Soil geochemical characteristics of landscapes within the upper reaches of the Klyazma river

Abstract

The distribution patterns of microelements in soils along two soil-geochemical catenas within the "Chashnikovo" territory in Moscow Oblast were studied. The first catena, "Klyazma", is associated with the northeastern slope of the Klyazma River valley and includes eluvial, transit, transit-accumulative, and superaquatic landscapes. Within this catena, a carbonate double-sided biogeochemical barrier was diagnosed at the contact zone between the transit and transit-accumulative landscapes. A distinctive feature of this catena is the modern functioning of the superaquatic landscape in its post-hydromorphic stage of development. The type of this catena is heterolithic due to the transition from cover loams on moraine to alluvial deposits within its boundaries. The second catena, "Kirpichnoye Pole", consists of eluvial and a series of transit-accumulative landscapes with varying hydromorphism degrees. The eluvial landscape is located in the well-drained upper part slope of northeastern exposure. The second site within the transit-accumulative landscape is situated in the contact zone of the partially drained lower part of the slope, influenced by the gully "Krasnyy Voyn". The third and fourth sites of this landscape are characterized by increasing levels of hydromorphism. Throughout the entire length of the catena, soil formation occurs on cover loams underlain by moraine, which allows it to be classified as monolithic. The relevance of the study is determined by the fact that the typological differences between the catenas and the presence of a carbonate biogeochemical barrier in one of them allowed us to establish similarities and differences in element behavior under different conditions. Element behavior reflects general features common to soils within the southern taiga landscapes of Moscow Oblast. The distribution pattern of elements in soils is explained by soil-forming processes, past agricultural activities, bioaccumulation processes, and the influx of elements as pollutants due to the proximity of these landscapes to the M-10 highway ("Moscow-Saint Petersburg") and residential buildings. Texture-differentiated soils show correlations between silt fraction content and elements such as V, Cr, Fe, Ni, Cu, and As, while alluvial soils exhibit strong links between medium silt fraction and Mn, Fe, As, Mo, Cd and Hg. Within the studied catenas, the increase in hydromorphism leads to the accumulation of iron-manganese concretions in the soils. The carbonate barrier reduces the overall migration flow primarily of elements belonging to the iron family.

