Spatial heterogeneity of soil properties in the zone of sporadic distribution of permafrost (Subpolar Urals)
The structure of the soil cover of the Subpolar Urals is characterized by diversity due to the combination of contrasting environmental conditions: a mosaic of vegetation, character of soil-forming rocks and topography. The study of the spatial variation of soil properties will provide more accurate information about the features of the soil cover of the Subpolar Urals. The aim of this research was to study the spatial heterogeneity of the morphological and physical-chemical properties of soils of the polar Urals. We carried out studies on the territoiy of “Yugyd va” National Park (63°59' N, 59°I3' E) in the northern part of the Subpolar Urals (See Fig. 1). We examined morphological and physicalchemical properties of soils of the mountain-forest and mountain-tundra belts of the Subpolar Urals using the example of two trenches (See Fig. 2). The first trench was located in the mountain-forest belt (See Fig. 3A). Coordinates: 65°08'12.5''N, 60°51'24.0''E. The second trench was located in the alpine-tundra belt (See Fig. 3B). Coordinates: 65°02'06.3''N, 60°35'19.2''E. The trenches were divided into three segments. Diagnostics and position classification of soils was carried out in accordance with “Field guide of Russian soils” (2008) and the World Reference Base of Soil Resources, version 2015 (IUSS Working Group WRB, 2015). For the studied soils, we determined the main physical-chemical parameters: acidity, total contents of C and N, exchangeable cations - Ca2+ and Mg2+, as well as the content of Fe , Al and Fe (Vorob'eva LA, 2006). The contents of ox ox dith carbon and nitrogen were determined using elemental analyzer EA 1110 (Carlo Erba, Italy). Granulometric composition was determined according to the method of Kachinsky (Shein EV and Karpachevskii LO, 2007). We showed that the heterogeneity of morphological properties may determine differences between soils within a few meters. We revealed that for the studied trenches the variation of morphological features determines major differences between soils. It is demonstrated that differences in the intensity of soil processes lead to a wide soil diversity. Thus, several types and subtypes of permafrost soils were identified. In the mountain forest belt are formed: Histic Cambi-Turbic Cryosol (Humic) in the first segment, Histic Cryosol (Turbic, Reductaquic)) in the second segment, and Histic Cryosol in the third segment. In the alpine tundra belt are formed: Stagnic Entic Podzol (Skeletic, Turbic, Reductaquic) in the first segment, Folic Cryosol (Skeletic. Humic) in the second segment, and Stagnic Entic Podzol (Turbic, Skeletic) in the third segment. The analysis of granulometric composition of the studied soils of the mountain-forest belt showed that the soils are characterized by a high content of fraction of physical clay. For soils of the mountain tundra belt, we revealed the predominance of large fractions of physical sand (See Table. 1). The soils of the investigated trenches have a slightly acidic reaction medium. Organogenic horizons have the highest acidity. In mineral horizons, there is a smooth decrease in acidity with depth until close to slightly acidic values. We established that soils of the mountain-forest belt are more acidic (рН 4.4-5.7) than soils in the mountain tundra belt (pH 5.1-5.9). The result of biogenic accumulation of the largest concentration of exchange forms of Ca2+ and Mg2+, like the trench of the mountain-forest and mountain tundra belt, was observed in organogenic horizons. In the soils of the mountain forest belt, the Ca2+ content ranged from 8.8 to 14.7 mmol/100 g with a decrease in sphagnum mosses in the vegetation cover and an increase in green mosses. In the soils of the tundra mountain belt, the Ca2+ content is from 14.7 to 23.2 mmol/100 g and correlates with an increase in lichens and a decrease in mosses in the vegetation cover. The analysis of iron compounds revealed that in the mountain forest belt zones the maximum Feox content increases from 0.84 in segment I to 1.44% in segment III. Fedith accumulation from the first to the third segment varies from 0.91 to 2.46% (See Fig. 4). For soils of the mountain-tundra belt, high concentrations of iron compounds are characteristic of horizons with signs of overmoistening. In horizon G of segment I, the content of oxalation-soluble forms was 1.59%, and that of dithion-insoluble forms was 2.59%. In the BFg horizon, it was 2.01 and 2.75%. As a result of the studies, we showed that the distribution of carbon and nitrogen in the studied soils of the Subpolar Urals gradually decreases along the profile (See Fig. 5). The carbon content in the soil litter of the mountain forest belt reaches 43.3%, and that of nitrogen - 1.5%. The litter of soils of the mountain tundra contains up to 42.3% carbon and up to 1.3% nitrogen, respectively. However, in the mineral horizons of soils of the mountain-tundra belt, the content of carbon and nitrogen is much higher than in soils of the mountain-forest belt, which can be explained by the low biological activity of soils of mountain-tundra plant communities. Thus, we illustrated that it is the morphological characters that primarily serve as the basis for determining the type of soil, both within the same trench and in different altitudinal zones, while the physicochemical parameters are more conservative and serve as a clarifying analytical characteristic. We found out that the increase in the content of Ca2+ and Mg2+ for both trenches is determined by the composition of the moss-lichen layer and a decrease in the moisture organic horizon. The content of C and N in the mineral horizons of soils of the mountain-tundra belt is much higher than in the soils of the mountain-forest belt. We showed that in the mineral horizons of soils of the mountain-tundra belt, due to more severe climatic conditions, a high proportion of bedrock fragments in the profile, and close occurrence of permafrost, organic carbon and nitrogen are better accumulated and preserved than in the soils of the mountainforest belt. The paper contains 5 Figures, 1 Table and 53 References.
