Composition of iron compound groups in the Russian taiga and tundra permafrost soils

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The iron compound composition of permafrost-affected soils in tundra and taiga landscapes of the Russian permafrost was examined to determine soil and geochemical properties. Total iron concentrations were evaluated using the X-ray fluorescence method. The physical and chemical properties of soils and concentrations of silicate, non-silicate, crystallized, and organic matter-associated iron compounds were studied using standard methods. These soils were classified as cryometamorphic (Haplic Cryosols), cryozems (Turbic Cryosols), peat-cryozems (Histic Turbic Cryosols), gleezems (Reductic Gleysols), peat-gleezems (Histic Reductaquic Cryosols), podzolic soils (Albic Retisols), podburs and podzols (Entic and Albic Podzols). The permafrost active layer’s thickness in the soils ranged from 0.3 to 1.7 m, and deeper. On average, the total iron content ranged between 1.2 and 4.5, with the maximum reaching 10.2%. Silicate compounds presented up to 85% of the total iron due to the poor pedogenic transformation of the soil’s mass. The non-silicate iron compound content did not exceed 1.2%. Their increased contents occurred morphologically in the upper mineral soil horizons as well as in the soils of the slope landscapes with ginger-red spots and interlayers. Increased lateral difference ratios from 1.1 to 2.3 demonstrated that supra-permafrost horizons at depths lower than 1 m have shown non-silicate iron compound accumulation, the concentrations of crystallized and organic matter-associated compounds were 0.6–0.8 and 0.2–0.4%, respectively. It was probably connected to the accumulation of organic matter, sorption by the clay particles, and reductive conditions above the permafrost horizon.

About the authors

Yu. K. Vasil’chuk

Lomonosov Moscow State University

Email: alla-vasilch@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

A. P. Ginzburg

Lomonosov Moscow State University; Institute for Biological Instrumentation of the Russian Academy of Sciences (IBI RAS); Arctic Research Center

Email: alla-vasilch@yandex.ru

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science

Russian Federation, Moscow, 119991; Pushchino, Moscow region, 142290; Salekhard, Yamal-Nenets autonomous district, 629007

A. N. Gennadiev

Lomonosov Moscow State University

Email: alla-vasilch@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

N. A. Budantseva

Lomonosov Moscow State University

Email: alla-vasilch@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

A. C. Vasil’chuk

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: alla-vasilch@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

