Латеральная и радиальная дифференциация геохимического состава криогенных почв учебно-научного полигона Хановей, Большеземельская тундра

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (номер проекта РНФ 23-17-00082)

1. Введение

На севере Европейской территории России в криолитозоне многолетнемёрзлые породы (ММП) в основном распространены прерывисто^[7], в результате чего создаётся большое количество различных геокриологических обстановок в различных ландшафтных условиях^[22,25], причём при продвижении по Большеземельской тундре с юга на север ландшафтное разнообразие возрастает^[14]. Учебно-научный полигон Хановей, расположенный в ландшафтной подзоне южной тундры, характеризуется высоким разнообразием мерзлотно-ландшафтных обстановок, распространённым на небольшой территории, в результате чего исследования закономерностей распространения ММП и сопутствующих им природных процессов, в том числе, почвенно-геохимических^[3,5,19], здесь становятся возможными без существенных трудозатрат. Таяние ММП в результате климатических изменений особенно ярко проявляется в районе южной границы криолитозоны^[4]. Увеличение мощности сезонно-талого слоя (СТС) почв из года в год способствует росту глубины протекания активной миграции химических веществ и снижению контрастности профильных распределений содержания химических элементов.

2. Объекты и методы

2.1. Физико-географические условия района исследования

Географическое положение

Район исследования расположен на пологонаклонной надпойменной террасе реки Воркуты (юго-восток Большеземельской тундры) в среднем её течении (67°17’9.05” с.ш., 63°39’25.38” в.д., высота над уровнем моря = 150 м). УНП Хановей представляет собой участок пологого склона площадью около 0,5 км², ограниченный с запада линией железной дороги Москва – Воркута, с востока – урезом реки Воркуты. Ближайшим населённым пунктом к полигону является посёлок Хановей с одноимённой железнодорожной станцией, прилегающей к полигону с юго-запада. От г. Воркуты район исследования удалён на 30 км к юго-западу (рис. 1).

Рис. 1. Расположение УНП Хановей

Физико-географическая характеристика района исследования

Наибольшую площадь на территории Коми занимает обширная Печорская низменность долин рек Печоры и Усы ^[13]. Наиболее древними отложениями являются ранне-докембрийские (возраст более 2 млрд. лет), а поверхность сложена ледниковыми и послеледниковыми валунными суглинками и песками с аллювиальными и озёрно-болотными песками, супесями и суглинками^[1,8]. Макроформы рельефа были образованы в результате проявлений неровностей кровли коренных отложений, а мезорельеф сформрован при активном действии экзогенных процессов – эрозии и аккумуляции. К таковым относятся возвышенности грядового типа (мусюры), широкие, хорошо выработанные речные долины, а также сочетания выпуклых торфяных бугров пучения (пальза) с заозёренными термокарстовыми понижениями.^[9] Многолетнемёрзлые породы (ММП) имеют здесь несплошное (50–95% площади) и массивно-островное (10–50%) распространение (рис. 2). Температуры ММП несплошного распространения характеризуются диапазоном средних температур от 0,5 до –2,0°С, массивно-островного – от +1 до –1°С. Мощность сезонно-талого слоя (СТС) здесь достигает 1–1,7 м в зависимости от гранулометрического состава субстрата.^[25] Характер растительного покрова оказывает значительное влияние на глубину промерзания и оттаивания.

Рис. 2. Геокриологическая карта Воркутинского района Республики Коми, по^[25]

Климат Воркутинского района относится к субарктическому типу. Среднегодовая температура воздуха составляет -5,4°С, в июле он прогревается до +13,2°С, а наиболее холодный месяц – январь с температурой –19,5°С (по данным метеорологической станции Воркута ^[12]). Длительность вегетационного периода здесь составляет 92 дня, а сумма активных температур достигает 493°С. Влажность воздуха практически в течение всего года одинакова и составляет 81%. В среднем в год выпадает 507 мм атмосферных осадков. Мощность снежного покрова здесь варьирует от 53 до 180 см. Междуречные пространства занимают почвы типа глеезёмов, а на пологих склонах развиты криометаморфические почвы ^{[3, 19]}. Различная мощность торфяного горизонта на полигоне обеспечивает классификационные различия криозёмов (профиль О – CR – C(g)) и торфяно-криозёмов (профиль T – CR – C(g)), глеезёмов (профиль O – G – CG) и торфяно-глеезёмов (T – G – CG) ^[11]. На почвах более лёгкого гранулометрического состава встречаются кустарничково-зеленомошные лишайниковые тундры, на суглинистых почвах развиты травяно-кустарничково-сфагновые ерниковые тундры в комплексах с пущицево-осоково-сфагновыми болотами.^[6,18]