Keywords
Stagnic Entic Podzol,
Cryosol,
heterogeneity of properties,
permafrost-affected soils,
Subpolar Urals,
Cryosol,
Podzol,
многолетнемерзлые породы ММП,
неоднородность свойств,
мерзлотные почвыAuthors
Startsev Viktor V. | Institute of Biology of the Komi Science Centre, Ural Division of the Russian Academy of Sciences | vik.startsev@gmail.com |
Dubrovsky Yuri A. | Institute of Biology of the Komi Science Centre, Ural Division of the Russian Academy of Sciences | dubrovsky@ib.komisc.ru |
Zhangurov Egor V. | Institute of Biology of the Komi Science Centre, Ural Division of the Russian Academy of Sciences | zhan.e@mail.ru |
Dymov Alexey A. | Institute of Biology of the Komi Science Centre, Ural Division of the Russian Academy of Sciences | aadymov@gmail.com |
Всего: 4
References
Henkner J., Scholten T., Kuhn P. Soil organic carbon stocks in permafrost-affected soils in West Greenland // Geoderma. 2016. № 282. PP. 147-159. doi: 10.1016/j. geoderma.2016.06.021
Dymov A.A., Zhangurov E.V., Hagedorn F. Soil organic matter composition along altitudinal gradients in permafrost affected soils of the Subpolar Ural Mountains // Catena. 2015. № 131. PP. 140-148. doi: 10.1016/j.catena.2015.03.020
White D.M., Garland D.S., Ping C.L., Michaelson G., Characterizing soil organic matter quality in arctic soil by cover type and depth // Cold Reg. Sci. Technol. 2004. № 38. PP. 6373. doi: 10.1016/j.coldregions.2003.08.001
Koven C., Friedlingstein P., Ciais P., Khvorostyanov D., Krinner G., Tarnocai C. On the formation of high-latitude soil carbon stocks: effects of cryoturbation and insulation by organic matter in a land surface model // Geophys. Res. Lett. 2009. № 36. L21501. PP. 1-5. doi: 10.1029/2009GL040150
Dutta K., Schuur E.A.G., Neff J.C., Zimov S.A. Potential carbon release from permafrost soils of northeastern Siberia // Glob. Chang. Biol. 2006. № 12 (12). PP. 2336-2351. doi: 10.1111/j.1365-2486.2006.01259.x
Лупачев А.В., Губин С.В. Органогенные надмерзлотно-аккумулятивные горизонты криозёмов тундр севера Якутии // Почвоведение. 2012. № 1. С. 57-68. doi: 10.1134/ S1064229312010115
Забоева И.В. Почвы и земельные ресурсы Коми АССР / под ред. И.П. Герасимова. Сыктывкар : Коми кн. изд-во, 1975. 344 с.
Roden E.E., Zachara J.M. Microbial reduction of crystalline Fe (III) oxides: influence of oxide surface area and potential for cell growth // Environ. Sci. Technol. 1996. № 30. PP. 1618-1628.
Бабанин В.Ф., Трухин В.И., Карпачевский Л.О., Иванов А.В., Морозов В.В. Магнетизм почв / под ред. В.В. Морозова. М. : Ярославль, 1995. 222 с.
Munch J.C., Ottow J.C.G. Preferential reduction of amorphous to crystalline iron oxides by bacterial activity // Soil Science 1980. № 129. PP. 15-21.
Водяницкий Ю.Н., Шоба С.А. Дискуссионные вопросы интерпретации результатов химической экстракции соединений железа из почв // Почвоведение. 2014. № 6. С. 697-704. doi: 10.7868/S0032180X14060112
Valtera M., Samonil P. Soil organic carbon stocks and related soil properties in a primary Picea abies (L.) Karst. volcanic-mountain forest // Catena. 2018. № 165. PP. 217-227. doi: 10.1016/j.catena.2018.01.034.
Лупачев А.В., Абакумов Е.В. Почвы Земли Мэри Бэрд (Западная Антарктика) // Почвоведение. 2013. № 10. С. 1167-1180. doi: 10.7868/S0032180X13100079
Gentsch N. Landscape controls of organic carbon content and fraction composition in permafrost soils, Central Siberia // Diploma Thesis. 2010. University Leipzig. Faculty for Physics and Geo Science Institute for Geography. 105 p.
Egli M., Poulenard J. Soils of Mountainous Landscapes. In The International Encyclopedia of Geography: People, the Earth, Environment, and Technology / еds. by D. Richardson, N. Castree, M.F. Goodchild, A. Kobayashi, W. Liu, R.A. Marston. New York, NY : Wiley, 2017.
Раудина Т.В., Кулижский С.П., Спирина В.З. Влияние криогенных процессов на формирование профиля почв центральной части Тазовского полуострова // Вестник Тюменского государственного университета. Экология и природопользование. 2015. Т. 1, № 1 (1). С. 33-44.
Конищев В.Н. Формирование состава дисперсных пород в криолитосфере / под ред. А.И. Попова. Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1981. 197 с.
Ананко Т.В., Герасимова М.И., Конюшков Д.Е. Почвы горных территорий в классификации почв России // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2018. № 92. С. 122-146. doi: 10.19047/0136-1694-2018-92-122-146
Почвенное картирование: учеб.-метод. пособие / под ред. Б.Ф. Апарина, Г.А. Касаткиной. СПб. : Изд-во СПб. ун-та, 2012. 128 с.
Ершов Ю.И., Москалев А.К., Степень Р.А. Земельные и лесные ресурсы Красноярского края, проблемы их рационального использования. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2001. 114 с.
Краснощеков Ю.Н. Структура почвенного покрова горных лесов Хэнтэйского нагорья в Монголии // Вестник Крас ГАУ. 2013. № 12. С. 77-82.
Старцев В.В., Дымов А.А., Прокушкин А.С. Почвы постпирогенных лиственничников Средней Сибири: морфология, физико-химические свойства и особенности почвенного органического вещества // Почвоведение. 2017. № 8. С. 912-925. doi: 10.7868/S0032180X17080111.
Тонконогов В.Д. Автоморфное почвообразование в тундровой и таёжной зонах Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнин. М. : Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2010. 304 с
Сукачёв В.Н. Избранные труды : в 3 т. Проблемы фитоценологии / под ред. Е.М. Лавренко. Л. : Наука, 1975. Т. 3. 542 с
Мудров Ю.В. Мерзлотные явления в криолитозоне равнин и гор. Основные понятия и определения. Иллюстрированный энциклопедичский справочник. М. : Научный мир, 2007. 316 с
Почвенные комбинации и их генезис / под ред. В.М. Фридланда. М. : Наука, 1972. 216 с.
Mehra O.P., Jackson M.L. Iron oxide removal from soils and clays by a dithionite-citrate system buffered with sodium bicarbonate // Clay Clay Miner. 1960. № 7. PP. 317-327.
Теории и методы физики почв / под ред. Е.В. Шеина, Л.О. Карпачевского. М. : Гриф и К, 2007. 616 с.
Теория и практика химического анализа почв / под ред. Л.А. Воробьевой. М. : ГЕОС, 2006. 400 с.
Методика выполнения измерений содержания углерода и азота в твердых объектах методом газовой хроматографии на элементном анализаторе ЕА 1110 (CHNS-O): свидетельство об аттестации методики измерений / под ред. Б.М. Кондратенка, Е.В. Ванчиковой, А.Г. Естафьевой ; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук. № 88-17641-94-2009 (ФР.1.31.2014.17663).
