Латеральная и радиальная дифференциация химического состава криогенных почв долины реки Вилюй, Центральная Якутия

Работа выполнена в рамках Программы развития Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова "Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды" и госбюджетной темы 1.4. «Антропогенная геохимическая трансформация компонентов ландшафтов», № ЦИТИС 121051400083-1.

Введение

Многолетнемёрзлые породы в центральноякутсткой части криолитозоны являются одними из самых древних и мощных на планете: их возраст достигает нескольких сот тысяч, а может и 1-2 миллиона лет, а мощность варьирует в диапазоне от 500 до 1 500 м.^[7,8,12] Современные климатические изменения способствуют динамике многолетнемёрзлых пород ^[11,15,29], неравномерность которой в пространстве и времени создаёт многообразие криогенных ландшафтных обстановок в этом регионе.^[19] Одним из последствий увеличения мощности сезонно-талого слоя (СТС) современных почв криолитозоны является вовлечение в малый биологический круговорот биологический круговорот (МБК)^[25] химических веществ, ранее не задействованных в нём по причине многолетнемёрзлого состояния содержащих их пород. Химические вещества, высвобождающиеся из мёрзлых горизонтов почв, интересны для изучения не только по причине изменений биогеохимических циклов, но и с точки зрения собственно влияния криогенеза на химический состав и геохимические свойства криогенных почв. Район Центральной Якутии в среднем течении реки Вилюй является одним из уникальных по сочетанию развитых здесь криогенных процессов – морозобойного растрескивания, термосуффозии, термокарста, термоэрозии, солифлюкции, морозной сортировки, наледеобразования и т.п.^[12], поэтому данные о криогенном факторе формирования и динамики геохимических свойств местных почв весьма интересны.

2. Объекты и методы

2.1. Физико-географические условия района исследования

Географическое положение

Район исследования расположен в долине реки Вилюй (Центральноякутская равнина) в среднем её течении (63°54'10.92" с.ш., 122°33'17.87" в.д.; высота над уровнем моря около 100 м). В 10,5 км к востоку от него находится посёлок Кысыл-Сыр Вилюйского района. От г. Якутска район исследования удалён на 410 км к северо-востоку.

Краткая физико-географическая характеристика района исследования

Центральноякутская равнина расположена в Вилюйской синеклизе – надпорядком элементе Сибирской платформы.^[31] Геологический фундамент территории образован осадочными отложениями мелового возраста (K2 – верхнего отдела меловой системы), мощность которых здесь достигает 150–200 м.^[9] Берега Вилюя в его среднем течении сложена разновозрастным аллювием (от 39 до 12 тысяч лет). Низкие поймы – песчаным материалом с редкой горизонтальной слоистостью, высокие поймы и террасы чаще супесчаные с включениями галечников.^[33] На правом берегу Вилюя наблюдается комплекс из 5 надпойменных террас, имеющих резкие эрозионные уступы, левый берег насчитывает только до 3 таких террас, а ширина пойм на нём в 2–3 раза меньше, чем на правом.^[9] На обоих берегах довольно характерны крупные песчаные эоловые массивы с копьевидными закреплёнными и незакреплёнными дюнами – тукуланы.^[17] Многолетнемёрзлые породы (ММП) в центральной Якутии распространены сплошно по вертикали и латерали, их вертикальная мощность достигает в среднем течении Вилюя 320 м.^[23,36] Средняя температура пород на границе слоя сезонных колебаний от -1 до -3°C, льдистость низкая – от 0,2 до 0,4%.^[24] Мощность сезонно-талого слоя (СТС) поверхностных отложений здесь весьма неравномерна и зависит в первую очередь от их состава: торфяники оттаивают всего на 0,5 м, тогда как супеси и суглинки – до 1,5 м, а СТС песков может превышать 4 м.^[2] Река Вилюй, левый и самый крупный приток реки Лены, имеет речной бассейн площадью 57,3 тыс. км², несколько крупных притоков (рр. Чона, Марха, Тюнг, Олёкма и др.) и гидрокарбонатно-кальциевый химический состав.^[4] Центральная Якутия характеризуется наличием таликов под руслами рек и котловинами озёр, известно о распространении субаэральных над- и межмерзлотных водоносных таликов на террасах крупных рек.^[18] Характерными особенностями подземных вод здесь являются их слабокислая реакция, малая минерализация (до 0,1 г/л), преимущественно гидрокарбонатный кальциево-магниевый/натриевый химический состав.^[26] Климат местности относится к резко-континентальному типу, средняя температура наиболее холодного месяца года – января, - составляет -37,8°C, наиболее тёплого – июля, - +17,9°C. Среднегодовая температура воздуха здесь держится около -9,3°C.^[20] Среднегодовое количество осадков в Центральной Якутии не превышает 250–300 мм.^[38] Из-за этого снежный покров здесь в целом невысокий, достигает максимальной мощности 25–30 см в марте, после чего стремительно стаивает к концу апреля.^[22] Территория по комплексу природно-ботанических признаков относится к Вилюйскому округу Центрально-Якутской среднетаёжной подпровинции подзоны среднетаёжных лесов.^[37] Растительный покров характеризуется преобладанием брусничных и багульниковых зеленомошных лиственничных лесов с сосновыми лесами.^[10] В структуре древостоя значительно преобладает лиственница сибирская (Larix siberica L.) – 79,6%, также обширные площади занимает сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) – 8,6%.^[5] На этой территории было выделено 9 зональных, 2 азональных и 7 интразональных типов почв, отмечается, что столь высокое разнообразие почвенного покрова является действие индивидуальных почвообразовательных макропроцессов на фоне криогенеза, типичного как для Центральной Якутии, так и в целом для криолитозоны.^[32] К зональным и наиболее распространённым здесь автоморфным почвам относятся палевые и подзолы мерзлотные. По ландшафтно-геохимическим характеристикам ландшафты верхней и средней частей бассейна Лены имеют следующую формулу:

где I – род ландшафта с медленным водообменом и преобладанием химической денудации над механической; a – вид ландшафта по глинистым и суглинистым аллювиальным отложениям (не лёссовидным); Ca,Na–HCO₃ – типоморфные элементы в ландшафте (катионы и анионы); N, P, K, J… – дефицитные элементы в ландшафте; избыточные элементы и соединения в ландшафте не отмечаются.^[21]

Более подробно литературные данные о физико-географических условиях территории изложены в работе.^[3]

2.2. Полевые методы исследований

Полевые работы были проведены на участке в долине реки Вилюй в июле 2021 г. В процессе исследований были заложены 12 разрезов почв в различных ландшафтных условиях от плоской поверхности второй надпойменной террасы Вилюя до днищ малых эрозионных форм и термосуффозионных воронок (рис. 1).

Рис. 1. Район исследования вблизи п. Кысыл-Сыр и восточной части тукулана Махатта. Заложенные почвенные разрезы отмечены красными точками

5 разрезов из 12 составили почвенно-геохимическую катену левобережья Вилюя (рис. 2). Разрезы почв закладывались при помощи лопат. В случае достижения верхней границы ММП образцы мёрзлых пород выбивались из толщи при помощи топора. Образцы сезонно-талых горизонтов почв отбирались при помощи ножей в пластиковые пакеты zip-lock. Общая масса каждого образца составляла 250–500 г. В полевых условиях горизонты почв описывались по схеме, предложенной для комплексного описания в Классификации и диагностике почв России^[14] и Полевом определителе почв^[30]. Полевые названия почв также были даны исходя из сочетаний диагностических генетических горизонтов и признаков, указанных в Полевом определителе почв^[30].

Рис. 2. Схематическое изображение почвенно-геохимической катены на левом берегу реки Вилюй: 1 – поверхность II надпойменной террасы; 2 – пологий склон II надпойменной террасы; 3 – поверхность I надпойменной террасы; 4 – крутой осыпной склон I надпойменной террасы; 5 – пойма Вилюя; 6 – линия заложения ландшафтного профиля; 7 – местоположения почвенных разрезов

2.3. Лабораторные методы исследований

В упакованном состоянии пробы были доставлены в химико-аналитическую лабораторию эколого-геохимического центра (ЭГЦ) географического факультета МГУ (г. Москва). Они были высушены при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния, после чего подвергались соответствующим процедурам пробоподготовки для дальнейшего лабораторного изучения химического состава и физико-химических свойств. В лабораторных условиях были проанализированы следующие аналитические показатели почв: кислотность водной вытяжки (pH), общее содержание легкорастворимых солей (TDS), общее содержание органического углерода (C_орг.), гранулометрический состав почв (с указанием класса в соответствии с систематикой Н.А. Качинского), концентрации несиликатного (Fe_нс) и аморфного (Fe_а) железа в почвах, а также валовое содержание макро- и микроэлементов.

Кислотность водных вытяжек

Для анализа кислотности почв проба была перетёрта фарфоровым пестиком в фарфоровой ступке, а затем просеяна сквозь сито с диаметром пор 1 мм. Кислотность была измерена ион-селективным электродом METTLER TOLEDO в суспензии, изготовленной в соотношении почвы к дистиллированной воде 1:2,5, а в случае анализа органогенных горизонтов соотношение уменьшалось до 1:25.

Общее содержание легкорастворимых солей

Пробоподготовка для выполнения анализа содержания легкорастворимых солей была аналогична описанной выше для исследования почвенной кислотности. Содержание водорасторимых солей в почвах было исследовано лабораторным кондуктометром METTLER TOLEDO в суспензии, изготовленной в соотношении почвы к дистиллированной воде 1:2,5.

Общее содержание органического углерода

Концентрации органического углерода в почвах были исследованы методом И.В. Тюрина с фотометрическим окончанием. Для этого образец почв перетирался фарфоровым пестиком в фарфоровой ступке, затем просеивался сквозь сито с диаметром пор 0,25 мм. Взвешенная на аналитических лабораторных весах навеска почвы массой 1 г заливалась 10 мл 0,4М бихромата калия (K₂Cr₂O₇) и помещалась в сушильный шкаф, разогретый до +150°С, на 40 минут. Затем вытяжка остужалась при комнатной температуре и оттитровывалась 0,2М растором Соли Мора (FeSO_₄·(NH_₄)_₂SO_₄·6H_₂O) в присутствии 5–6 капель фенилантраниловой кислоты (C₁₃H₁₁NO₂). Конечной точкой при данном виде окислительно-восстановительного титрования является смена окраски раствора с рыжевато-коричневой на тёмно-зелёную. Вычисление содержания органического углерода проводилось по формуле:

где V₁ – объём раствора соли Мора, пошедший на титрование холостой пробы (пробы без навески) почвы (см³); V₂ – объём раствора соли Мора, пошедший на титрование пробы с навеской почвы (см³); M – молярность раствора соли Мора; 0,003 – молярная масса ¼ С (г/моль); 100 – коэффициент перевода на 100 г почвы; m – масса сухой навески почвы.

Гранулометрический состав

Образец почвы для гранулометрического анализа перетирался резиновым пестиком в фарфоровой ступке и просеян сквозь сито с диаметром пор 1 мм. Гранулометрический состав почв был исследован методом лазерной гранулометрии после перетирания навески в фарфоровой чашке резиновым пестиком с раствором пирофосфата натрия (Na₄P₂O₇). Пирофосфат применяется для устранения слипания частиц почвы. Анализ гранулометрического состава почв был измерен на лазерном гранулометре Fritsch Analysette-22 (Германия). Для классифицирования почв по содержанию фракции физической глины в них использовалась шкала Н.А. Качинского (табл. 1).

Таблица 1. Классификация почв по содержанию фракции физической глины (Н.А. Качинского)

Концентрации несиликатного и аморфного железа

Определение несиликатных соединений железа (Fe_нс) выполнялось по методу Мера-Джексона. Навеску воздушно-сухой почвы, просеянной через сито сдиаметром отверстий 1 мм, массой 2 г помещали в центрифужную пробиркувместимостью 50 см³. В пробирку приливали 20 мл 0,3М раствора цитратанатрия (Na₃C₆H₅O₇) и 2,5 мл 1М раствора гидрокарбоната натрия (NaHCO₃), затем в пробирку вносили 0,5 г сухого порошка дитионита натрия (Na2S2O4)и перемешивали стеклянной палочкой. После этого в пробирку добавляли 5 мл насыщенного раствора хлорида натрия (NaCl), перемешивали и оставлялина водяной бане до образования хлопьевидного осадка. Затем проводилицентрифугирование в течение 10 мин при 3000 оборотах в минуту, центрифугат сливаличерез сухой плотный фильтр в мерную колбу вместимостью 250 мл. Концентрация железа в полученномрастворе определялось методом спектрофотометрии.

Экстракция аморфных соединений железа (Fe_a) из почв была выполнена методом Ф. Тамма, основанным на экстракции окристаллизованного железа с помощью буферного раствора Тамма (0,14М по H₂C₂O₄ и 0,2М по (NH₄)₂C₂O₄). Залитая буферным раствором навеска почвы массой 1 г профильтровывалась сквозь складчатый бумажный фильтр «синяя лента» с диаметром пор 0,45 мкм. Процедура фильтрования повторялась 3 раза, после чего раствор был разбавлен дистиллированной водой в мерной колбе объёмом 250 мл и разлит по пластиковым пробиркам. Анализ концентраций аморфных форм железа был проведён методом спектрофотометрии.

Валовые содержания макро- и микроэлементов

Концентрации макро- и микроэлементов были измерены в перетёртых в агатовой ступке и просеянных сквозь сито с диаметром пор 0,25 мм образцах почв методом рентген-флуоресцентного анализа (РФА). Для этого был использован портативный горно-геологический рентген-флуоресцентный анализатор Olympus Delta Professional (США). Этот прибор способен определять валовые концентрации 35 химических элементов с атомными массами от Mg до U.

2.4. Геохимические ландшафты и коэффициенты

Описания и характеристики геохимических особенностей ландшафта даны в соответствии с работой А.И. Перельмана и Н.С. Касимова^[28]. Для характеристики элементарных геохимических ландшафтов им были даны названия в соответствии с классификацией М.Д. Богдановой с соавторами^[1]. В качестве основного критерия выделения элементарных ландшафтов здесь используются формы (и элементы) рельефа.

Для характеристики пространственной неоднородности химического состава почв были использованы геохимические коэффициенты радиальной и латеральной дифференциации.^[27,28] Коэффициент радиальной дифференциации (R) используется для изучения профильной (вертикальной) неоднородности химического состава путём сравнения концентраций конкретных веществ в почвенных горизонтах с таковыми в горизонте почвообразующей породы:

где R_{x (гор.)} – концентрация химического вещества x в почвенном горизонте; R_{x (пор.)} – концентрация химического вещества x в почвообразующей породе.

Коэффициент латеральной дифференциации (L) используется для изучения катенарной (субгоризонтальной) неоднородности химического состава ландшафта. В данном случае сравнение ведётся между концентрацией химического вещества x в почвах подчинённых и автономных (элювиальных) элементарных геохимических ландшафтов. Этот показатель призван охарактеризовать латеральную миграцию химических веществ в почвах, связанных едиными потоками влаги, перемещающейся по рельефу сверху вниз под действием силы тяжести. В качестве модельной области при использовании L выступает почвенно-геохимическая катена:

где L_{x (подч.)} – концентрация химического вещества x в подчинённом элементарном геохимическом ландшафте; L_{x (авт.)} – концентрация химического вещества x в автономном (элювиальном) элементарном геохимическом ландшафте.

При анализе катенарной неоднородности химического состава почв в долине Вилюя параллельно приводятся данные о коэффициентах L сезонно-талых и многолетнемёрзлых горизонтов почв.

3. Результаты

3.1. Классификация, диагностика и свойства почв

Изученные почвы, согласно принятым в классификации и диагностике почв России^[14] таксономическим уровням, относятся к стволам син- (аллювиальная серогумусовая) и постлитогенного почвообразования (остальные почвы). Скорости аккумуляции речных наносов в аллювиальных почвах сопоставимы с темпами почвообразования, что приводит к циклическому характеру почвообразования в них. Почвы постлитогенного ствола относятся к следующим типам: дерново-подзолы и дерново-подбуры (почвы, развивающиеся на возвышенных участках рельефа – надпойменных террасах и их склонах), торфяно-глеезёмы (во влажных днищах малых эрозионных форм рельефа – оврагов и балок), серогумусовые, в том числе, погребённые под эоловыми наносами на тукуланах, а также стратозёмы на речных поймах и псаммозёмы – на заболоченных и обводнённых участках внутри термосуффозионных воронок. Более подробно результаты классификации и диагностики почв, а также описания морфологии почвенных профилей изложены в нашей работе.^[3]

Рис. 3. Диаграммы «ящик с усами», демонстрирующие статистические показатели свойств почв (а) и содержания гранулометрических фракций (б): 1 – минимальные значения; 2 – квартиль 25%; 3 – средние арифметические; 4 – квартиль 50%; 5 – квартиль 75%; 6 – максимальные значения

Кислотность почв варьирует в изученных профилях от 2,8 до 7,6 единиц, что соответствует градациям от сильнокислых до близких к нейтральным. В основном, кислотность регулируется содержанием органического вещества, как источника легкоразлагаемых органических веществ, являющихся источником свободных ионов водорода при деструкции. Более кислыми реакциями отличаются поверхностные органогенные (T, О и AY) горизонты, а также погребённые торфяные горизонты ([O] и др.). Притом, если pH серогумусовых горизонтов AY незначительно отличаются от нижележащих горизонтов преимущественно минерального фазового состава (E, BF и т.п.) – примерно на 0,5–1,0 единиц, то торфяные горизонты являются самыми кислыми (pH понижается до 2,8). В целом, для почв характерен элювиально-иллювиальный тип профильного распределения. Среднее значение pH равно 5,7, а разброс стандартных отклонений составляет ± 0,9 с коэффициентом вариации 0,2 (табл. 2, 3).

Общее содержание легкорастворимых солей и связанная с ним электропроводность распределены в почвах относительно равномерно, притом содержание солей мало, оно редко превышает 10,0 мг/л, соответственно, EC нечасто принимает значения выше 20,0 мкС/см. Среднее содержание солей в почвах составляет 14,7 ± 19,3 мг/л, а коэффициент вариации равен 1,3. Органогенные горизонты, как правило, незначительно обогащены водорастворимыми солями (на 3–5 мг/л), однако встречаются также весьма высокие значения (до 83,7 мг/л), приуроченные к торфяным и погребённым грубогумусовым горизонтам (табл. 2). В профилях значения EC и TDS распределены с максимумами в верхней части и с монотонными распределениями в нижних.

Очевидно, что поверхностные горизонты почв содержат наибольшие (до 11,3%) концентрации С_орг. В глубоких горизонтах почв, незначительно затронутых почвообразовательными процессами, содержания С_орг. снижаются и далее распределяются равномерно (концентрации около 0,3–1,0%), за теми лишь исключениями, что в погребённых органических горизонтах (от 1,0 до 11,3%) эти значения сильно вырастают. При средней концентрации органического углерода равной 1,5% стандартные отклонения равны ± 2,4%, а коэффициент вариации составляет 1,6 (табл. 2).

Среди рассмотренных фракций железа несиликатная фракция сосредоточена в изученных почвах в концентрациях, в 11 раз больших, чем аморфная фракция. Диапазон концентраций фракции Fe_нс составляет 0,35%, что примерно в 2,5 раза выше, по сравнению с диапазоном концентраций Fe_а. Предположительно, доля аморфной фракции железа в составе несиликатной группы соединений столь низка из-за небольшой глубины почвообразования, в результате чего содержание органического углерода низко (особенно в минеральной части почвенных профилей).

Рис. 4. Диаграммы «ящик с усами», демонстрирующие статистические показатели макро- (г/кг) (а) и микроэлементного (мг/кг) (б) состава сезонно-талых (в), сезонно-талых криогенных (г) и многолетнемёрзлых горизонтов почв (д): 1 – минимальные значения; 2 – квартиль 25%; 3 – средние арифметические; 4 – квартиль 50%; 5 – квартиль 75%; 6 – максимальные значения

Практически во всех случаях из рассмотренных содержания всех изучаемых химических элементов варьируют в более широких пределах, чем их же содержания в криогенных и многолетнемёрзлых горизонтах (рис. 4). Связано это, скорее всего, с повышенными содержаниями элементов в поверхностных органогенных горизонтах почв, что характерно особенно для элементов с повышенной склонностью к ассоциированию с органическим веществом и сорбции на коллоидах органической природы – Ca (до 1,3 г/кг), Mn (до 0,14 г/кг), Fe (до 4,3 г/кг) и др. Именно с этими пиками связаны повышенные максимальные значения концентраций этих металлов, отражённые на рис. 4, и с ними же связано то, что границы квартилей содержания Fe, Mn, V, Zr и Zn смещены к нижней границы амплитуды концентраций.

Многие средние содержания элементов в криогенных горизонтах сезонно-талого слоя почв меньше, по сравнению с сезонно-талыми горизонтами (см. рис. 4). Исключение составляют лишь средние концентрации Si, Al, Sr и Rb, которые, по-видимому, преимущественно входят в состав первичных, устойчивых к выветриванию минералов. Низкие (Ca – 0,7 г/кг в среднем, Ti – 0,2 г/кг в среднем, Mn – 0,03 г/кг в среднем, Y – 1,4 мг/кг, Pb – 1,7 мг/кг в среднем) содержания этих элементов в минеральных горизонтах, связаны в первую очередь с разрушением минеральных зёрен при промерзании почв в зимний период. Криогенная деструкция минералов отмечалась ранее в различных районах криолитозоны.^[16,34,35] После разрушения криогенными процессами многие из этих элементов, входящие в состав частиц почвы, перемещаются вниз по профилю с водными потоками, после чего аккумулируются в надмерзлотном и многолетнемёрзлом горизонтах (Ca – 0,9 г/кг, Ti – 0,3 г/кг, Fe – 1,6 г/кг, Mn – 0,1 г/кг (рис. 4а), Zr – 16,2 мг/кг, Zn – 3,9 мг/кг (см. рис. 4,б) в среднем).

Наиболее широко в многолетнемёрзлых горизонтах почв варьируют Si и Zn (18,2 – 22,3 г/кг и 1,7 – 3,2 мг/кг). Остальные же элементы распределены в многолетнемёрзлых горизонтах в значительно более узких пределах. Накоплению элементов в горизонте многолетнемёрзлых пород способствуют как термодинамические (мёрзлое состояние горизонта) свойства, так и возникающая в связи с ними восстановительная обстановка.^[13] Таким образом, мерзлота выполняет биосферную функцию радиального геохимического барьера,^[28] на котором осаждаются Al, Si, Ca, Mn, Fe.

3.2. Почвенные профили и радиальная дифференциация химического состава почв

Различные свойства почв создают разнообразие профильных распределений значений коэффициента R. Большая часть изученных элементов распределена в профилях (рис. 5) автоморфных почв (см. рис. 5,г и 5,д) распределена с накоплением в минеральных горизонтах, а из поверхностного органогенного горизонта дерново-подзола иллювиально-железистого языковатого они активно выносятся (значения R варьируют в пределах от 0,1 до 0,8), кроме Si, повышенное значение R которого (см. рис. 5, д) связано, скорее всего, с невысокой мощностью самого горизонта AY и перемешанностью его с нижележащим песком. Наиболее сильно в профилях почв накоплены такие элементы, как Ca, Ti, Mn, Fe, Zn, Zr, значения R которых достигают 20,0 (см. рис. 5,л). Промывной тип водного режима почв песчаного и супесчаного гранулометрического состава обеспечивает активную радиальную водную миграцию веществ в профилях большей части изученных разрезов. Этим объясняется пониженное содержание элементов в горизонтах E (а также с признаком e) и C, в особенности это проявляется в горизонте C дерново-подбура (см. рис. 5,ж), в котором рассеяны (R варьирует от 0,1 до 0,9) практически все рассмотренные элементы, за исключением Si, высокое содержание которого также связано с песком в гранулометрическом составе, который имеет кремнезём (SiO₂) в своей основе. Остальные элементы, в особенности Mg, Ti, Fe, V и Pb, накапливаются в надмерзлотном тёмноцветном горизонте C’ (R = 1,1–1,5). Псевдофибровые горизонты альфегумусовых почв часто отличаются аналогичных по морфологии и физико-химическим свойствам более высокими содержаниями химических элементов, по сравнению с непсевдофибровыми. Так была отмечена предполагаемая роль железосодержащих частиц в транслокации ионных форм других металлов. Повышенное содержание как валового, так и аморфного железа, фаза которого отличается способностью к ассоциации с микроэлементами (RTi = 1,0–1,8; RMg = 1,0 – 1,4; RMn = 1,0–33,0 и др.). Ca среди всех прочих химических элементов демонстрирует одну из самых устойчивых тенденций к поверхностно-аккумулятивному типу распределения. По-видимому, концентрации Ca находятся в прямой корреляционной зависимости от глубины почвообразования. RCa в горизонтах W, O и AY равны 0,5 – 10,0. Суглинистый гранулометрический состав, проявляющийся, к примеру, в водно-аккумулятивном горизонте RYaq, способствует накоплению всех из изученных элементов, кроме Si, Ca, V и Zn. Высокое содержание органических веществ (Cорг. = 2,57%) и повышенная электропроводность (EC = 140 мкС/см) в совокупности с утяжелённым гранулометрическим составом приводят к тому, что R здесь равен 1,3–3,7 (см. рис. 5,и). Многолетнемёрзлые горизонты почв характеризуются повышенными концентрациями практически всех элементов, в особенности макроэлементов, в сравнении с надмерзлотными (см. рис. 5,в и 5,м). При этом, скорее всего, степень развитости органогенного горизонта и его разложения влияет на интенсивность сорбции металлов и металлоидов органическим веществом. Так, грубогумусовый горизонт W в псаммозёме глееватом мерзлотном пропускает большую часть поступающих в него элементов (R = 0,5–1,0), а сильноразложенный T в торфяно-глеезёме мелкоторфянистом аккумулирует большую часть поступающих химических веществ, в особенности Si, V и Zr (R = 1,5, 1,7 и 2,0).

Рис. 5. Значения коэффициента радиальной дифференциации (R) профилей почв в долине реки Вилюй: а) аллювиальная серогумусовая; б) дерново-подзол иллювиально-железистый; в) Торфяно-глеезём мелкоторфянистый; г) погребённая серогумусовая; д) дерново-подзол иллювиально-железистый языковатый; е) дерново-подзол иллювиально-железистый псевдофибровый; ж) дерново-подбур иллювиально-железистый; з) серогумусовая ожелезнённая; и) стратозём серогумусовый; к) псаммозём водно-аккумулятивный; л) псаммозём глееватый; м) псаммозём глееватый мерзлотный; 1 – сезонно-талые некриогенные горизонты; 2 – сезонно-талые криогенные горизонты; 3 – многолетнемёрзлые горизонты

3.3. Почвенно-геохимическая катена и латеральная дифференциация химического состава почв

Почвенно-геохимическая катена, заложенная на левом берегу реки Вилюй, состоит из пяти сопряжённых элементарных геохимических ландшафтов (ГХЛ) (рис. 6). Подробное описание природных условий заложения разрезов и вскрытых ими почвенных профилей представлено в работе^[3].

Рис. 6. Значения коэффициента латеральной дифференциации (L) в элементарных геохимических ландшафтах катены в долине реки Вилюй: 1 – элювиальный первого порядка ГХЛ; 2 – трансэлювиальный со слабым выносом ГХЛ; 3 – элювиальный второго порядка ГХЛ; 4 – трансэлювиальный с активным выносом ГХЛ; 5 – супераквальный транзитный ГХЛ; 6 – аквальный ландшафт реки Вилюй; 7 – профиль рельефа; 8 – местоположения заложенных почвенных разрезов; 9 – сезонно-талые горизонты почв; 10 – криогенные горизонты почв

В изученных почвах пределы варьирования коэффициентов латеральной дифференциации химических элементов весьма широки. Наиболее широко распределены в почвах катены Ca (LCa = 0,3 – 1,8; LMn = 0,1 – 2,0; LFe = 0,6 – 2,1; LZn = 0,9–2,9 и LY = 0,3–1,4). Многие элементы из изученных, такие как Al, Ti, Fe, Zn и Zr, аккумулируются в криогенных элювиальных ожелезнённых и псевдофибровых горизонтах подзолов на пологом склоне первой надпойменной террасы, что также может быть связано с повышенным содержанием железа и его аморфных форм (см. табл. 2). Повышенное содержание железа и алюминия в этих горизонтах также объясняется как высокими (относительно среднепрофильных) содержаниями крупных гранулометрических фракций диаметрами 250–1000 мкм до 89,2%, поскольку слаборазрушенные в процессе криогенеза первичные минералы, содержащие Al и Fe в своих кристаллических решётках, содержатся здесь в высоком количестве. Накопление же микроэлементов – Zn, Y и др. – в них объясняется, скорее всего, наличием сорбционного латерального геохимического барьера, поскольку в горизонте BFff содержится до 26% фракции физической глины, обладающей повышенной сорбционной способностью. Для большей части химических элементов в рассмотренной почвенно-геохимической катене характерно концентрирование в верхней части в результате преобладания там радиальной миграции веществ, а также степени развития гумусового горизонта, выступающего на пути миграции в качестве радиального сорбционно-биогеохимического барьера. В дерново-подбурах на первой надпойменной террасе Вилюя, особенно в криогенных горизонтах, сосредоточено большое количество Ca, Mn и Ti – LCa = 1,8, LTi = 1,5 и LMn = 2,0, соответственно. Это также связано с высокими концентрациями несиликатного и аморфного Fe наряду довольно высокими (до 50,8%) содержаниями физической глины. Ниже по склону катены горизонты с признаками криогенеза не распространены в связи с почти полным отсутствием экранирующей поверхности растительного покрова (на склоне первой террасы Вилюя) и отепляющим влиянием речной воды (в супераквальном ГХЛ поймы). В серогумусовой почве на склоне террасы многие элементы рассеяны (см. рис. 6), например, LMg = 0,8, LCa = 0,3, LMn = 0,1 и т.д. Особенно слабо в горизонтах этой почвы концентрирован Mn. По-видидому, весьма лёгкий гранулометрический состав почвы, малая мощность горизонтов, неглубокое проникновение почвообразование и другие факторы не способствуют развитию здесь контрастных геохимических барьеров. Большая часть элементов в почвах поймы Вилюя рассеяна (L = 0,4 – 0,9), Mg, Si и Ti распределены либо равномерно, либо с незначительным накоплением в мощном водно-аккумулятивном органогенном горизонте и лежащих ниже горизонтах, также обогащённых С_орг. (концентрации до 3,4%) (см. табл. 2) и глинистыми частицами (до 52,8%) (см. табл. 3).

4. Дискуссия

4.1. Профильные распределения геохимических свойств почв

Аналогично полученным нами результатам, Т.И. Васильева получила следующие результаты химического анализа почв Центральной Якутии: наибольшие концентрации среди макроэлементов имеют такие элементы (приведённые к полуторным оксидам), как Si (60,8–84,2%), Al (8,3–16,9%), Fe (1,1–5,8%). Ca характеризуется аналогичными Fe концентрациями (0,9–5,0%), что объясняется отношением исследованных почв к типам палевые и чернозёмы, для которых характерно развитие на карбонатных почвообразующих породах. Соответственно, основным карбонатным соединением, входящим в их состав, является CaCO₃ – карбонат кальция. Содержание Ca в исследованных нами почвах, в основном относящихся к альфегумусовым (дерново-подзолы, дерново-подбуры), редко превышает 2%, что связано как раз со сниженным содержанием кальцита в почвообразующих породах. Основная часть элементов, за исключением Ca, в основном сосредоточенного в нижних горизонтах (Bca, C, Cca и т.п.), распределена в профилях почв равномерно, что особенно характеризует Si, составляющий основную часть породообразующих минералов – кремнезём (SiO₂). Также весьма высокие концентрации Si (SiO₂) и Al (Al₂O₃) – до 84,2 и 15,5%, соответственно, были отмечены А.П. Чевычеловым^[32]. Профильные распределения микроэлементов в фоновых почвах алмазодобывающих провинций Якутии характеризуются одной общей чертой – активным накоплением Li (R = 3,3 – 3,6), Ti (R до 16,6), V (R = 3,3 – 3,6), Cr (R = 2,2–4,9) и др. в надмерзлотных и мерзлотных горизонтах. Наименьшими значениями коэффициента R по данным Я.Б. Легостаевой и А.Г. Гололобовой, характеризуется Sn (в большинстве случаев) и Pb – R достигает 1,5–1,7. Органические вещества связываются в комплексы с Pb (R в органогенном горизонте = 1,2–1,8) и As (R = 1,1–10,0), что является наиболее часто наблюдаемой закономерностью в профилях криозёмов Хання-Накынского междуречья. Ni, Cd и Cu в основном выносятся из почвенного профиля, демонстрируя слабую способность к сорбции органическим веществом (R по данным А.Г. Дягилевой варьируют в диапазоне от 0,4 до 0,9).

4.2. Катенарные распределения геохимических свойств почв

В таёжно-лесостепной почвенно-геохимической катене в приленском районе Центральноякутской низменности были выявлены следующие характеристики латерального распределения элементов: Si распределён в почвах катены относительно равномерно (0,8 < L < 1,3), у Al наблюдается слабый вынос из почв автономных ландшафтов возвышенностей, накопление алюминия происходит в почвах склоновых и супераквальных геохимических ландшафтов с коэффициентом L = 1,1 – 1,4. Fe демонстрирует интенсивный вынос из почв автономных ландшафтов (содержания от 0,5 до 2,7%) с накоплением в нижней части почвенно-геохимической катены (концентрации до 5,4–5,8%) – значения коэффициента R достигают 2–5 единиц. Причём значения R в нижних горизонтах почв обычно значительно выше, чем в верхних. Катенарные распределения Ca и Mg в целом аналогичны закономерностям распределения Fe, отличие заключается в том, что верхние, особенно органогенные, горизонты почв, обогащённые кальцием, в сравнении с нижними минеральными горизонтами. Ti и Mn распределены в почвах ландшафтно-геохимической катены относительно равномерно (0,7 < L < 1,2).^[32]

5. Заключение

Авторами изучены закономерности профильных (радиальных) и катенарных (латеральных) распределений геохимических свойств криогенных почв, разрезы которых были заложены в долине р. Вилюй в среднем её течении. Для этого были применены геохимические коэффициенты радиальной и латеральной дифференциации – R и L.

Различные свойства почв создают в изученных почвах широкое разнообразие вариантов профильных распределений, несводимое к единообразным закономерностям. Для большей части элементов, рассмотренных в почвах, характерно элювиально-иллювиальное распределение в профилях автоморфных почв. Они характеризуются значениями коэффициента радиальной дифференциации R от 0,1 до 0,8. Исключение составляет Si. Наиболее сильно в профилях почв накоплены Ca, Ti, Mn, Fe, Zn, Zr, значения R которых в почвах достигают значений около 20,0. Элювиальные горизонты в целом отличатся выносом большей части элементов (R = 0,1–0,9), а Si вновь является исключением, поскольку входитя в состав кремнезёма – минеральной основы почвенных частиц в песчаных почвах. Mg, Ti, Fe, V и Pb, накапливаются в надмерзлотном тёмноцветном горизонте C’ (R = 1,1–1,5). Псевдофибровые горизонты почв отличаются аналогичных по морфологии и физико-химическим свойствам более высокими содержаниями химических элементов. Так была отмечена предполагаемая роль железосодержащих частиц в транслокации ионных форм других металлов: Ti, Mg, Mn (RTi = 1,0 – 1,8; RMg = 1,0 – 1,4; RMn = 1,0 – 33,0 и др.). Суглинистый гранулометрический состав водно-аккумулятивного горизонта RYaq в стратозёме на пойме Вилюя способствует накоплению всех из изученных элементов, кроме Si, Ca, V и Zn. Многолетнемёрзлые горизонты почв характеризуются повышенными концентрациями практически всех элементов, в особенности макроэлементов.

Пределы варьирования коэффициентов L химических элементов весьма широки в исследованных почвах. Самыми широкими пределами варьирования отличаются Ca, Mn, FeZn и Y (LCa = 0,3 – 1,8; LMn = 0,1 – 2,0; LFe = 0,6 – 2,1; LZn = 0,9 – 2,9 и LY = 0,3 – 1,4). Такие элементы, как Al, Ti, Fe, Zn и Zr, аккумулируются в криогенных горизонтах подзолов на пологом склоне первой надпойменной террасы (ТЭ1 ландшафт), что, предположительно, связано с повышенным содержанием железа и его аморфных форм. Накопление микроэлементов – Zn, Y и др., – объясняется наличием сорбционного латерального геохимического барьера. Для большей части химических элементов в рассмотренной почвенно-геохимической катене характерно концентрирование в верхней части. В дерново-подбурах на первой надпойменной террасе Вилюя, особенно в криогенных горизонтах, сосредоточено большое количество Ca, Mn и Ti – LCa = 1,8, LTi = 1,5 и LMn = 2,0, соответственно. В серогумусовой почве на склоне террасы (ТЭ3 ландшафт) многие элементы рассеяны, например, LMg = 0,8, LCa = 0,3, LMn = 0,1 и т.д. Малая мощность горизонтов, неглубокое проникновение почвообразования и другие факторы не способствуют развитию здесь контрастных геохимических барьеров.

Использование коэффициентов латеральной и радиальной дифференциации представляется нам перспективным методом для составления характеристики почвенно-геохимической структуры территорий – определения характерных особенностей профильного распределения концентраций элементов в почвах, распределения элементов в элементарных геохимических ландшафтах, индикации вертикальных и горизонтальных геохимических барьеров и т.п. Тем не менее, в отдалённых районах криолитозоны Якутии, в том числе, в Центральноякутской низменности, подобные работы немногочисленны. Валовой химический состав профилей мерзлотных почв исследован чаще, по сравнению с элементным составом почвенно-геохимических катен. При этом исследований, дифференцирующих горизонты почв на мерзлотные и немерзлотные практически отсутствуют, таким образом, весьма слабо исследовано влияние криогенных процессов на химический состав. Более активное использование методики, предложенной нами в данной статье, способно расширить современные представления о криогенной дифференциации валового состава химических элементов в почвах. Также детальный анализ фракционного (группового) состава отдельных элементов могут иметь диагностическое значение при изучении криогенеза почв и его влияния на почвообразование.

Благодарности

Авторы выражают благодарность профессору географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, д.б.н. М.И. Герасимовой и м.н.с. Дж.Ю.Васильчук за помощь в диагностировании и классифицировании почв, научному сотруднику ЭГЦ географического факультета МГУ Е.В. Терской и инженеру Л.В. Добрыдневой за помощь в проведении лабораторных работ, к.г.-м.н. Н.В. Торговкину за организацию летней полевой школы-семинара, а также А.Д. Белик и Е.Г. Егорову за помощь в полевых работах.