J. Yu. Vasil’chuk

Lomonosov Moscow State University

Email: alla-vasilch@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

E. V. Terskaya

Lomonosov Moscow State University

Email: alla-vasilch@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

References

  1. Алексеев А.О. Оксидогенез железа в почвах степной зоны. Автореф. дис. … докт. биол. наук. М., 2010. 51 с.
  2. Апарин Б.Ф., Касаткина Г.А., Матинян Н.Н., Сухачева Е.Ю. Красная книга почв Ленинградской области. СПб.: Аэроплан, 2007. 320 с.
  3. Белоус И.Н., Быкова О.Г. Зимняя внутрипочвенная миграция влаги и солеперенос в засоленных почвах Барабы // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2012. С. 11–13.
  4. Васильевская В.Д., Иванов В.В., Богатырев Л.Г. Почвы севера Западной Сибири. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. 229 с.
  5. Васильчук Ю.К., Гинзбург А.П. Латеральная и радиальная дифференциация химического состава криогенных почв долины реки Вилюй, Центральная Якутия // Арктика и Антарктика. 2023. № 1. С. 65–84. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2023.1.40034
  6. Васильчук Ю.К., Гинзбург А.П. Латеральная и радиальная дифференциация геохимического состава криогенных почв учебно-научного полигона Хановей, Большеземельская тундра // Арктика и Антарктика. 2023. № 1. С. 88–114. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2023.1.40136
  7. Водяницкий Ю.Н. Гидроксиды железа в почвах (обзор литературы) // Почвоведение. 2010. № 11. С. 1341–1352.
  8. Водяницкий Ю.Н. Железо в гидроморфных почвах. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова. М.: АПР, 2017. 160 с.
  9. Водяницкий Ю.Н. Соединения железа и их роль в охране почв. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2010. 155 с.
  10. Водяницкий Ю.Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 85 с.
  11. Водяницкий Ю.Н., Кириллова Н.П., Манахов Д.В., Карпухин М.М. Соединения железа и цвет почв о. Сахалин // Почвоведение. 2018. С. 165–178. https://doi.org/10.7868/S0032180X18020041
  12. Водяницкий Ю.Н., Мергелов Н.С., Горячкин С.В. Диагностика оглеения в условиях низкого содержания оксидов железа (на примере почв тундры Колымской низменности) // Почвоведение. 2008. № 3. С. 261–279.
  13. Водяницкий Ю.Н., Шоба С.А. Биогеохимия углерода, железа и тяжелых металлов в переувлажненных почвах (аналитический обзор) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2015. № 3. С. 3–12.
  14. Гравис Г.Ф. Морозобойное растрескивание грунтов и образование гумусовых потоков // Многолетнемерзлые породы и сопутствующие им явления на территории Якутской АССР. М.: Изд-во АН СССР, 1962. С. 112–123.
  15. Губин С.В., Лупачев Ф.В. Роль пятнообразования в формировании и развитии криоземов приморских низменностей севера Якутии // Почвоведение. 2017. № 11. С. 1283–1295. https://doi.org/10.7868/S0032180X17110077
  16. Гуторова О.А., Шеуджен А.Х., Зубкова Т.А. Процессы трансформации соединений железа в почвах рисовых агроценозов Кубани // Изв. ОГАУ. 2017. С. 201–205.
  17. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М.: Изд-во МГУ, 2002. 628 с.
  18. Загурский А.М. Специфика микростроения и генезиса магнитных соединений железа в почвах. Дис. … канд. биол. наук. М., 2008. 124 с.
  19. Зонн С.В. Железо в почвах (генетические и географические объекты). М.: Наука, 1982. 207 с.
  20. Зубкова О.А., Шихова Л.Н. Изменение содержания подвижных соединений железа в подзолистой и дерново-подзолистой почвах в течение вегетационного периода // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2013. № 6. С. 30–33.
  21. Иванищев В.В. Доступность железа в почве и его влияние на рост и развитие растений // Изв. ТулГУ. 2019. Вып. 3. С. 127–138.
  22. Иванов А.В. Магнитное и валентное состояние железа в твердой фазе почв. Дис. … докт. биол. наук. М., 2003. 272 с.
  23. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
  24. Караваева Н.А. Почвы тайги Западной Сибири. М.: Наука, 1973. 172 с.
  25. Киселева Н.Д., Двуреченский В.Г. Формы железа в почвах естественных ландшафтов Верхнего Приангарья // Изв. ИГУ. Сер. “Биология. Экология”. 2021. Т. 37. С. 89–100. https://doi.org/10.26516/2073-3372.2021.37.89
  26. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  27. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука, 1985. 263 с.
  28. Ковда И.В., Моргун Е.Г., Жоне А.-М., Тессье Д. Опыт субмикроскопического исследования железистых новообразований в слитоземах центрального Предкавказья // Почвоведение. 1998. № 6. С. 658–668.