IUSS Working Group WRB. World reference base for soil resources 2014, update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports No. 106. Rome : FAO, 2015.
Полевой определитель почв России. М. : Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.
Ипатов В.С., Мирин Д.М. Описание фитоценоза. Методические рекомендации : учеб.-метод. пособие. СПб., 2008. 71 с.
Орлова М.А., Лукина Н.В., Камаев И.О., Смирнов В.Э., Кравченко Т.В. Мозаичность лесных биогеоценозов и продуктивность почв // Лесоведение. 2011. № 6. С. 39-48.
Дмитриев Е.А. Некоторые методологические аспекты изучения почв // Вестник Московского университета. Сер. 17: Почвоведение. 1997. № 2. С. 3-9.
Атлас по климату и гидрологии Республики Коми / под ред. А.И. Таскаева. М. : Дрофа, 1997. 116 с.
Старцев В.В., Жангуров Е.В., Дымов А.А. Годовая динамика температур органогенных горизонтов почв Приполярного Урала // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2016. № 2 (26). С. 28-35.
Димо В.Н. Тепловой режим почв СССР. М. : Колос, 1972. 360 с.
Старцев В.В., Жангуров Е.В., Дымов А.А. Характеристика почв высотных поясов хребта Яптикнырд (Приполярный Урал) // Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2017. № 38. С. 6-27. doi: 10.17223/19988591/38/1
Добровольский Г.В., Урусевская И.С. География почв. М. : КолосС, 2004. 460 с.
Дымов А.А., Жангуров Е.В., Старцев В.В. Почвы северной части Приполярного Урала: морфология, физико-химические свойства, запасы углерода и азота // Почвоведение. 2013. № 5. С. 507-516. doi: 10.7868/S0032180X1305002X
World Soil Resources Reports // Biological management of soil ecosystems for sustainable agriculture. Brazil : Londrina, 2002. 107 p.
Кудряшова С.Я., Дитц Л.Ю., Чичулин А.В., Чумбаев А.С., Миллер Г.Ф., Безбородова А.А. Эколого-географические аспекты выделения типов комплексов почв на плоскогорье Укок с использованием дистанционных исследований // Сибирский экологический журнал. 2012. № 5. С. 703-710. doi: 10.1134/S1995425512050046
Жангуров Е.В., Дубровский Ю.А., Дымов А.А. Характеристика почв и растительного покрова высотных поясов хребта Малдынырд (Приполярный Урал) // Известия Коми НЦ УрО РАН. 2012. № 4. С. 46-52.
Горчаковский П.Л. Растительный мир высокогорий Урала. М. : Наука, 1975. 248 с.
Макеев О.В. Криогенные почвы // Криогенные почвы и их рациональное использование / ред. О.В. Макеев. М. : Наука, 1977. С. 5-13.
Оберман Н.Г. Геокриологические условия Европейской территории СССР и Урала. Геокриология СССР. М. : Недра, 1988.
Лойко С.В., Раудина Т.В., Кулижский С.П., Покровский О.С. Гидрохимические параметры растворов торфяных почв вдоль широтного градиента криолитозоны Западной Сибири // Современные проблемы науки и образования. 2017. № 4. С. 177187. doi: 10.17513/spno.26599
Mu C., Zhang T., Zhang X., Cao B., Peng X., Cao L., Su H. Pedogenesis and physicochemical parameters influencing soil carbon and nitrogen of alpine meadows in permafrost regions in the northeastern Qinghai-Tibetan Plateau // Catena. 2016. № 141. PP. 85-91. doi: 10.1016/j. catena.2016.02.020
Kneisel C., Emmert A., Polich P., Zollinger B., Egli M. Soil geomorphology and frozen ground conditions at a subalpine talus slope having permafrost in the eastern Swiss Alps // Catena. 2015. № 133. PP. 107-118. doi: 10.1016/j.catena.2015.05.005
Горячкин С.В. Почвенный покров Севера (структура, генезис, экология, эволюция). М. : ГЕОС, 2010. 414 с.
Лойко С.В., Герасько Л.И., Кулижский С.П., Амелин И.И., Истигечев Г.И. Строение почвенного покрова северной части ареала черневой тайги юго-востока Западной Сибири // Почвоведение. 2015. № 4. С. 410-423. doi: 10.7868/S0032180X15040061
Фридланд В.М. О структуре (строении) почвенного покрова // Почвоведение. 1965. № 4. С. 15-28.