turski, R., 1964. The influence of erosion on the organic matter compounds in the brown soils and chernozems of the Lublin Upland. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 14, 325–352. (in Polish).
 
64.
Turski, R., 1971. Substancja organiczna gleb terenów erodowanych. Soil Science Annual – Roczniki Gleboznawcze 22(1), 19–57. (in Polish).
 
65.
Uggla, H., Ferczynska–Uggla, Z., Rog, Z., Wojciak, H., 1978. Z badań nad próchnica leśna gleb bielicoziemnych w falistym mikrokrajobrazie pojezierza Olsztyńskiego. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual29(2), 13–29. (in Polish).
 
66.
Waksman, S. A., 1925. What is humus? Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 11(8), 463–468.
 
67.
Wasak, K., Drewnik, M., 2016. Properties of humus horizons of soils developed in the lower montane belt in the Tatra Mountains. Polish Journal of Soil Science 45(1), 57–68. https://doi.org/10.17951/pjss.....
 
68.
Weber, J., Chen, Y., Jamroz, E., Miano, T., 2018. Preface: Humic substances in the environment. Journal of Soils and Sediments 18 (8), 2665–2667. https://doi.org/10.1007/s11368....
 
69.
Weber, J., Jamroz, E., Kocowicz, A., Dębicka, M., Ukalska-Jaruga, A., Mielnik, L., Bejger, R., Jerzykiewicz, M., Bekier, J., and Ćwieląg-Piasecka, I., 2020. Isolation of the humin fraction from soil: preliminary comments, EGU General Assembly 2020, Online, 4–8 May 2020, EGU2020-3110, https://doi.org/10.5194/egusph....
 
70.
Wells, M. J., 2019. Supramolecular answers to the organic matter controversy. Journal of Environmental Quality 48(6), 1644−1651. https://doi.org/10.2134/jeq201....
 
71.
Wilk, K., 1963. Porównanie polskiej i radzieckiej metody oznaczania składu próchnicy w glebach o różnym stanie kultury. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 13(suppl.), 181−185. (in Polish).
 
72.
Wilk, K., 1971. Ważniejsze badania nad próchnica gleb Polski. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 22(2), 61−68. (in Polish).
 
73.
Wilk, K., Nowak, W., 1977. Skład frakcyjny związków próchnicznych niektórych typów gleb uprawnych. Roczniki Gleboznawcze - Soil Science Annual 23(2), 33−47. (in Polish).
 
eISSN:2300-4975
ISSN:2300-4967