  29. Копылова Л.В. Аккумуляция железа и марганца в листьях древесных растений в техногенных районах Забайкальского края // Изв. Самарского НЦ РАН. 2010. Т. 12. № 1. С. 709–712.
  30. Кречетов П.П., Дианова Т.М. Химия почв. Аналитические методы исследования. М.: Изд-во МГУ, 2009. 147 с.
  31. Краснощеков Ю.Н. Геохимические особенности криогенных и альфегумусовых почв горной тайги северной Монголии // Почвоведение. 2021. № 1. С. 31–44. https://doi.org/10.31857/S0032180X21010068
  32. Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Лаврищев А.В., Белимов А.А. Миграционная подвижность Al, Mn и Fe в мелиорированных дерново-подзолистых почвах // Агрохимия. 2021. № 1. С. 55–61. https://doi.org/10.31857/S0002188121010075
  33. Лопатовская О.Г. Особенности педогалогенеза эколого-мелиоративных комплексов Западного Прибайкалья. Автореф. дис. … докт. биол. наук. Иркутск, 2019. 42 с.
  34. Лупачев А.В. Взаимосвязь криоземов тундр Колымской низменности с верхним слоем многолетнемерзлых отложений. Автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 2010. 32 с.
  35. Лянгузова И.В., Гольдвирт Д.К., Фадеева И.К. Трансформация полиметаллической пыли в органогенном горизонте Al-Fe-гумусового подзола (полевой эксперимент) // Почвоведение. 2015. № 7. С. 804–815. https://doi.org/10.7868/S0032180X15050056
  36. Макеев О.В. Биосфера, криосфера, почва. Пущино, 1975. 20 с.
  37. Макеев О.В. Криология почв. М., 2019. 464 с.
  38. Матышак Г.В. Особенности формирования почв севера Западной Сибири в условиях криогенеза. Автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 2009. 24 с.
  39. Наумов Е.М. Градусов Б.П., Цюрупа И.Г. О таежном почвообразовании на северо-востоке Сибирской мерзлотной области // Почвенный криогенез. М.: Наука, 1974. С. 34–78.
  40. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа, 1999. 768 с.
  41. Полевой определитель почв России. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.
  42. Ривкина Е.М., Федоров-Давыдов Д.Г., Захарюк А.Г., Щербакова В.А., Вишнивецкая Т.А. Свободное железо и железовосстанавливающие микроорганизмы в почвах и многолетнемерзлых отложениях северо-востока Сибири // Почвоведение. 2020. № 10. С. 1247–1261. https://doi.org/10.31857/S0032180X20100160
  43. Савич В.И., Скрябина Д.С., Норовсурэн Ж. Влияние криогенеза на генезис и плодородие мерзлотных и мерзлотно-таежных почв // Известия ТСХА. 2015. № 2. С. 5–14.
  44. Самофалова И.А., Рогова О.Б., Лузянина О.А. Использование группового состава соединений железа для диагностики горных почв среднего Урала // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2015. Вып. 79. С. 111–136.
  45. Семенов В.А. Геохимия алюминия и железа в ландшафтах Хибинского и Ловозерского массивов. Дис. … канд. геогр. наук. М., 2002. 154 с.
  46. Скрябина Д.С. Состояние соединений железа в мерзлотно-таежных почвах. Автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 2016. 20 с.
  47. Таргульян В.О. Почвообразование и выветривание в холодных гумидных областях. М.: Наука, 1971. 270 с.
  48. Тентюков М.П. Ожелезнение поверхности тундр Центрального Ямала // Криосфера Земли. 2005. Т. IX. № 4. С. 18–28.
  49. Тентюков М.П. Геохимия ландшафтов равнинных тундр (на примере Ямала и Большеземельской тундры). Сыктывкар: Изд-во Коми НЦ УрО РАН, 2010. 260 с.
  50. Теория и практика химического анализа почв: практическое руководство / Под ред. Воробьевой Л.А. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.
  51. Умарова А.Б., Бутылкина М.А., Сусленкова М.М., Александрова М.С., Ежелев З.С., Хмелева М.В., Шхапацев А.К., Гасина А.И. Агрегатная структура естественных и пахотных почв разного генезиса: морфологические и реологические характеристики // Почвоведение. 2021. № 9. С. 1019–1032. https://doi.org/10.31857/S0032180X21090136
  52. Федоров-Давыдов Д.Г., Губин С.В., Макеев О.В. Содержание подвижного железа и возможность оглеения в почвах Колымской низменности // Почвоведение. 2004. № 2. С. 158–170.
  53. Хитров Н.Б., Герасимова М.И. Предлагаемые изменения в классификации почв России: диагностические признаки и почвообразующие породы // Почвоведение. 2022. № 1. С. 3–14. https://doi.org/10.31857/S0032180X22010087
  54. Цомаева Е.В., Артемьева З.С., Засухина Е.С., Варламов Е.Б. Несиликатное железо минерально-ассоциированного органического вещества агрочерноземов разной локализации на склоне // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2023. Вып. 115. С. 54–86. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2023-115-54-86
  55. Чапыгина Н.В. Геохимия северотаежных ландшафтов и индикаторная роль железа: на примере Северодвинско-Мезенского междуречья. Дис. … канд. геогр. наук. М., 2006. 153 с.
