Биогеохимия химических элементов в почвенном покрове (110

морские воды), вызывая растущую эвтрофикацию вод и загрязнение почв и продуктов питания.

В составе гумуса почв азот занимает сравнительно скромное место (5– 10 %), но его общее содержание в почвах тем выше, чем они богаче гумусом. Лишь в особых условиях крайне аридных пустынь азот накапливается в больших количествах в форме залежей селитры.

Естественным путем фиксации азота и появления его соединений на суше и в океане были и остаются процессы его связывания симбиотическими и свободно живущими микроорганизмами, водорослями, лишайниками, микоризой. Далее идут процессы минерализации белков, аммонификация, нитрификация, денитрификация, повторный захват нитратов и аммония растениями.

Кроме бактерий группы Rhizobium, фиксирующих азот в клубеньковых образованиях на корнях бобовых растений, широко развита несимбиотическая фиксация азота гетеротрофными бактериями и грибами (Умаров, 1983). Синезеленые водоросли обогащают азотом орошаемые почвы, речные, озерные и болотные воды и наносы.

Развитие растительного покрова, возникновение почвообразовательного процесса, формирование гумусовой оболочки и почвенного мелкозема, его снос и накопление в виде толщ осадочных пород усилили процесс поступления азота в биосферу.

Таким образом, современный биогеохимический цикл азота на суше представлен следующими главными формами поступления его соединений:

1)биогенная фиксация азота в почвах микроорганизмами симбиотического и несимбиотического типа;

2)поступление в растворы с метаболитами пищевых цепей, с отмершим органическим веществом, с продуктами минерализации органического вещества почв;

3)поступление оксидов азота из продуктов сжигания горючих ископаемых;

4)внесение азота в почвы с удобрениями;

5)перенос и накопление нитратов при испарении грунтовых вод.

5. Особенности миграции продуктов выветривания и почвообразования

Продукты выветривания и почвообразования, образующиеся на суше, редко остаются и сохраняются на месте возникновения (in situ). Различия между абсолютными отметками суши и океана создают колоссальные запасы потенциальной и кинетической энергии на континентах, способные выполнять огромную геохимическую, геологическую и почвообразующую работу. Возникает общеземной биогеохимический перенос – поток водных

11

масс, обломочного материала, твердых, растворенных и газообразных продуктов выветривания и почвообразования от горных регионов и высоких плато к низменностям, морям и океану. Часть биогеохимического потока вещества и энергии направлена не в океан, а в бессточные низменности и депрессии.

Горы и высокие плато окружены полосой делювиальных и пролювиальных покровов, шлейфов, конусов, сухих дельт, образующих наклонные подгорные транзитные равнины. Равнины, низменности, долины и особенно дельты рек являются областями аккумуляции механических и растворенных продуктов, принесенных под влиянием сил гравитации вод временных потоков, рек, подземных вод. Это современные гидроморфные, субаквальные, земноводные ландшафты наиболее активного накопления и положительного биогеохимического баланса продуктов выветривания и почвообразования, приносимых со стороны гор и высоких плато.

Свойства почвообразующих пород, почв, их генетические горизонты и профиль, пестрота и комплексность почвенного покрова отражают биогеохимическую и географическую историю местности типов баланса веществ в прошлом и настоящем.

Компоненты и факторы переноса. Постоянными компонентами про-

цессов биогеохимической миграции и дифференциации вещества на суше являются продукты механического и химического разрушения, суспензии, коллоидные, молекулярные, ионные растворы, аэрозоли, летучие соединения и газы минерального, биогенного и антропогенного происхождения. Так, гравий, песок и пыль переносятся водными и воздушными потоками; глины – водными суспензиями; гумус и органические остатки – ионными и коллоидными растворами, тонкими суспензиями; тяжелые металлы – в виде оксидов, хелатов, коллоидных растворов и тонких суспензий; летучие соединения, газы, пары, углеводороды – воздушными потоками и растворами.