Более подробно физико-географические условия были описаны в нашей работе.^[5]

2.2. Полевые методы исследований

Полевые работы были проведены на УНП Хановей и прилегающих к нему территориях в сентябре 2022 г. В процессе исследований были заложены 10 разрезов почв в различных ландшафтных условиях от низкой поймы реки Воркуты до слабовыпуклой поверхности междуречной равнины (рис. 2).

9 из 10 заложенных разрезов составили почвенно-геохимическую катену правобережья Воркуты. 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^[11] и Полевом определителе почв.^[17] Полевые названия почв также были даны исходя из сочетаний диагностических генетических горизонтов и признаков, указанных в Полевом определителе почв.^[17]

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 оксалаторастворимого (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 раствором cоли Мора (двойная сернокислая соль железа и аммония - 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 подзолистого типа почвообразования по содержанию фракции физической глины (Н.А. Качинского)

Концентрации несиликатного и оксалаторастворимого железа

Определение дитионит-растворимых соединений железа 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),перемешивали круговыми движениями и нагревали на водяной бане до 800°С. Затем в пробирку вносили 0,5 г сухого порошка дитионита натрия (Na₂S₂O₄)и перемешивали стеклянной палочкой. После этого в пробирку добавляли 5мл насыщенного раствора хлорида натрия (NaCl), перемешивали и оставлялина водяной бане до образования хлопьевидного осадка. Затем проводили центрифугирование в течение 10 мин при 3000 об/мин, центрифугат сливали через сухой плотный фильтр в мерную колбу вместимостью 250 мл. Обработку почвы в центрифужной пробирке повторяли еще два раза, собирая центрифугаты в ту же мерную колбу. После охлаждения содержимое мерной колбы доводили дистиллированной водой до метки и перемешивали. Концентрация железа в полученномрастворе определялось методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

Для анализа группового состава железа проба почвы была перетёрта фарфоровым пестиком в фарфоровой ступке, а затем просеяна сквозь сито с диаметром пор 1 мм. Экстракция окристаллизованных соединений железа 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 оксалаторастворимых форм железа был проведён методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

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 работами А.И. Перельмана и Н.С. Касимова^[16]. Для характеристики элементарных геохимических ландшафтов им были даны названия в соответствии с классификацией М.Д. Богдановой с соавторами^[2]. 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.^[15,16] 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 Lx_(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. Почвенно-геохимическая структура учебно-научного полигона Хановей

Встреченные на Хановейском УНП криогенные почвы представлены профилями типов криометаморфические, криозёмы, торфяно-глеезёмы, торфяные, а также серогумусовые и аллювиальные. Среди подтипов широко распространены глеевые и глееватые, поскольку в надмерзлотных горизонтах суглинистого гранулометрического состава часто развиваются восстановительные условия среды, что приводит к морфологическим проявлениям восстановления железа. Криогенно-ожелезнённые подтипы почв, также часто встречаемые здесь свидетельствуют о проявлении смыкания нижней границы ММП с фронтом промерзания сверху, в месте которого концентрируется окисленная форма железа.^[11] Подробно условия почвообразования и морфологическое строение почвенных профилей рассмотрены в нашей работе.^[5]

Заложенная на левом берегу р. Воркуты почвенно-геохимическая катена представляет собой последовательно расположенные от приводораздельной поверхности до низкой поймы Вилюя элементарные геохимические ландшафты (рис. 3): элювиальный первого порядка с преобладанием радиальной миграции вещества (Э_1R) ландшафт приводораздельной поверхности, элювиальные ландшафты второго порядка (Э₂) надпойменных террас – третьей и второй, трансэлювиальные ландшафты со слабым (ТЭ₁) и интенсивным (ТЭ_­3) выносом на склонах надпойменных террас, поверхность первой надпойменной террасы, покрытой слоем элювиального материала и слабо выраженной в рельефе, всё же обособлена и представляет собой трансэлювиально-аккумулятивный ландшафт (ТЭА), а ниже по рельефу располагается поверхность низкой поймы – супераквальный транзитный (СТ­₃) ландшафт. Аквальный ландшафт (А) р. Воркуты является замыкающим в катенарной цепи, однако рассмотрение его геохимической специфики не входит в задачи данного исследования.

