Геохимические особенности и распространенность алюминия в почвенном покрове

По распространенности в природе алюминий занимает третье место после кислорода и кремния и первое – среди металлов. Его кларк в земной коре равен 7,45 %, почве – 7,12, морской воде – 1·10–6, растениях – 0,02, животных – 1·10–5 %. В свободном виде алюминий в силу своей химической активности не встречается. Известно несколько сотен минералов алюминия. Важнейшее из них бокситы, алунит, каолин, нефелин. Он входит в состав многочисленных полевых шпатов: ортоклаза, альбита, а также цеолита, слюд. Для алюминия характерна отчетливо выраженная концентрационная дифференциация в зависимости от породы. Ультраосновные породы содержат в среднем около 0,45 % алюминия, а в осадочных породах (глинах, сланцах) его количество возрастает до 10-11 %. Кислые, средние и основные породы (граниты, диориты, базальты) занимают промежуточное положение – 7-9 %.

Геохимические особенности алюминия определяются его большим сродством к кислороду (в минералах алюминий входит в кислородные октаэдры и тетраэдры), постоянной валентностью (+3), слабой растворимостью большинства природных соединений. В эндогенных процессах при застывании магмы и формировании изверженных пород алюминий входит в кристаллическую решетку полевых шпатов, слюд и других минералов – алюмосиликатов. В биосфере алюминий – слабый мигрант, его мало в организмах и гидросфере. Схема биогеохимического круговорота алюминия представлена на рисунке 67 (Орлов Д.С., Безуглова О.С., 2000).

Рис. 67. Биогеохимический круговорот алюминия

В гумидных ландшафтах алюминий входит в состав органо-минеральных коллоидов почв, Al3+ сорбируется глинами и гумусом. Под защитой органических коллоидов алюминий мигрирует и в болотных водах. Связь с кремнием при этом частично нарушается, что приводит к образованию гидроксидов алюминия, минералов бемита и гидраргиллита. Все же значительная часть алюминия остается в составе каолинита и других глинных минералов. Слабая подвижность этого элемента определяет остаточное накопление его гидроксидов в коре выветривания влажных тропиков и образование бокситов. Миграция алюминия в меньшей степени зависит от окислительно-восстановительных условий, т. к. он обладает постоянной валентностью. В то же время амфотерность этого элемента обеспечивает его зависимость от кислотно-основных условий среды: в сильно кислой среде он ведет себя как катион, а в сильно щелочной – образует анионные комплексы. В нейтральных и слабощелочных водах степей и пустынь он практически не мигрирует, наиболее высока подвижность алюминия в сильно кислых водах вулканических районов и зон окисления сульфидов. В сильнощелочных термальных и холодных содовых водах этот элемент интенсивно мигрирует в анионной форме AlО2–. С этими процессами связано образование давсонита 3)(OH2)] и других минералов алюминия, местами формирующих крупные залежи.

Содержание алюминия в почвах обусловлено главным образом присутствием полевых шпатов и глинных минералов и отчасти слюд, эпидотов, граната, корунда и других богатых алюминием первичных минералов. Может присутствовать и свободный глинозем в виде разнообразных гидроксидов алюминия (бемит, диаспор, гидраргиллит) в аморфной или кристаллической форме. Валовое содержание алюминия в почвах обычно колеблется от 1-2 до 15-20 %, а в ферраллитных почвах тропиков и бокситах может превысить 40 %.

На содержание алюминия определенный отпечаток накладывает почвообразовательный процесс. В зависимости от типа почвы меняется как среднее содержание этого элемента в почвенной толще, так и его распределение по генетическим горизонтам. Значение алюминия в почвообразовании и плодородии почв, согласно Д.С. Орлову (1985), определяется следующими положениями: 1) высокое содержание алюминия в почвах и его участие в формировании алюмосиликатов обусловливает его ведущую, наряду с Si, О и С, конституционную роль. Следует упомянуть, что алюмосиликаты – наиболее распространенные минералы, составляющие до 85 % массы земной коры. При этом какое-либо специфическое влияние алюминия на морфологические признаки почв не выражено; 2) алюминий обладает достаточно высокой реакционной и миграционной способностью и образует многообразные формы соединений. Он активно участвует в перераспределении вещества по почвенному профилю, а его соединения и характер их распределения могут быть использованы для диагностики почв и некоторых процессов; 3) алюминий участвует в формировании потенциальной (обменной и гидролитической) кислотности почв; 4) повышенное содержание подвижных соединений алюминия небезразлично для растений; в их присутствии образуются труднорастворимые фосфаты алюминия, фосфор которых при старении и кристаллизации осадков становится мало доступным растениям. Кроме того, алюминий токсичен для многих растений: уже при концентрации его в растворе, равной 2 мг/л, наблюдается резкое ухудшение развития корневой системы, нарушается углеводный, азотный и фосфатный обмен. Более высокие концентрации алюминия вызывают резкое снижение урожая зерновых культур и даже их гибель.