  56. Чевычелов А.П., Алексеев А.А., Кузнецова Л.И. Магнитная восприимчивость мерзлотных почв лесной катены Центральной Якутии // Сибирский лесной журнал. 2021. № 2. С. 32–42. https://doi.org/10.15372/SJFS20210203
  57. Шеуджен А.Х., Бондарева Т.Н., Гуторова О.А., Галай Н.С., Лебедовский И.А., Осипов М.А., Есипенко С.В. Содержание и состояние железа в черноземе выщелоченном Западного Предкавказья в условиях агрогенеза // Научный журнал КубГАУ. 2015. № 107. 17 c.
  58. Элементарные почвообразовательные процессы: опыт концептуального анализа, характеристика, систематика. М.: Наука, 1992. 184 с.
  59. Bascomb C.L. Distribution of pyrophosphate – extractable iron and organic carbon in soils of various groups // J. Soil Sci. 1968. V. 19. P. 251–268.
  60. Gubin S.V., Lupachev A.V. Suprapermafrost horizons of the accumulation of raw organic matter in tundra cryozems of Northern Yakutia // Eurasian Soil Science. 2018. V. 51. P. 772–781. https://doi.org/10.1134/S1064229318070049
  61. Gubin S.V., Lupachev A.V., Khodzhaeva A.K. Soils of Accumulative Coasts of the East Siberian Sea // Eurasian Soil Science. 2022. V. 55. P. 1173–1184. https://doi.org/10.1134/S106422932209006X
  62. He L., Huang Y., Xie Z., Guan W., Zeng Y. Adsorption Characteristics of Iron on Different Layered Loess Soils // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022. V. 19. https://doi.org/10.3390/ijerph192416653
  63. Jones E.L., Hodson A.J., Redeker K.R., Christiansen H.H., Thornton S.F., Rogers J. Biogeochemistry of low- and high-centered ice-wedge polygons in wetlands in Svalbard // Permafrost and Periglacial Processes. 2023. V. 34. P. 359–369. https://doi.org/10.1002/ppp.2192
  64. Lupachev A.V., Gubin S.V. Soil formation and the underlying permafrost // Eurasian Soil Science. 2008. V. 41. P. 574–585. https://doi.org/10.1134/S1064229308060021
  65. Lupachev A., Abakumov E., Gubin S. The influence of cryogenic mass exchange on the composition and stabilization rate of soil organic matter in Cryosols of Kolyma Lowland (North Yakutia, Russia) // Geosciences. 2017. V. 7. P. 24. https://doi.org/10.3390/geosciences7020024
  66. Lupachev A.V., Gubin S.V., Gerasimova M.I. Problems of the Cryogenic Soils’ Diagnostics in the Recent Russian Soil Classification System // Eurasian Soil Science. 2019. V. 52. P. 1170–1174. https://doi.org/10.1134/S1064229319080106
  67. Lupachev A., Danilov P., Lodygin E., Tikhonravova Ya., Butakov V., Usacheva A., Ksenofontova M. Approaches for the complex assessment of polychemical pollution of permafrost-affected soils and the upper layer of permafrost // Environ. Monit. Assess. 2022. V. 194. P. 594. https://doi.org/10.1007/s10661-022-10270-x
  68. Mehra O.P., Jackson, M.L. Iron Oxide Removal from Soils and Clay by a Dithionite-Citrate System Buffered with Sodium Bicarbonate // Clays and Clay Minerals. 1960. V. 7. P. 317–327. http://dx.doi.org/10.1346/CCMN.1958.0070122
  69. Peng X., Yan X., Zhou H., Zhang Y.Z., Sun H. Assessing the contributions of sesquioxides and soil organic matter to aggregation in an Ultisol under long-term fertilization // Soil Till. Res. 2015. V. 146. P. 89–98.
  70. Rudnick R., Gao S. Composition of the Continental Crust // Treatise on Geochemistry. Oxford. P. 1–51. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-095975-7.00301-6
  71. Schwertmann U. Occurrence and formation of iron oxides in various pedoenvironment // Iron in soils and clay minerals. V. 217. Dordrecht: Reidel, 1988. P. 267–308.
  72. Tamm O. Method for the estimation of the inorganic compounds of the gel-complex in soils // Medd. Statens. Skoysforsksanstant. Stockholm, 2022. V. 19. P. 387–404.
  73. Vodyanitskii Yu.N., Savichev A.T. Transformation of Fe-minerals in Hydromorphic Soils // Moscow University Soil Bulletin. 2020. V. 75. P. 1–7.
  74. Vodyanitskii Yu.N., Savichev A.T. Analysis of heavy metals phases-carriers in soils // Annals of agrarian science. 2020. V. 18. P. 179–188.
  75. Wu X., Wei Y., Wang J., Wang D., She L., Wang J., Cai C. Effects of soil physicochemical properties on aggregate stability along a weathering gradient // Catena. 2017. V. 156. P. 205–215.
  76. Yao Y., Wang L., Peduruhewa J.H., Van Zwieten L., Gong L., Tan B., Zhang G. The coupling between iron and carbon and iron reducing bacteria control carbon sequestration in paddy soils // Catena. 2023. V. 223. P. 106937. https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.106937