Рис. 3. Почвенно-геохимическая катена на учебно-научном полигоне Хановей (а) и микроструктура почвенного покрова первой надпойменной террасе (б)

Верхние части почвенно-геохимической катены на элементах рельефа с улучшенным дренажом, глубиной залегания ММП более 1 м, а также суглинистым гранулометрическим составом почвообразующих пород (рис. 3а) характеризуются ареалами криометаморфических почв (приводораздельная поверхность, склон третьей надпойменной террасы). На третьей и второй надпойменных террасах развиты глубоко протаивающие (более 2 м) торфяные отложения, на третьей их мощность превышает 2 м (рис. 3а), что позволяет выделить на ней ареал торфяных олиготрофных почв. На второй надпойменной террасе мощность торфа не превышает 0,5 м, а ниже залегают суглинистые почвообразующие породы (верхняя граница ММП расположена на глубине около 0,6–0,7 м), что соответствует типичному строению профилей торфяно-глеезёмов (рис. 3а). Этот тип почвы встречается в понижениях между торфяными буграми пучения – пальза, а на вершинах бугров развиты криозёмы криогенно-ожелезнённые и глеевые (последние – в почвах пятен медальонов). Криогенное пучение здесь является основным процессом, осложняющим рельеф и, как следствие, почвенный покров (рис. 3б). В нижней части катены почвообразующими породами являются песчаные отложения склонов и первой фрагментарно представленной надпойменной террасы, а ниже расположена низкая пойма на галечниковом материале. На песчаных отложениях развиваются криозёмы глееватые и серогумусовые почвы, на галечниках низкой поймы распространены аллювиальные гумусовые почвы (рис. 3а). Глубина сезонного оттаивания на древнеаллювиальных песках и галечниках превышает 2 м, к тому же, вблизи уреза реки развита таликовая зона, ввиду чего многолетнемёрзлые горизонты в профилях почв не были встречены.

3.2. Физико-химические свойства криогенных почв УНП Хановей

Кислотность водных вытяжек почв варьирует в диапазоне pH от 4,7 до 7,5, что соответствует градациям от кислых до нейтральных. Более кислыми реакциями отличаются поверхностные органогенные горизонты почв (от 4,7 до 6,2), а к нижней части профилей значения повышаются и достигают 7,5. Среднее значение pH составляет 6,1. Варьирование в пределах профилей почв происходит с коэффициентом вариации 12,4% (табл. 3).

Легкорастворимые соли содержатся в почвах в пределах от 1,8 до 266 мг/л. Содержание солей в среднем равно 35,4 мг/л, квартили варьирования большей части концентраций составляют 8,7 (25%) и 49,1 (75%) мг/л, а значительные увеличения концентраций (рис. 4а) связаны с накоплением солей в верхних частях профилей, где концентрации выше среднепрофильных в 2–5 раз (табл. 2). Соответственно, средние значения электропроводности почв составляют 70,7 мкС/см, варьирование происходит в широких пределах от 3,6 до 532 мкС/см.

Содержания органического углерода в большей части изученных почв весьма высоки за счёт того, что органогенные горизонты зачастую представлены торфяниками или тундровыми подстилками слабой степени разложения. Максимальные содержания С_орг достигают 45,8%, а среднее содержание С_орг во всех изученных почвах составляет 14,3%. В верхних частях профилей, где сосредоточено больше всего органического вещества, а к нижней части профиля содержание С_орг резко снижается (иногда более, чем в 10 раз). Варьирование происходит в пределах от 0,5 до 45,8% (табл. 3, рис. 4а).

Содержание физической глины в изученных почвах в среднем равно 33,5%, наименьшее содержание составляет 6,6% (связно-песчаный гранулометрический состав горизонта - табл. 1), наибольшее содержание равно 59,9% (легкоглинистый гранулометрический состав - табл. 1). Коэффициент вариации содержания физической глины имеет значение около 40% (табл. 3), что свидетельствует о весьма контрастном распределении содержания гранулометрических фракций с диаметрами меньше 10 мкм в профилях почв. В верхней части катены наблюдаются почвы супесчаного и суглинистого гранулометрического состава (рис. 3), а нижней части профиля рельефа почвообразующие породы имеют облегчённый состав.