С.В. Зонн и А.П. Травлеев (1992), рассматривая роль алюминия в почвообразовании, делают три концептуальных вывода: 1) темпы высвобождения оксидов алюминия из минералов обусловливаются снижением увлажнения и тепла вплоть до пустынных карбонатно-щелочных и глеево-кислых почв тундры; 2) одними из ведущих факторов, влияющих на высвобождение оксидов алюминия, являются организмы и их мортмасса. Со снижением тепла и повышением атмосферного увлажнения возрастает продуцирование гумусовых кислот, усиливается образование алюмофульватных соединений, приобретающих подвижность и повышенный вынос, чем определяется относительное накопление гумусо-железистых соединений кварца и кремнезема в почвах ниже гумусово-аккумулятивного горизонта. При повышении гидротермических показателей возрастает вынос всех соединений, включая SiO2; Al- и Fe-оксиды снижают подвижность, несмотря на относительно большее увлажнение. При высоких термических (степных, пустынных) режимах оксиды алюминия наименее активны. Высвобождение их из минералов затухает, и они теряют свое диагностическое значение; 3) высотный (вертикальный) фактор в пределах субтропической и тропической зон усиливает аллитизацию, интенсифицирует воздействие гумусовых и других кислот. В полярных и умеренно-полярных условиях вынос алюминия и железа усиливается, чем и обусловливаются различия в относительном повышении диоксида кремния в верхней толще почв.

Формы соединений алюминия в почве

Алюминий в почвах представлен соединениями с резко различной растворимостью, а для почв гумидных областей (подзолистые, дерново-подзолистые, желтоземы) характерно присутствие не только легкорастворимого, но и обменного алюминия. Возможные формы соединений алюминия в почвах очень разнообразны. Это оксиды и гидроксиды алюминия; содержащие алюминий минералы-соли; простые и комплексные соединения алюминия с органическими веществами и, наконец, алюмосиликаты.

С.В. Зонн и А.П. Травлеев (1992) выделяют следующие группы и формы соединений алюминия в почвах:

• А. Основные, или первичные, группы соединений алюминия:
  • Силикатные, входящие в состав первичных минералов.
  • Несиликатные (свободные), высвобождающиеся при выветривании из первичных минералов, которые состоят из: а) окристаллизованных оксидов и гидроксидов; б) аморфных – первичных оксидов.
  • Экстрагируемые, или активные, подразделяемые на: а) алюмоорганические соединения или комплексы; б) обменные; в) необменные.

  Содержание тех или иных групп и форм алюминия в почвах и их соотношения имеют большое значение для установления направления и интенсивности почвообразовательного процесса. Соединения алюминия в одних почвах могут быть как бы законсервированными карбонатно-кальциево-магниевыми оболочками и находиться в неизменном состоянии, пока существует их защита.

  Другие почвы содержат преимущественно в различной степени окристаллизованные оксиды и гидроксиды алюминия, а также в различных соотношениях слабо окристаллизованные и аморфные формы окисного типа. Эти последние составляют преимущественно илистую и коллоидную фракции почв. В процессе почвообразования в них образуются подвижные ионные фракции алюминия: экстрагируемые, обменные и необменные формы, находящиеся в физико-химических связях с дисперсной частью почв. Несиликатные формы соединений алюминия переходят в почвенный раствор в результате разрушения минералов или замещения ионов алюминия другими катионами при воздействии нейтральных и сильнокислых растворов.

  Миграция и аккумуляция алюминия в почве

  В зависимости от физико-химических условий среды и формы соединений алюминий по-разному мигрирует и аккумулируется в почвах. Высвобождение алюминия при деструкции минералов может происходить либо в результате усиленного выноса всех остальных более подвижных в соответствующих условиях химических элементов, либо вследствие разрушающего воздействия на алюмосиликаты микробных метаболитов, образующих с алюминием комплексные соединения. В первом случае алюминий может накапливаться в виде минерального остатка, в последнем же он сразу подвергается хелатизации, связывается в металлорганический комплекс и приобретает подвижность.

  Роль органо-минеральных комплексов в миграции алюминия

  Подвижность алюминия в почвах обусловлена в значительной степени его способностью к образованию органо-минеральных комплексов, в составе которых он может мигрировать в широком диапазоне рН. В основе механизма мобилизации алюминия из кристаллических решеток алюмосиликатов часто лежат реакции хелатизации.

  Образующиеся при этом алюмоорганические соединения широко распространены в природе, их появление в почвах – результат воздействия продуктов разложения растительных остатков и специфических гумусовых кислот на алюмосиликаты почвообразующей породы. В подзолистых почвах они присутствуют в форме органо-минеральных комплексов, образованных алюминием с гумусовыми кислотами. В иллювиальных горизонтах подзолов в значительных количествах закрепляются и накапливаются алюмоорганические соединения фульвокислот.

  Комплексные соединения алюминия не только постоянно образуются в профиле почвы в результате взаимодействия продуктов превращения растительных остатков с алюмосиликатами породы, но и поступают в нее уже в готовом виде с растительным опадом.

  Биогенная трансформация соединений алюминия

  Поступившие в почву и образовавшиеся в ней алюмоорганические соединения в зависимости от конкретной экологической обстановки могут:

  • минерализоваться;
  • выноситься за пределы почвенного профиля;
  • консервироваться и закрепляться в составе гумусовых веществ.

  В почвах влажных тропиков преобладают процессы минерализации и выноса алюмоорганических комплексов, а в почвах подзолистой зоны достаточно хорошо выражены процессы их консервации. Согласно воззрениям автора, разложение низкомолекулярных комплексных соединений алюминия и алюмоорганических комплексов фульвокислот происходит под влиянием микроорганизмов.

  Участие микроорганизмов в цикле превращения алюминия включает несколько процессов:

  • мобилизацию алюминия из первичных и вторичных минералов;
  • разложение (минерализацию) алюмоорганических соединений;
  • аккумуляцию гидроксида алюминия (Бабьева И.П., Зенова Г.М., 1989).

  Рис. 68. Цикл превращения алюминия в почвах

  Процессы минерализации алюмоорганических комплексных соединений связаны с жизнедеятельностью грибов и микроорганизмов группы микоплазм В присутствии органо-минеральных соединений алюминия или железа гифы грибов в симбиозе с покрываются отложениями гидроксидов соответствующего металла. Один из важных механизмов мобилизации алюминия из кристаллических решеток алюмосиликатов – хелатизация. В этом процессе участвуют, с одной стороны, агрессивные продукты микробного синтеза и микробного разложения растительных остатков, с другой – специфические органические вещества почвы – гумусовые кислоты.

  Образующиеся алюмоорганические соединения широко распространены в почвах. Эти соединения не только образуются в самой почве, но и поступают в нее с растительными остатками в виде комплексов алюминия с органическими кислотами, аминокислотами и белками. Далее в зависимости от экологических условий эти соединения в почве претерпевают различные превращения: выносятся за пределы почвенного профиля, минерализуются, закрепляются в составе гумусовых веществ.

  Рассматривая вопросы, связанные с содержанием алюминия и трансформацией его соединений в почвах, нельзя обойти проблему кислотности почв и роли в ней ионов алюминия и водорода. В настоящее время различают следующие формы почвенной кислотности: 1) актуальная кислотность; 2) потенциальная кислотность, которая подразделяется на обменную и гидролитическую. Актуальная кислотность обусловлена наличием в почвенном растворе угольной кислоты, органических кислот, гидролитически кислых солей, а также других компонентов, проявляющих кислые свойства. В числе последних наибольшее влияние оказывают ионы алюминия, причем его кислотные свойства соизмеримы с кислотными свойствами таких кислот, как угольная и уксусная. Обменная кислотность обусловлена обменно-поглощенными катионами водорода и алюминия и проявляется при действии растворов нейтральных солей:

  [ППК]Н ППК]К + HCl;

  [ППК]Al + 3KCl = [ППК]3К + AlCl3.

  При этом хлорид алюминия подвергается гидролитической диссоциации с образованием слабого основания и сильной кислоты, которая также подкисляет почвенный раствор. Тем самым алюминий также участвует в формировании гидролитической кислотности.