References

1. Асочакова Е.М., Коноваленко С.И. К геохимии оолитовых и болотных железных руд Томской области // Вестн. Томского гос-го ун-та. 2010. № 341. С. 222–225. 2. Богатырев Л.Г. О классификации лесных подстилок // Почвоведение. 1990. № 3. С. 118–127. 3. Боев В.А., Боев В.В., Корнеева С.Ю. и др. Содержание микроэлементов в дерново-подзолистых почвах подзоны подтаежных лесов с различным видовым составом древесной растительности // Биогеохимия – научная основа устойчивого развития и сохранения здоровья человека. 2019. С. 80–84. 4. Вагнер Б.Б., Манучарянц Б.О. Геология, рельеф и полезные ископаемые Московского региона. М., 2003. С. 28–35. 5. Водяницкий Ю.Н. Тяжелые и сверхтяжелые металлы и металлоиды в загрязненных почвах. М., 2009. 182 с. 6. Геннадиев А.Н., Касимов Н.С. Латеральная миграция вещества в почвах и почвенно-геохимические катены // Почвоведение. 2004. № 12. С. 1447–1461. 7. Геохимия ландшафтов. К 100-летию со дня рождения Александра Ильича Перельмана / Под ред. Н.С. Касимова, А.Н. Геннадиева. М., 2017. 544 с. 8. Ермаков А.А. Микроэлементное состояние почв Московского региона и некоторые проблемные вопросы его оценки // Состояние и пути повышения эффективности исследований в географической сети опытов с удобрениями. 2012. С.62–65. 9. Ермаков В.В. Геохимическая экология и биогеохимические критерии оценки экологического состояния таксонов биосферы // Геохимия. 2015. № 3. С. 203–221. 10. Карпова Е.А. Эколого-агрохимические аспекты длительного применения удобрений: состояние тяжелых металлов в агроэкосистемах: Дисс. … д-ра биол. наук. М., 2006. 341 с. 11. Кириллова Н.П., Силева Т.М., Ульянова Т.Ю. и др. Цифровая почвенная карта УОПЭЦ «Чашниково» МГУ им. М.В. Ломоносова // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2015. № 2. С. 22–29. 12. Ладонин Д.В., Пляскина О.В., Кучкин А.В. и др. Методика выполнения измерений массовой доли элементов в твердых минеральных объектах методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на масс-спектрометре Agilent ICP-MS 7500. М., 2009. 56 с. 13. Мотузова Г.В. Содержание микроэлементов в почвах: системная организация, экологическое значение, мониторинг. М., 2009. 166 с. 14. Панасин В.И., Депутатов К.В., Рымаренко Д.А. Эколого-геохимические особенности распределения микроэлементов в почвах Калининградской области // Проблемы агрохимии и экологии. 2019. № 3. С. 3–7. 15. Панина Л.В., Зайцев В.А., Полетаев А.И. и др. Чашниковская впадина и ее обрамление (геология, геоморфология, структурные особенности и современные геологические процессы). М., 2017. 162 с. 16. Протасова Н.А., Щербаков А.П. Особенности формирования микроэлементного состава зональных почв центрального Черноземья // Почвоведение. 2004. № 1. С. 50–59. 17. Савичев А.Т., Водяницкий Ю.Н. Совершенствование рентгенорадиометрического метода диагностики лантанидов в почвах // Почвоведение. 2012. № 7. С. 744–753. 18. Самонова О.А. Редкоземельные элементы: лантан, церий, самарий, европий в лесостепных почвах Приволжской возвышенности // Почвоведение. 1992. № 6. С. 45–51. 19. Самонова О.А., Кошелева Н.Е., Касимов Н.С. Ассоциации микроэлементов в профиле дерново-подзолистых почв южной тайги // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Почвоведение. 1998. № 2. С. 14–19. 20. Субботина Ю.М., Конончук О.В., Цеккер В.Ю. Санитарная и экологическая оценка влияния тяжелых металлов на организм рыб, обитающих в реке Клязьма // Наука и мир. 2020. Т. 2, № 6. С. 8–15. 21. Толкачев Г.Ю., Корженевский Б.И., Самарин Е.Н. Влияние городских производств на загрязнение тяжелыми металлами рек в бассейне р. Клязьма // Природообустройство. 2020. № 2. С. 104–111. 22. Тюрюканов А.Н. Об особенностях химического состава почвенно-грунтовых вод поймы и определяющих его факторах // Почвоведение. 1957. № 9. С. 79–88. 23. Федотов Г.Н., Шеин Е.В., Путляев В.И. и др. Физико-химические основы различий седиментометрического и лазерно-дифракционного методов определения гранулометрического состава почв // Почвоведение. 2007. № 3. С. 310–317. 24. Черепанов С.К. Сосудистые растения России и сопредельных государств (в пределах бывшего СССР). СПб., 1995. 992 с. 25. Чернова О.В., Груздков Д.Ю. Изменения валового содержания микроэлементов в почвах Европейской территории России в зависимости от их гранулометрического состава // Доклады по экологическому почвоведению. 2006. Т. 1, № 1. С. 132–151. 26. Шеин Е.В., Милановский Е.Ю., Хайдапова Д.Д. и др. Практикум по физике твердой фазы почв: Учебное пособие. М., 2017. 119 с. 27. Шихова Л.Н. Сезонная динамика содержания микроэлементов в почвах таежной зоны // Плодородие. 2007. № 5. С. 11–12. 28. Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И. и др. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, 2004. 342 с. 29. Щеглов Д.И., Горбунова Н.С., Семенова Л.А. и др. Микроэлементы в почвах сопряженных ландшафтов Каменной степи различной степени гидроморфизма // Почвоведение. 2013. № 3. С. 282–290. 30. Ayesha I.C., Guijian L., Balal Y. et al. A comprehensive review of biogeochemical distribution and fractionation of lead isotopes for source tracing in distinct interactive environmental compartments // Science of The Total Environment. 2020. Vol. 719. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135658 31. Du Laing G., Chapagain S.K., Dewispelaere M., Meers E., Kazama F., Tack F.M.G., Rinklebe J., Verloo M.G. Presence and mobility of arsenic in estuarine wetland soils of the Scheldt estuary (Belgium) // Journal of Environmental Monitoring. 2009. Vol. 11, Iss. 4. P. 873–881. http://dx.doi.org/10.1039/B815875D 32. Lihong L., Yongguang Y., Ligang H. et al. Revisiting the forms of trace elements in biogeochemical cycling: Analytical needs and challenges // TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2020. Vol. 129. 115953. https://doi.org/10.1016/j.trac.2020.115953 33. Muhammad M.H., Irshad B., Nabeel K.N. et al. Arsenic biogeochemical cycling in paddy soil-rice system: Interaction with various factors, amendments and mineral nutrients // Science of The Total Environment. 2021. Vol. 773. 145040. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145040 34. Wei W., Robert K., Hong-Fei L. et al. Biogeochemical cycle of chromium isotopes at the modern Earth's surface and its applications as a paleo-environment proxy. // Chemical Geology. 2020. Vol. 541. 119570. ISSN 0009-2541. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2020.119570 35. Wong C.S., Li X., Thornton I. Urban environmental geochemistry of trace metals // Environmental Pollution. 2006. Vol. 142, Iss. 1. P. 1–16. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2005.09.004 36. Wuana R.A., Okieimen F.E. Heavy Metals in Contaminated Soils: A Review of Sources, Chemistry, Risks and Best Available Strategies for Remediation // International Scholarly Research Notices. 2011. Vol. 2011, Iss. 1. P. 1–20. Art. 402647. https://doi.org/10.5402/2011/402647