Рис. 4. Физико-химические свойства криогенных почв УНП Хановей: 1 – минимальное значение; 2 – квартиль 25%; 3 – среднее значение; 4 – медианное значение; 5 – квартиль 75%; 6 – максимальное значение

Наиболее часто встречаемой фракцией в изученных почвах является фракция с диаметром 10–50 мкм (рис. 4б), среднее содержание которой равно 39,2%, а само распределение наиболее близко к нормальному. Также весьма широко распространены частицы размерами 1–5 и 50–250 мкм (средние содержания равны 17,9 и 16,7%, соответственно). Наибольшими коэффициентами вариации обладают частицы с размерами 250–1000 и >1000 мкм (186,6 и 346%, соответственно) – эта фракция наиболее контрастно распределена в почвенно-геохимической катене, особенно частицы с размерами >1000, которые вообще встречаются не повсеместно.

Групповой состав железа представлен в основном группой силикатных соединений, входящих в состав породообразующих минералов. Доля несиликатной группы соединений железа в составе валового содержания достигает всего 2% (табл. 2), такими содержаниями Feнс отличаются глубокие минеральные горизонты почв, что предполагает фракционирование железа в горизонтах с динамичными показателями окислительно-восстановительного потенциала и активными проявлениями процесса криогенного растрескивания, из-за которого кристаллические решётки минералов разрушаются и содержащиеся в них атомы Fe переходят в состав других химических соединений. Доля аморфной фракции, во-первых, очень мала в исследованных профилях почв - максимум до 0,6% (табл. 2), во-вторых, распределена в них практически (0,1–0,3%) равномерно (рис. 4а). Редкие исключения составляют высокие значения (выше 1%) Fe_а, предположительно, являющиеся свидетельством активного взаимодействия минеральной и органогенной фракции почв на границах соответствующих горизонтов.

Таблица 2. Физико-химические свойства почв УНП Хановей

Таблица 3. Статистические значения физико-химических свойств почв УНП Хановей

Таблица 4. Гранулометрический состав почв УНП Хановей (процентное содержание гранулометрических фракций (мкм) в %)

3.3. Элементный состав криогенных почв УНП Хановей

Кремний и железо, как главные составляющие минералогической основы почв УНП Хановей, характеризуются наибольшими средними концентрациями среди всех изученных элементов. Средние содержания Si и Fe в почвах варьируют в пределах от 2 до 4%, при этом соединения кремния распределены в почвах более нормально (рис. 5а), а для соединений железа более характерны весьма узкие квартили распределений и более широкий, по сравнению с кремнием, интервал распределения в целом (рис. 5а). Остальные макроэлементы – Mg, Al, Ca, Ti и Mn, – имеют концентрации, не превышающие 1,2%, из них наибольшие концентрации у Ca (до 1,18%), Al и Ti распределяются весьма широко с максимальными значениями концентраций, достигающими 1 и 0,92%, соответственно, а средние концентрации варьируют в пределах от 0,2 до 0,4%. Mg и Mn имеют концентрации, редко превышающие 0,1% (рис. 5а, табл. 5).

Рис. 5. Валовой элементный состав криогенных почв УНП Хановей: а) макроэлементы, б) микроэлементы; в) сезонно-талые горизонты; г) криогенные сезонно-талые горизонты; д) многолетнемёрзлые горизонты; 1 – минимальное значение; 2 – квартиль 25%; 3 – среднее значение; 4 – медианное значение; 5 – квартиль 75%; 6 – максимальное значение

Среди микроэлементов наибольшими концентрациями отличаются V, Zn и Y, в распределениях которых главной чертой является весьма расширенный диапазон варьирования концентраций в горизонтах сезонно-талого слоя без признаков криогенеза, а также широкий диапазон варьирования концентраций V и Y в многолетнемёрзлых горизонтах (рис. 5б). Остальные микроэлементы- Sr, Zr, Rb и Pb, – содержатся в почвах в весьма низких концентрациях, не превышающих 10 мг/кг (табл. 6).