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Location of key study sites (1) in Russia (a) and location of soil pits (2): Yeletskaya (b), Khanovei (c), Batagay (d), Vilyuy (e).

Download (804KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Typical profile distributions of total (FeT) and non-silicate (FeNS) iron compounds in cryogenic soils: cryometamorphic (a), cryozems (b), peat-cryozems (c), peat-gleyzems (d), podburs (e), soddy-podburs (f), podzolic (g), soddy-podzols (h); and the ratio in them: 1 - silicate (FeS), 2 - non-silicate (FeNS), 3 - oxalate-soluble (FeO) and 4 - organic matter-bound (FeP) iron compounds.

Download (396KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Lateral distributions of iron compound forms in the southern tundra soil-geochemical catenas at the key sites of Yeletskaya (a) and Khanovei (b). Soil horizons: 1 – O; 2 – T; 3 – CR; 4 – CRM; 5 – G; 6 – CG; 7 – C; 8 – upper boundary of permafrost. Iron compound forms: 9 – total content (FeT); 10 – silicate compounds (FeS); 11 – non-silicate compounds (FeNS); 12 – oxalate-soluble compounds (FeO); 13 – extractable compounds (FeP); 14 – locations of pits; 15 – pit depths; 16 – values of the L coefficient > 2.0. Plant associations: 17 – yernik tundra; 18 – dwarf willow forests; 19 – wild rosemary-moss; 20 – dwarf shrub-moss-lichen; 21 – sedge-forb.

Download (361KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Lateral distributions of iron compound forms in northern and middle taiga soil-geochemical catenas in key areas of Batagay (a) and Vilyuy (b): Soil horizons: 1 – O; 2 – AY; 3 – RY; 4 – C~~; 5 – E; 6 – EL; 7 – BT; 8 – BHF; 9 – C; 10 – CR; 11 – CRg; 12 – Cg; 13 – upper boundary of permafrost. Iron compound forms; 14 – total contents (FeT), 15 – silicate compounds (FeS), 16 – non-silicate compounds (FeNS), 17 – oxalate-soluble compounds (FeO), 18 – extractable compounds (FeP); 19 – locations of pits; 20 – depth of pits; Plant associations: 21 – larch sparse forests; 22 – cowberry-crowberry; 23 – dwarf shrub-lichen; 24 – sedge-forb; 25 – willow thickets.

Download (348KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences