Геохімічні особливості та поширеність алюмінію в ґрунтовому покриві

За поширеністю у природі алюміній посідає третє місце після кисню та кремнію і перше – серед металів. Його кларк у земній корі дорівнює 7,45 %, у ґрунті – 7,12, морській воді – 1·10–6, рослинах – 0,02, тваринах – 1·10–5 %. У вільному вигляді алюміній через свою хімічну активність не зустрічається. Відомо кілька сотень мінералів алюмінію. Найважливіші з них: боксити, алуніт, каолін, нефелін. Він входить до складу численних польових шпатів: ортоклазу, альбіту, а також цеоліту, слюд. Для алюмінію характерна чітко виражена концентраційна диференціація залежно від породи. Ультраосновні породи містять у середньому близько 0,45 % алюмінію, а в осадових породах (глинах, сланцях) його кількість зростає до 10-11 %. Кислі, середні та основні породи (граніти, діорити, базальти) посідають проміжне положення – 7-9 %.

Геохімічні особливості алюмінію визначаються його великою спорідненістю до кисню (у мінералах алюміній входить до кисневих октаедрів і тетраедрів), постійною валентністю (+3), слабкою розчинністю більшості природних сполук. В ендогенних процесах під час застигання магми та формування вивержених порід алюміній входить у кристалічну ґратку польових шпатів, слюд та інших мінералів – алюмосилікатів. У біосфері алюміній – слабкий мігрант, його мало в організмах та гідросфері. Схема біогеохімічного кругообігу алюмінію представлена на рисунку 67 (Орлов Д.С., Безуглова О.С., 2000).

Рис. 67. Біогеохімічний кругообіг алюмінію

У гумідних ландшафтах алюміній входить до складу органо-мінеральних колоїдів ґрунтів, Al3+ сорбується глинами та гумусом. Під захистом органічних колоїдів алюміній мігрує і в болотних водах. Зв'язок із кремнієм при цьому частково порушується, що призводить до утворення гідроксидів алюмінію, мінералів беміту та гідраргіліту. Усе ж таки значна частина алюмінію залишається у складі каолініту та інших глинистих мінералів. Слабка рухливість цього елемента визначає залишкове накопичення його гідроксидів у корі вивітрювання вологих тропіків та утворення бокситів. Міграція алюмінію меншою мірою залежить від окисно-відновних умов, оскільки він має постійну валентність. Водночас амфотерність цього елемента забезпечує його залежність від кислотно-основних умов середовища: у сильнокислому середовищі він поводиться як катіон, а в сильнолужному – утворює аніонні комплекси. У нейтральних та слабколужних водах степів і пустель він практично не мігрує, найвища рухливість алюмінію – у сильнокислих водах вулканічних районів та зон окислення сульфідів. У сильнолужних термальних і холодних содових водах цей елемент інтенсивно мігрує в аніонній формі AlО2–. З цими процесами пов'язане утворення давсоніту 3)(OH2)] та інших мінералів алюмінію, що місцями формують великі поклади.

Вміст алюмінію у ґрунтах зумовлений головним чином присутністю польових шпатів та глинистих мінералів і частково слюд, епідотів, гранату, корунду та інших багатих на алюміній первинних мінералів. Може бути присутній і вільний глинозем у вигляді різноманітних гідроксидів алюмінію (беміт, діаспор, гідраргіліт) в аморфній або кристалічній формі. Валовий вміст алюмінію у ґрунтах зазвичай коливається від 1-2 до 15-20 %, а у фералітних ґрунтах тропіків і бокситах може перевищити 40 %.

На вміст алюмінію певний відбиток накладає ґрунтотворний процес. Залежно від типу ґрунту змінюється як середній вміст цього елемента у ґрунтовій товщі, так і його розподіл за генетичними горизонтами. Значення алюмінію у ґрунтотворенні та родючості ґрунтів, згідно з Д.С. Орловим (1985), визначається такими положеннями: 1) високий вміст алюмінію у ґрунтах та його участь у формуванні алюмосилікатів зумовлює його провідну, поряд із Si, О та С, конституційну роль. Слід згадати, що алюмосилікати – найпоширеніші мінерали, що становлять до 85 % маси земної кори. При цьому будь-який специфічний вплив алюмінію на морфологічні ознаки ґрунтів не виражений; 2) алюміній має досить високу реакційну та міграційну здатність і утворює різноманітні форми сполук. Він активно бере участь у перерозподілі речовини за ґрунтовим профілем, а його сполуки та характер їхнього розподілу можуть бути використані для діагностики ґрунтів і деяких процесів; 3) алюміній бере участь у формуванні потенційної (обмінної та гідролітичної) кислотності ґрунтів; 4) підвищений вміст рухомих сполук алюмінію не є байдужим для рослин; у їхній присутності утворюються важкорозчинні фосфати алюмінію, фосфор яких під час старіння та кристалізації осадів стає малодоступним для рослин. Крім того, алюміній токсичний для багатьох рослин: уже при концентрації його в розчині, що дорівнює 2 мг/л, спостерігається різке погіршення розвитку кореневої системи, порушується вуглеводний, азотний та фосфатний обмін. Вищі концентрації алюмінію викликають різке зниження врожаю зернових культур і навіть їхню загибель.

С.В. Зонн та А.П. Травлєєв (1992), розглядаючи роль алюмінію в ґрунтоутворенні, роблять три концептуальні висновки: 1) темпи вивільнення оксидів алюмінію з мінералів зумовлюються зниженням зволоження і тепла аж до пустельних карбонатно-лужних і глеєво-кислих ґрунтів тундри; 2) одними з провідних факторів, що впливають на вивільнення оксидів алюмінію, є організми та їхня мортмаса. Зі зниженням тепла і підвищенням атмосферного зволоження зростає продукування гумусових кислот, посилюється утворення алюмофульватних сполук, що набувають рухливості та підвищеного винесення, чим визначається відносне накопичення гумусово-залізистих сполук кварцу і кремнезему в ґрунтах нижче гумусово-акумулятивного горизонту. При підвищенні гідротермічних показників зростає винесення всіх сполук, включаючи SiO2; Al- і Fe-оксиди знижують рухливість, попри відносно більше зволоження. При високих термічних (степових, пустельних) режимах оксиди алюмінію найменш активні. Вивільнення їх із мінералів згасає, і вони втрачають своє діагностичне значення; 3) висотний (вертикальний) фактор у межах субтропічної і тропічної зон посилює алітизацію, інтенсифікує вплив гумусових та інших кислот. У полярних і помірно-полярних умовах винесення алюмінію і заліза посилюється, чим і зумовлюються відмінності у відносному підвищенні діоксиду кремнію у верхній товщі ґрунтів.

Форми сполук алюмінію в ґрунті

Алюміній у ґрунтах представлений сполуками з різко відмінною розчинністю, а для ґрунтів гумідних областей (підзолисті, дерново-підзолисті, жовтоземи) характерна присутність не тільки легкорозчинного, а й обмінного алюмінію. Можливі форми сполук алюмінію в ґрунтах дуже різноманітні. Це оксиди і гідроксиди алюмінію; мінерали-солі, що містять алюміній; прості та комплексні сполуки алюмінію з органічними речовинами і, нарешті, алюмосилікати.

С.В. Зонн та А.П. Травлєєв (1992) виділяють такі групи і форми сполук алюмінію в ґрунтах:

• А. Основні, або первинні, групи сполук алюмінію:
  • Силікатні, що входять до складу первинних мінералів.
  • Несилікатні (вільні), що вивільняються при вивітрюванні з первинних мінералів, які складаються з: а) окристалізованих оксидів і гідроксидів; б) аморфних – первинних оксидів.
  • Екстраговані, або активні, що поділяються на: а) алюмоорганічні сполуки або комплекси; б) обмінні; в) необмінні.

  Вміст тих чи інших груп і форм алюмінію в ґрунтах та їхні співвідношення мають велике значення для встановлення напрямку й інтенсивності ґрунтоутворювального процесу. Сполуки алюмінію в одних ґрунтах можуть бути ніби законсервованими карбонатно-кальцієво-магнієвими оболонками і перебувати в незмінному стані, поки існує їхній захист.

  Інші ґрунти містять переважно різною мірою окристалізовані оксиди і гідроксиди алюмінію, а також у різних співвідношеннях слабко окристалізовані й аморфні форми оксидного типу. Ці останні становлять переважно мулисту і колоїдну фракції ґрунтів. У процесі ґрунтоутворення в них утворюються рухливі іонні фракції алюмінію: екстраговані, обмінні та необмінні форми, що перебувають у фізико-хімічних зв'язках із дисперсною частиною ґрунтів. Несилікатні форми сполук алюмінію переходять у ґрунтовий розчин в результаті руйнування мінералів або заміщення іонів алюмінію іншими катіонами при впливі нейтральних і сильнокислих розчинів.

  Міграція і акумуляція алюмінію в ґрунті

  Залежно від фізико-хімічних умов середовища і форми сполук алюміній по-різному мігрує й акумулюється в ґрунтах. Вивільнення алюмінію при деструкції мінералів може відбуватися або в результаті посиленого винесення всіх інших більш рухливих у відповідних умовах хімічних елементів, або внаслідок руйнівної дії на алюмосилікати мікробних метаболітів, що утворюють з алюмінієм комплексні сполуки. У першому випадку алюміній може накопичуватися у вигляді мінерального залишку, в останньому ж він відразу піддається хелатизації, зв'язується в металоорганічний комплекс і набуває рухливості.

  Роль органо-мінеральних комплексів у міграції алюмінію

  Рухливість алюмінію в ґрунтах зумовлена значною мірою його здатністю до утворення органо-мінеральних комплексів, у складі яких він може мігрувати в широкому діапазоні рН. В основі механізму мобілізації алюмінію з кристалічних ґраток алюмосилікатів часто лежать реакції хелатизації.

  Алюмоорганічні сполуки, що утворюються при цьому, широко поширені в природі, їхня поява в ґрунтах – результат впливу продуктів розкладання рослинних решток та специфічних гумусових кислот на алюмосилікати ґрунтоутворюючої породи. У підзолистих ґрунтах вони присутні у формі органо-мінеральних комплексів, утворених алюмінієм із гумусовими кислотами. В ілювіальних горизонтах підзолів у значних кількостях закріплюються й накопичуються алюмоорганічні сполуки фульвокислот.

  Комплексні сполуки алюмінію не лише постійно утворюються в профілі ґрунту в результаті взаємодії продуктів перетворення рослинних решток з алюмосилікатами породи, а й надходять до нього вже у готовому вигляді з рослинним опадом.

  Біогенна трансформація сполук алюмінію

  Алюмоорганічні сполуки, що надійшли до ґрунту та утворилися в ньому, залежно від конкретної екологічної обстановки можуть:

  • мінералізуватися;
  • виноситися за межі ґрунтового профілю;
  • консервуватися та закріплюватися у складі гумусових речовин.

  У ґрунтах вологих тропіків переважають процеси мінералізації та винесення алюмоорганічних комплексів, а в ґрунтах підзолистої зони досить добре виражені процеси їх консервації. Згідно з поглядами автора, розкладання низькомолекулярних комплексних сполук алюмінію та алюмоорганічних комплексів фульвокислот відбувається під впливом мікроорганізмів.

  Участь мікроорганізмів у циклі перетворення алюмінію включає кілька процесів:

  • мобілізацію алюмінію з первинних та вторинних мінералів;
  • розкладання (мінералізацію) алюмоорганічних сполук;
  • акумуляцію гідроксиду алюмінію (Баб’єва І.П., Зенова Г.М., 1989).

  Рис. 68. Цикл перетворення алюмінію в ґрунтах

  Процеси мінералізації алюмоорганічних комплексних сполук пов'язані з життєдіяльністю грибів та мікроорганізмів групи мікоплазм. У присутності органо-мінеральних сполук алюмінію або заліза гіфи грибів у симбіозі вкриваються відкладеннями гідроксидів відповідного металу. Один із важливих механізмів мобілізації алюмінію з кристалічних ґраток алюмосилікатів – хелатизація. У цьому процесі беруть участь, з одного боку, агресивні продукти мікробного синтезу та мікробного розкладання рослинних решток, з іншого – специфічні органічні речовини ґрунту – гумусові кислоти.

  Алюмоорганічні сполуки, що утворюються, широко поширені в ґрунтах. Ці сполуки не лише утворюються в самому ґрунті, а й надходять до нього з рослинними рештками у вигляді комплексів алюмінію з органічними кислотами, амінокислотами та білками. Далі залежно від екологічних умов ці сполуки в ґрунті зазнають різних перетворень: виносяться за межі ґрунтового профілю, мінералізуються, закріплюються у складі гумусових речовин.

  Розглядаючи питання, пов'язані з вмістом алюмінію та трансформацією його сполук у ґрунтах, не можна оминути проблему кислотності ґрунтів і ролі в ній іонів алюмінію та водню. На цей час розрізняють такі форми ґрунтової кислотності: 1) актуальна кислотність; 2) потенційна кислотність, яка поділяється на обмінну та гідролітичну. Актуальна кислотність зумовлена наявністю у ґрунтовому розчині вугільної кислоти, органічних кислот, гідролітично кислих солей, а також інших компонентів, що виявляють кислі властивості. Серед останніх найбільший вплив мають іони алюмінію, причому його кислотні властивості співмірні з кислотними властивостями таких кислот, як вугільна та оцтова. Обмінна кислотність зумовлена обмінно-поглинутими катіонами водню та алюмінію і проявляється під час дії розчинів нейтральних солей:

  [ППК]Н ППК]К + HCl;

  [ППК]Al + 3KCl = [ППК]3К + AlCl3.

  При цьому хлорид алюмінію піддається гідролітичній дисоціації з утворенням слабкої основи та сильної кислоти, яка також підкислює ґрунтовий розчин. Тим самим алюміній також бере участь у формуванні гідролітичної кислотності.