Среди наиболее ярко выраженных признаков криогенного распределения элементов в почвах УНП Хановей обнаруживаются увеличения средних (около 1%) концентраций Ca (рис. 5а), квартили содержаний которого также смещены к верхним пределам содержания, относительно сезонно-талых и криогенных сезонно-талых горизонтов. Среди остальных макроэлементов наиболее значительно отличаются от двух других групп горизонтов содержание Al в горизонтах ММП (рис. 5а). Fe в многолетнемёрзлых горизонтах, напротив, распределено со снижениями средних значений и квартилей содержаний к нижним пределам. Также Fe распределено в криогенных сезонно-талых горизонтах почв с повышением средних концентраций относительно сезонно-талых и многолетнемёрзлых, что особенно заметно на примере максимальных содержаний – 11% (в сравнении с сезонно-талыми – 7%; и многолетнемёрзлыми – 2%).

Таблица 5. Содержания макроэлементов в почвах УНП Хановей (в %)

Таблица 6. Содержания микроэлементов в почвах УНП Хановей (в г/кг)

3.4. Радиальная дифференциация криогенных почв УНП Хановей

Радиальная дифференциация концентраций химических элементов в почвах УНП Хановей представляет собой разнообразные картины профильных распределений, среди которых выделяются следующие основные закономерности, встречаемые наиболее часто: 1) обогащение большей части криогенных сезонно-талых горизонтов почв (Gcf@, CG@, CRg, CRM) многими элементами, концентрация элементов с переменной степенью окисления (Fe, Mn) и некоторых других в глеевых горизонтах, либо в горизонтах, проявляющих признаки оглеения (G, CRg, O/Cg, Gox и др.), а также относительно равномерные распределения концентраций большей части элементов в минеральных горизонтах почв без визуально выраженных признаков криогенеза.

Накопление макро- и микроэлементов в поверхностных торфяных горизонтах почв, скорее всего, связано с атмосферным поступлением содержащих их частиц на поверхность почв в результате длительного переноса промышленных выбросов крупных городов (Воркута и её города-спутники) в составе воздушных масс. Заметно, что торфяные горизонты (T) более высокой мощности обладают повышенной способности к аккумуляции элементов, по сравнению с горизонтами подстилок (O). В то время как значения коэффициентов R для горизонтов подстилок чаще всего примерно сопоставимо с почвообразующей породой или даже демонстрирует рассеяние (1 ≥ R) (рис. 6а, в, г, е, ж), то в торфяных горизонтах зачастую наблюдаются примерно двух- и более кратные превышения концентраций Al, Si, Ti, Mn, Sr, Y и Zr в горизонтах T относительно C (R ≥ 2).

По-видимому, процессы криогенного оструктуривания в горизонтах почв CR и CRM и параллельно развивающейся в ней в период промерзания восстановительной обстановки (морфологические признаки которой сохраняются в почвах и в период талого состояния), способствуют накоплению в них таких элементов, как Mn (R_Mn = 2,1) (рис. 6в), Al (R_Al = 2,3), Ti (R_Ti = 8,9) (рис. 6е), Rb, Sr и др. Многолетнемёрзлые горизонты почв редко создают контрасты профильных распределений ввиду того, что надмерзлотные горизонты (CGcf@, CG@, Gox), проявляющие функции радиальных геохимических барьеров по отношению к Si, Ti, V, Sr, Zr и др. металлам, способствуют замедлению вертикальной миграции веществ на пути от поверхности почвы к верхней границе ММП.

Рис. 6. Радиальная дифференциация криогенных почв УНП Хановей: а) криозём криогенно-ожелезнённый поверхностно- и надмерзлотно-глеевый тиксотропный, б) торфяно-глеезём криогенно-ожелезнённый, в) криозём глеевый тиксотропный, г) криозём глееватый на древнеаллювиальных отложениях, д) торфяная олиготрофная почва, е) криометаморфическая глееватая, ж) криометаморфическая надмерзлотно-глееватая, з) торфяно-глеезём окисленно-глеевый мерзлотный, и) аллювиальная гумусовая почва, к) серогумусовая грубогумусированная почва на валунисто-галечниковом аллювии; 1 – сезонно-талые горизонты; 2 – криогенные сезонно-талые горизонты; 3 – многолетнемёрзлые горизонты

3.5. Латеральная дифференциация криогенных почв УНП Хановей

В качестве латеральных геохимических барьеров на пути субгоризонтальной водной миграции веществ в почвенно-геохимических катенах на УНП Хановей чаще всего выступают сезонно-талые органогенные горизонты (L_Ti = 2,6, L_Al = 1,3, L_V = 8,2 и т.п.) мощного торфяника (Э₂ геохимический ландшафт) (рис. 7). Также весьма контрастными распределениями характеризуются концентрации Mn и Fe в группе геохимических ландшафтов первой надпойменной террасы, что, предположительно, связано с развитой здесь глеевой обстановкой в торфяно-глеезёмах и криозёмах криогенно-ожелезнённых, глееватых и глеевых, а резкий рост содержаний Ti, V и Sr (L = 1,7–2,9), возможно объяснить, наоборот, аэрацией почвенного профиля более лёгкого (песчаного) гранулометрического состава и, соответственного, окислительной средой, развитой здесь. Таки образом, мобилизованные при восстановлении в верхней части катены соединения элементов здесь иммобилизуются при впадении в осадок в результате окисления (рис. 7).

В криогенных сезонно-талых горизонтах латеральная дифференциация слабоконтрастна у большей части элементов. Исключение составляет повышенное значение коэффициента L_V = 3 в ландшафтах склона второй надпойменной террасы. Мы связываем это проявление со сменой литологического состава почвообразующих пород с торфяных отложений на покровные суглинки.

Рис. 7. Латеральная дифференциация химического состава криогенных почв УНП Хановей. Элементарные геохимические ландшафты: 1 – элювиальный первого порядка (Э_1R); 2 – элювиальный второго порядка (Э₂); 3 – трансэлювиальный со слабым выносом (ТЭ₁); 4 – элювиальный второго порядка (Э2); 5 – трансэлювиальный с активным выносом (ТЭ₃); 6 – трансэлювиально-аккумулятивный (ТЭА); 7 – супераквальный транзитный (СТ₃); 8 – аквальный (А). Прочие обозначения: 9 – профиль рельефа; 10 – местоположения почвенных разрезов; 11 – сезонно-талые горизонты; 12 – криогенные сезонно-талые горизонты

4. Дискуссия

4.1. Радиальные распределения

Верхние горизонты почв обладают повышенной депонирующей способностью по отношению к Fe и Mn (содержание подвижных форм Fe = 176 ± 72,2; Mn = 13,5 ± 8,5, что в 1,5–9 раз выше в горизонтах A0, A, по сравнению с горизонтом Bm) и относительно низкой – к Ca и Mg (в 2,5–3 раза выше содержание в горизонтах Bm, по сравнению с A0, A), что наблюдалось Д.С. Скрябиной в мерзлотных почвах Якутии.^[21] Аналогичные наблюдения о концентрации железа и марганца в органогенных горизонтах почв УНП Хановей были сделаны как нами, так и другими исследователями в Большеземельской тундре.^[20] На юго-востоке Большеземельской тундры многие микроэлементы отличаются выносом из поверхностных органогенных горизонтов и зоны аэрации с накоплением на верхней границе глеевого горизонта: Cu (увеличение от 4–6 до 14 мг/кг), Pb (от 6 – 8 до 9 мг/кг), Cd (от 0,17 до 0,24 мг/кг), Zn (от 25 до 40 мг/кг), Co (от 4,2 до 10,2 мг/кг) и т.д.^[24] В почвах Большеземельской тундры профильное распределение концентраций микроэлементов отличается следующими чертами: As – распределён равномерно в горизонтах с высокими содержаниями Сорг и окислительной средой (в районе 1–2 мг/кг), а в глеевых горизонтах он накапливается, Pb и Cu распределены в профилях почв относительно равномерно, а Zn характеризуется, напротив, биогенной аккумуляцией, что выражается в накоплении этого металла в верхних горизонтах почв ^[10].

4.2. Латеральные распределения

М.П. Тентюковым^[22] были определены следующие статистические параметры распределения элементов-примесей (микроэлементов) в почвах двух основных типов ландшафтов южной части Большеземельской тундры – озёрно-болотных равнин и эрозионно-аккумулятивных равнин (табл. 7). В автоморфных почвах эрозионно-аккумулятивных равнин профильные распределения микроэлементов в почвах довольно контрастны с накоплением Zr, V и Ti в средней части профиля, а Mn аккумулируется в органогенных горизонтах. Первое явление, скорее всего, связано с элювиальным процессом, второе – с биогенной аккумуляцией. Многие элементы накапливаются на верхней границе тиксотропного горизонта в результате осаждения гидроксидами Fe и частичной сорбцией глинистыми частицами. Таким образом, отмечается совокупное влияние этих двух факторов на профильное распределение.

Таблица 7. Статистические параметры распределения элементов-примесей в ландшафтах южной подзоны Большеземельской тундры, г/т (по ^[22])

Примечание: Q1 – первый квартиль (25%), Me – медианное значение, Q3 – третий квартиль (75%), KK – кларк коцнентрации

Немного иное распределение наблюдается в профиле поверхностно-глеевых почв в трансэлювиальном геохимическом ландшафте склона. Слабовыраженный тиксотропный горизонт в средней части почвенного профиля, в котором проявляется признак процесса криогенного ожелезнения, отмечается накопление Mn и Zr. В трансаккумулятивном ландшафте аллювиальная дерново-глеевая почва отличается относительно слабым накоплением Ti и Zr в глеевом горизонте G ^{[22, 23]}.

В тундровых почвах проявляется наибольшая контрастность латеральных геохимических барьеров по отношению к Fe, Mg, Pb, Sr и другим металлам. Особенно контрастны геохимические барьеры в подчинённых геохимических ландшафтах.^[20]

5. Заключение

Изучены криогенные почвы на учебно-научном полигоне Хановей, расположенном в 30 км южнее г. Воркуты в Республики Коми. Физико-географически исследованный район относится к юго-западной части Большеземельской тундры и почвы данного района были классифицированы как криозёмы, торфяно-глеезёмы, криометаморфические, аллювиальные и серогумусовые. В них чаще других проявляются признаки криогенного ожелезнения, оглеения и т.п. процессов. Почвы относятся к кислым и близким к нейтральным по кислотности реакции, содержание водорастворимых солей в них чаще всего не превышает 100 мг/л, содержание Сорг достигает 45%, поскольку торфоаккумуляция здесь крайне активна. По гранулометрическому составу горизонты почвы варьируют от песчаных до тяжелосуглинистых и легкоглинистых, резкая смена гранулометрического состава почвообразующих пород происходит при переходе от поверхности первой надпойменной террасы р. Воркуты к её склону. Валовой состав железа представлен в основном группой силикатных соединений, несиликатная фракция достигает концентраций в районе 2%, а аморфная фракция вообще малочисленна.

Среди картин радиальной дифференциации концентраций химических элементов в почвах УНП Хановей выделяются следующие: 1) большая часть криогенных сезонно-талых горизонтов почв обогащена многими элементами, 2) концентрация элементов с переменной степенью окисления в глеевых горизонтах, 3) относительно равномерные распределения концентраций в минеральных горизонтах почв без признаков криогенеза. Торфяные горизонты (T) более высокой мощности обладают повышенной способности к аккумуляции элементов, по сравнению с горизонтами подстилок (O). R для горизонтов подстилок чаще всего сопоставимы с почвообразующей породой или даже демонстрирует рассеяние. Процессы криогенного оструктуривания в горизонтах почв CR и CRM и параллельно развивающейся в ней восстановительной обстановки способствуют накоплению в них Mn (R_Mn = 2,1), Al (R_Al = 2,3), Ti (R_Ti = 8,9), Rb, Sr и др.

В качестве латеральных геохимических барьеров в почвенно-геохимических катенах выступают сезонно-талые органогенные горизонты (L_Ti = 2,6, L_Al = 1,3, L_V = 8,2 и т.п.) мощного торфяника (Э₂ геохимический ландшафт). Также весьма контрастными распределениями характеризуются Mn и Fe в ландшафтах первой надпойменной террасы, а резкий рост содержаний Ti, V и Sr (L = 1,7–2,9) в них, наоборот, связан с аэрацией почвенного профиля песчаного гранулометрического состава. В криогенных сезонно-талых горизонтах латеральная дифференциация слабоконтрастна у большей части элементов.

Подробно изучена почвенно-геохимическая структура южнотундровых ландшафтов юго-востока Большеземельской тундры в долине р. Воркуты. Эти данные позваоляют уточнить особенности функционирования геохимических ландшафтов ряда районов Российской Арктики и Субарктики.