Горизонтальный перенос механического обломочного материала по уклону местности происходит под влиянием сил гравитации, движения льда и воды. Перенос водорастворимых продуктов выветривания и почвообразования происходит и в нисходящем направлении в глубь породы и почв, и в восходящем направлении в виде капиллярно-пленочной влаги. Происходит также и ограниченное боковое движение капиллярных растворов.

Таким образом, механическая дифференциация продуктов выветривания и почвообразования в ходе их переноса и осаждения ведет к формированию почвообразующих пород и пойменно-дельтовых почв различного гранулометрического и химико-минералогического состава. Подземные воды переносят огромные количества различных солей, пропитывающих отложенный делювий, пролювий, аллювий, и способствуют их аккумуляции в низменностях, дельтах и морях (Глазовский, 1977).

12

Миграционная способность продуктов выветривания и почвообразования тем выше, чем больше их растворимость в воде. Такие малорастворимые соединения, как силикаты, углекислый кальций и доломит, при испарении почвенных и грунтовых вод быстро образуют насыщенные растворы, выпадают в осадок и аккумулируются в осадочных породах и почвах. Значительно выше растворимость и миграционная способность углекислых и сернокислых солей натрия и калия, что усиливает их выщелачивание и перемещение на дальние расстояния.

Особенно велика растворимость хлоридов кальция и магния, нитратов натрия и кальция, которые образуют растворы высоких концентраций, что приводит к сильной засоленности почв.

На геохимическую подвижность химических элементов влияют как минеральные соли, так и гумусовые кислоты, особенно фульвокислоты. Фульваты Fe, Al, Mn, Ni, Co, Cu, как правило, растворимы (Тюрин, 1949; Пономарева, 1949). В анаэробной кислой среде эти фульваты настолько мобильны, что в больших количествах поступают в почвенные и грунтовые воды, в родники и реки.

Растворы гуминовой кислоты в кислом и нейтральном интервале реакции осаждают и Fe, Al, Mn, Ni, Co, Cu. Эти практически нерастворимые осадки гуматов являются как чисто химическими солеобразными соединениями, так и продуктами взаимной коагуляции и адсорбции (Александрова, 1954). В щелочной среде образуются подвижные коллоидные растворы гуматов щелочей. Однако двухвалентные и трехвалентные металлы в щелочной среде образуют нерастворимые или малорастворимые осадки.

Подвижные органо-минеральные соединения, поступив в почвенные и поверхностные воды, в дальнейшем уносятся геохимическим потоком в транзитные и аккумулятивные ландшафты. Они передвигаются также и с капиллярной влагой. Соединения фульвокислот мигрируют в геохимическом потоке в депрессии и накапливаются в гидроморфных почвах совме-

стно с Fe, Al, Mn, Р.

Почвы низинных болот, пойм, дельт обычно обогащены этими элементами. Хорошо известны иллювиально-гумусовые горизонты в подзолистых песчаных почвах, содержащие до 5–8 % гумуса в ожелезненном уплотненном горизонте. В субтропических и тропических подзолах часто образуются гумусовые, с Fe, Al, Mn, уплотненные горизонты гидрогенного происхождения (Ковда, 1985).

Растворимость некоторых соединений возрастает в щелочной среде, что характерно для кремнезема. Алюминий имеет два максимума растворимости: при рН 3–3,5 и рН 9–10, в кислой среде он ведет себя как катион, в щелочной – как анион. Гидроксиды металлов обладают высокой подвижно-

стью лишь в определенных условиях реакции среды. Так, гидроксид Fe3+

выпадает в осадок при рН 3–5, Fe2+ – рН 5,5–7,5, Al3+ – рН 4–6, Be – рН 6,

13

Zn2+ – pH 6–7, Mn2+ – pH 8,5–10, Mg2+ – рН 10,5–11 (Ферсман, 1954). Гидро-

ксиды многих тяжелых металлов выпадают в осадок лишь при высокой щелочности, например, Co2+. Ni2+, Cd2+, Mn2+.

Микроэлементы Sr, Be, Cu, Zn, Mn, Co подвижны в кислой среде; As, Cr, V, Mo мобильны в щелочной среде; Li, Rb, Cs, Br, I подвижны в широком диапазоне рН (Перельман, 1979). Растворимость соединений элементов с переменной валентностью зависит от условий окислительно-восстано- вительной обстановки и реакции среды. Например, в пустынных почвах накапливаются продукты господства окислительного режима: нитраты, сульфаты, хроматы, ванадаты.

Процессы окисления в природе протекают легче в щелочной среде и значительно труднее в кислой. Сизые, голубые, зеленые, ржаво-охристые тона в окраске – надежный показатель восстановительных процессов, затронувших соединения железа и марганца. Оранжевые, красные, фиолетовые, палевые, бурые цвета – признак окисленности почв и коры выветривания.

Миграционная способность продуктов выветривания зависит от способности вновь возникших химических соединений к взаимодействию. Компоненты, которые химически сравнительно пассивны и не реагируют друг с другом, обладают наиболее высокой миграционной способностью, оставаясь в растворе и перемещаясь с почвенными, грунтовыми или речными водами. Они мало участвуют в последующем формировании других малорастворимых соединений. К таким соединениям относятся хлористый натрий, сернокислый магний, сернокислый и углекислый кальций.

Соединения кремния, алюминия, фосфора, калия и железа дают огромное количество продуктов взаимодействия с низкой растворимостью. Так, подвижный кремнезем и полуторные оксиды образуют много ничтожно растворимых глинистых минералов. Соединения фосфора, реагируя с кальцием, железом, алюминием, образуют разнообразные малорастворимые вторичные фосфаты. Калий и магний связываются в глинистых минералах в необменной форме.

Роль живого вещества. Растительные и животные организмы удерживают в своих тканях миллиарды тонн минеральных веществ. Чем больше биогенное значение химических элементов и чем в большей степени они захватываются живущими организмами, тем лучше они защищены от прямого выноса грунтовыми и речными водами. Поэтому элементы с высокой степенью биогенности (C, N2, P, S, K, Ca) обладают суммарно меньшей миграционной способностью, чем элементы, не играющие существенной роли в химическом составе организмов (Cl, Na, Mg).

Соединения малой биогенности слабо захватываются или легко отбрасываются живущими организмами, поэтому они отличаются высокой миграционной способностью и выносятся природными водами далеко за пре-

14

делы своего образования, участвуя в процессах соленакопления, например, углекислые, сернокислые и хлористые соли натрия и магния.

Живое вещество активно влияет на геохимическую среду, дифференциацию, отток и задержание химических веществ через пищевые цепи, метаболиты, посмертные остатки. Огромную активную аккумулирующую геохимическую роль играют растения и, как следствие этого, почвенный покров.

Геохимическая подвижность продуктов выветривания и почвооб-

разования. Установлено пять групп относительной подвижности элементов

Соединения элементов 1 и 2 групп будут легко выноситься из элювиальной коры выветривания и накапливаться в аккумулятивной коре выветривания. Слабоподвижные и инертные элементы, наоборот, будут относительно накапливаться в элювиальных горизонтах и корах выветривания.

В. А. Ковда (1985) предложил эмпирическую группировку соединений по их геохимической подвижности, связанную в основном с условиями геохимии почв (табл. 1).

Соединения очень высокой подвижности. К этой группе относятся нитраты, хлориды щелочей и щелочных земель, сульфаты натрия, калия, магния, цинка, урана, карбонаты натрия и калия. Наиболее растворимые из них – нитраты, хлориды, бромиды и йодиды – выщелачиваются в условиях элювиальных и горно-эрозионных ландшафтов. Весьма энергично они накапливаются в почвах и коре выветривания аккумулятивных аридных ландшафтов. Сульфаты и карбонаты щелочей, обладающие несколько меньшей растворимостью, задерживаются в транзитных ландшафтах по пути их миграции.

Таблица 1

Педогеохимическая подвижность главных продуктов почвообразования

15

Соединения высокой подвижности. Это – углекислые и двууглекислые соли магния, кальция, стронция, цинка, сернокислые кальций и стронций, фульваты большинства металлов. Соли кальция и магния выщелачиваются в областях господства элювиальных процессов. В аккумулятивных и транзитных ландшафтах сульфаты и карбонаты кальция образуют резко выраженные скопления в виде конкреций или сплошных горизонтов. Катионы кальция, магния, калия и натрия интенсивно поглощаются и задерживаются коллоидно-дисперсными системами почв и осадочных пород. Кальций представлен в почвах малорастворимыми карбонатами и фосфатами. Наибольшей миграционной подвижностью отличаются соединения натрия.

Соединения первой и второй групп в виде разнообразных смесей солей разной растворимости и концентрации присутствуют в почвенных растворах, речных и грунтовых водах. В условиях аридного климата эти соли интенсивно накапливаются в почвах и грунтах степей, саванн, пустынь, образуя соленосные осадочные породы и засоленные почвы.

Соединения умеренной подвижности. В эту группу входят ионные и кол-

лоидные растворы кремнезема, бикарбонаты и фосфаты железа, марганца, кобальта, комплексные соединения алюминия, железа, марганца, кобальта, никеля, меди с органическими кислотами. Они обладают относительно небольшой, но все же вполне выраженной миграционной способностью.

Соединения кремнезема, марганца, железа, фосфора ограничены в пространственной миграции, задерживаются частично в области элювия либо выпадают вследствие хемогенных и биогенных реакций в осадок в области делювия, пролювия и аллювия транзитных ландшафтов. Однако значительные количества соединений кремнезема, марганца, железа, кобальта, никеля уходят с водами грунтового и поверхностного стока в аккумулятивные области, образуя скопления в пойменных осадках и почвах, в дельтовых и прибрежных зонах морей и океанов, в озерах и болотах.

Соединения низкой подвижности. Значительно меньшей подвижностью в коре выветривания и почвах отличаются соединения алюминия, окисных железа и марганца, титана, карбонаты и сульфаты бария и отчасти стронция и цинка. В гидроморфных условиях соединения железа и марганца образуют часто значительные скопления в почвах, болотах, озерах, лагунных и шель-

16

фовых зонах морей. В почвах они образуют резко выраженные горизонты накопления – латеритные коры, ортштейн, железистые кирасы.

Соединения ничтожной подвижности (инертные). Группа включает такие высокоустойчивые минералы как кварц, циркон, глинные минералы, сульфиды металлов, соединения тория, ниобия, тантала. Вследствие своей инертности кварц и циркон являются типичными компонентами остаточной коры выветривания, накапливаясь в толще элювия. Однако при высоких степенях дисперсности, особенно в щелочных условиях, кварц способен к постепенному, очень слабому растворению и миграции. Глины также могут в какой-то мере пептизироваться и мигрировать (лессиваж).

6. Миграция и аккумуляция соединений кремнезема в почвах

Кремнезем постоянно поступает в почвенные растворы и грунтовые воды в результате гидролиза раздробленных алюмосиликатов и растворения кварца, халцедона, опала, а также минерализации растительных остатков. Наиболее глубокая и полная десиликация почв и коры выветривания характерна для влажных тропиков. Различные минералы кремния абсолютно преобладают над другими минералами, поэтому присутствие кремнезема в водах, циркулирующих в горных породах, грунтах и почвах, является универсальным биогеохимическим явлением, одинаково характерным для всех природных зон.

Достаточно заметная растворимость и миграционная способность характерны для ионных и молекулярных растворов соединений ортокремниевой (H4SiO4) и метакремниевой (H2SiO3) кислот, кремнийорганических соединений типа полимеров, коллоидных растворов гидроксида кремния и тонких суспензий аморфных гелeй типа nSiO2 · mH2O. Высокополимерные соединения кремния являются устойчивыми мигрантами, выпадающими в осадок под влиянием солей кальция, магния, натрия.

Растворимость и подвижность кремнезема резко возрастают с увеличением рН среды, особенно в щелочном интервале. Повышение температуры также весьма сильно увеличивает растворимость аморфного кремнезема. Испарение, транспирация или замерзание растворов, содержащих кремнезем, вызывает выпадение его в осадок в форме гелей, аморфной присыпки, корочек, или плотной коры. В содовых солончаках и солонцовых почвах идет мобилизация соединений подвижного кремнезема щелочными растворами, их перемещение в профиле с явлениями сильно выраженной слитости и цементации почвенных горизонтов.

Кремнезем, поступивший в раствор при выветривании, осаждается также биологическим путем. Диатомовые водоросли, радиолярии, растения,

17

особенно злаки, усваивают подвижный кремнезем, полимеризуют его в опал и переводят в осадок.

Почвы аридных районов значительно богаче кремнеземом, чем почвы влажных областей. Скопления опалового кремнезема и халцедон-кварца были обнаружены Б. Б. Полыновым (1952) в ортштейновых горизонтах песчаных почв древних террас Дона. Вторичные соединения кремнезема обладают весьма широким ареалом миграции и аккумуляции. Вторичный кварц, опал, аморфный кремнезем, глинистые минералы присутствуют в транзитных и аккумулятивных формах коры выветривания и особенно в почвах гидроморфного и палеогидроморфного типа в разных климатических зонах. Таким образом, наблюдается гидрогенная аккумуляция подвижного кремнезема в различных почвах.

Вусловиях жаркого и сухого климата интенсивность гидрогенной аккумуляции вторичных соединений кремния выражена несравненно сильнее, за счет постоянного пленочно-капиллярного восходящего тока почвенных растворов и их транспирации.

Вверхних горизонтах дерново-подзолистых, серых лесных почв и солонцов часто обнаруживают заметное накопление кварца за счет поступления растворенной кремнекислоты из капиллярно-грунтовых вод. В условиях периодического промерзания почв кремнезем выпадает в осадок из поверхностных и грунтовых вод в виде присыпок, песчинок и опаловидного материала. Массы вторичного тонкокристаллического аморфного кремнезема и кварца осаждаются вокруг живых мочковатых корней древесных растений, образуя «кремнеземистую присыпку» в виде налетов, пятен, «гнезд» или «гроздьев» в серых лесных и подзолистых почвах.

При совместной миграции с полуторными оксидами соединения кремнезема участвуют в формировании гидрогенных алофанов и глинных минералов. Процессы гидрогенного глинообразования происходят непрерывно в почвах и породах транзитных и аккумулятивных ландшафтов. Значительная часть кремнезема, поступившего при почвообразовании и выветривании в природные воды, уходит с их стоком в моря и океан, участвуя в морском цикле седиментации.

7.Миграция и аккумуляция соединений железа, марганца

иалюминия в почвах

Железо и его соединения принадлежат к числу важнейших компонентов химического состава почв. Железо – продукт конденсации рассеянного межпланетного вещества космоса. Железо является сидерофильным элементом, как и его спутники – кобальт, никель, молибден, которые имеют химическое сродство к углероду (образуют карбонаты), к фосфору (многочисленные фосфаты), к сере и кремнию (сульфаты, сульфиды, силикаты).

18

В продуктах выветривания, в осадочных породах и почвах железо чаще присутствует в трехвалентной форме. Формирование восстановленных соединений железа и марганца является главным механизмом мобилизации их геохимически подвижных форм. В автоморфных почвах образуются и накапливаются оксидные и гидроксидные минералы трехвалентного железа, которые слабо растворимы и геохимически инертны. В изверженных и осадочных горных породах, а также в почвах минералы двухвалентного железа представлены силикатами, сидеритом, оливином, биотитом, титанатами, пиритом. В почвах и осадочных породах всегда присутствуют вторичные минералы двухвалентного и трехвалентного железа – гематит, магнетит, гетит, лимонит, фосфаты, арсенаты и силикаты железа, органо-железистые соединения.

Благодаря своим способностям менять валентность и образовывать многообразные соединения различной окисленности, растворимости, гидратированности, окристаллизованности, геохимической подвижности, общей склонности к хелатообразованию, различные соединения железа, как и марганца, играют весьма сложную роль в почвенных процессах, в формировании почвенного профиля, ожелезненных горизонтов, конкреций, кирас, латеритов.

Биогеохимия железа, алюминия и марганца в значительной степени зависит от условий увлажнения, реакции среды, аэрации почвы, окислитель- но-восстановительных условий и деятельности микроорганизмов. Например, во влажных субтропиках и тропиках десиликация горных пород и почв приводит к образованию кислых остаточных ферраллитных и аллитных кор выветривания и почв (красноземы, бокситы), которые обогащены окисленными соединениями железа, марганца, титана, алюминия.

С водными потоками внутрипочвенных грунтовых вод геохимически активные соединения железа, марганца, алюминия мигрируют в нисходящем и горизонтально-боковом направлении по склонам в низменности, поймы, дельты и устья рек, в озера, моря, океан. Смены теплового и окис- лительно-восстановительного режимов, минерализация органики, деятельность железобактерий ведут к осаждению значительной части подвижных соединений железа, марганца, алюминия в транзитных и аккумулятивных ландшафтах.

Выветривание, переувлажнение и кислотно-анаэробное почвообразование постоянно дополнительно генерируют новые массы подвижных соединений железа, марганца, алюминия и их геохимических спутников. Таким образом, общая биогеохимическая направленность истории и миграции железа и марганца на поверхности земной коры включает генерирование подвижных соединений, их транспорт и накопление в транзитных и аккумулятивных ландшафтах. Решающая роль в мобилизации и миграции соединений железа и алюминия принадлежит фульвокислотам, с которыми

19

эти элементы образуют активно мигрирующие в пространстве комплексные соединения.

Почти все железисто-марганцевые новообразования в почвах – ортштейны, железистые хардпены и болотные руды – всегда содержат несколько процентов гумуса. Глеевые процессы, протекающие в почвах аккумулятивных ландшафтов (поймы, дельты, террасы), способствуют аккумуляции соединений алюминия и железа. Главным условием свободной миграции алюминия является низкая концентрация кремнезема и фосфат-иона. Комплексные соединения алюминия с органическими кислотами приносятся с почвенными и поверхностными водами на периферии склонов, в поймы и дельты рек, в эстуарии и лагуны морей, образуя залежи гидрогенного боксита, маскируясь процессами ожелезнения и ресиликации.

Гидроксиды и оксиды железа, алюминия и марганца легко захватывают и связывают кремний, никель, кобальт, медь, хром, ванадий, мышьяк.

8. Миграция и аккумуляция фосфатов в почвах

Соединения фосфора играют величайшую роль в жизнедеятельности всех организмов, в режиме экосистем и биосферы в целом. Живому веществу принадлежит определяющая роль в биогеохимии фосфора. Фосфорсодержащие минералы представлены в почвах фосфатами кальция и магния, фосфатами полуторных оксидов и комплексными фосфатами (Кудеярова, 1982).

Вчерноземах и сероземах преимущественно присутствуют фосфаты кальция, в кислых подзолистых и красноземных почвах – фосфаты алюминия, в заболоченных – фосфаты железа. Растворимость фосфатов варьирует

вбольшой степени в зависимости от условий среды, форм соединений и степени окристаллизованности фосфатов, температуры, биогенности среды, наличия углекислоты.

Вразнообразии почвенных соединений фосфора различают следующие группы (Аскинази, 1949):

1. Фосфаты кальция типа гидроксил-фторапатита, малорастворимы в слабощелочной и нейтральной среде, но делаются подвижными по мере подкисления.

2. Фосфаты полуторных оксидов, при повышении рН переходящие в раствор.

3. Фосфаты щелочей, моно- и дикальциевые (магниевые) фосфаты растворимы, геохимически подвижны, доступны растениям.

Фосфаты тяжелых металлов сравнительно легко подвергаются гидролизу, вследствие чего соединения фосфора легко могут перейти в раствор и мигрировать в той или иной форме, а гидроксиды металлов могут оставаться в осадке. В гумусированных и хорошо удобренных почвах присутствуют

иполифосфаты, которые активизируют деятельность микроорганизмов, по-

20