Соединения железа в степных почвах Восточно-Европейской равнины, связь с почвенными процессами и палеоклиматические аспекты

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Изучены общее содержание, формы и минералогический состав соединений железа почв лесостепной, степной и полупустынной зон от центрально-черноземных районов до Прикаспийской низменности и от Южного Урала до Керченского пролива. В исследование включены черноземы (n = 40) (Chernozems), каштановые (n = 15) (Kastanozems), солонцы (n = 7) (Solonetz), бурые полупустынные (n = 7) (Calcisols). На основании результатов выявлены характерные особенности распределения общего содержание железа, масс-баланса (τFe,Zr), форм соединений железа, его магнитной восприимчивости (χ) и минералогии в профилях почв. Распределение τFe,Zr в исследуемых почвах отражает процессы и условия почвообразования, а также литологические особенности. Для более детального понимания процесса преобразований соединений железа в степных почвах изучены гранулометрические фракции (<2, 2–5, 5–10, 10–50 мкм) методом мессбауэровской спектроскопии и магнитной восприимчивости на примере чернозема выщелоченного, темно-каштановой, светло-каштановой солонцеватой и бурой полупустынной почвы. Показано, что большая доля Fe3+ в составе илистой фракции содержится в высокодисперсных оксидах и гидроксидах в суперпарамагнитном состоянии. В гумусово-аккумулятивных горизонтах степных почв фиксируется сокращение доли Fe2+ в алюмосиликатах в связи с процессами выветривания. Выявленная взаимосвязь отношения гетит/(гематит + гетит) в гумусово-аккумулятивных горизонтах почв с климатическими параметрами позволяет использовать его в дальнейшем при палеоклиматических реконструкциях. Мессбауэровской спектроскопией фиксируется значительное увеличение содержания несиликатного железа в гумусово-аккумулятивных горизонтах степных почв по сравнению с почвообразующей породой, что является важным подтверждением процесса формирования оксидов железа в ходе почвообразования. При сравнении методов определения несиликатного железа в почвах (мессбауэровская спектроскопия и вытяжка Мера–Джексона) отмечены существенные различия в результатах, что указывает на недооценку количества свободных форм железа химическим методом.

Об авторах

В. В. Малышев

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vladmalyscheff@yandex.ru
Россия, Пущино, 142290

А. О. Алексеев

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: vladmalyscheff@yandex.ru
Россия, Пущино, 142290

Список литературы

  1. Алексеев А.О., Алексеева Т.В. O формировании лепидокрокита в почвах // Почвоведение. 2000. № 10. С. 1203–1210.
  2. Алексеев А.О., Алексеева Т.В. Оксидогенез железа в почвах степной зоны. М.: ГЕОС, 2012. 204 с.
  3. Алексеев А.О., Алексеева Т.В., Махер Б. А. Магнитные свойства и минералогия соединений железа в степных почвах // Почвоведение. 2003. № 1. С. 62–74.
  4. Алексеев А.О., Ковалевская И.С., Моргун Е.Г., Самойлова Е.М. Магнитная восприимчивость почв сопряженных ландшафтов // Почвоведение. 1988. № 8. С. 27–35.
  5. Алексеев А.О., Калинин П.И., Алексеева Т.В. Почвенные индикаторы параметров палеоэкологических условий на юге Восточно-Европейской равнины в четвертичное время // Почвоведение. 2019. № 4. С. 389–399. https://doi.org/10.1134/S1064229319040021
  6. Алексеев А.О., Митенко Г.В., Шарый П.А. Количественные оценки палеоэкологических изменений в позднем голоцене на юге Восточно-Европейской равнины на основе магнитных свойств почв // Почвоведение. 2020. № 12. С. 1425–1435.
  7. Алексеева Т.В., Алексеев А.О., Демкин В.А., Алексеева В. А., Соколовска З., Хайнос М., Калинин П.И. Физико-химические и минералогические диагностические признаки солонцового процесса в почвах Нижнего Поволжья в позднем голоцене // Почвоведение. 2010. № 10. С. 1171–1189. https://doi.org/10.1134/S1064229310100029
  8. Алексеева Т.В., Алексеев А.О., Ковалевская И.С., Осина Г.Н., Моргун Е.Г. Минералогический состав илистой фракции почв сопряженных ландшафтов Ставропольской возвышенности // Почвоведение. 1988. № 9. С. 113–124.
  9. Бабанин В.Ф., Бойченко В.О., Минеева Н.С., Филатов А.В. Изучение различных форм соединений железа и их роль в процессе почвообразования // Известия высших учебных заведений. Сер. Химия и химическая технология. 2017. № 7. С. 91–96. https://doi.org/10.6060/tcct.2017607.5443
  10. Бабанин В.Ф., Трухин В.И., Карпачевский Л.О., Иванов А.В., Морозов В.В. Магнетизм почв. Ярославль–М.: Изд. ЯГТУ, 1995. 219 c.
  11. Водяницкий Ю. Н. Селективность реактива Мера–Джексона к Fe-содержащим минералам в почвах лесной зоны умеренного пояса // Почвоведение. 2004. № 4. С. 452–466.
  12. Водяницкий Ю.Н. Соединения железа и их роль в охране почв. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2010. 282 c.
  13. Водяницкий Ю.Н., Шоба С.А. Дискуссионные вопросы интерпретации результатов химической экстракции соединений железа из почв // Почвоведение. 2014. № 6. С. 697–697.
  14. Воробьева Л.А. Химический анализ почв: учебник. М.: Изд-во МГУ, 1998. 272 с.
  15. Зонн С.В. Железо в почвах. М.: Наука, 1982. 207 с.
  16. Касимов Н.С. Геохимия степных и пустынных ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1988. 253 с.
  17. Иванов А.В. Магнитное и валентное состояние железа в твердой фазе почв. Автореф. дис. … д. б. н. М., 2003. 41 с.
  18. Марфунин А.С. Спектроскопия, люминесценция и радиационные центры в минералах. М.: Недра, 1975. 327 c. https://doi.org/10.1007/978-3-642-67112-8
  19. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Изд-во МГУ, 1999. 762 с.
  20. Татьянченко Т.В., Алексеева Т.В., Калинин П.И. Минералогический и химический составы разновозрастных подкурганных палеопочв южных Ергеней и их палеоклиматическая интерпретация // Почвоведение. 2013. № 4. С. 379–379.
  21. Чухров Ф.В., Ермилова Л.П., Горшков А.И. Гипергенные окислы железа в геологических процессах. М.: Наука, 1975. 207 с.
  22. Хитров Н.Б. Выбор диагностических критериев существования и степени выраженности солонцового процесса в почвах // Почвоведение. 2004. № 1. С. 18–31.
  23. Alekseev A.O., Shary P.A., Malyshev V.V. Magnetic susceptibility of soils as an ambiguous climate proxy for paleoclimate reconstructions // Quaternary International. 2023. V. 661. P. 10–21.
  24. Alekseeva T., Alekseev A., Maher B., and Demkin V. Late Holocene climate reconstructions for the Russian steppe, based on mineralogical and magnetic properties of buried palaeosols // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2007. V. 249 (1–2). P. 103–127. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.01.006
  25. Balsam W.L., Ellwood B.B., Ji J., Williams E.R., Long X., El Hassani A. Magnetic susceptibility as a proxy for rainfall: worldwide data from tropical and temperate climate // Quaternary Science Reviews. 2011. V. 30. P. 2732–2744. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2011.06.002
  26. Brimhall G.H., Dietrich W.E. Constitutive mass balance relations between chemical composition, volume, density, porosity, and strain in metasomatic hydrochemical systems: results on weathering and pedogenesis // Geochim. Cosmochim. Acta. 1987. V 51 (3). P. 567–587. https://doi.org/10.1016/0016-7037(87)90070-6
  27. Carrillo‐González R., Šimůnek J., Sauvé S., and Adriano D. Mechanisms and pathways of trace element mobility in soils // Advances in agronomy. 2006. V. 91. P. 111–178. https://doi.org/10.1016/S0065-2113(06)91003-7
  28. Colombo C., Palumbo G., He JZ, Pinton R., Cesco S. Review on iron availability in soil: interaction of Fe minerals, plants, and microbes // Journal of Soils and Sediments. 2014. V. 14. P. 538–548. https://doi.org/10.1007/s11368-013-0814-z
  29. Cornell R.M., and Schwertmann U. The iron oxides: structure, properties, reactions, occurrences, and uses. Weinheim: Wiley-vch. 2003. 664 p. https://doi.org/10.1515/corrrev.1997.15.3-4.533
  30. Dearing J.A., Livingstone I.P., Bateman M.D., White K. Paleoclimate records from OIS 8.0–5.4 recorded in loess-paleosol sequences on the Matmata Plateau, southern Tunisia, based on mineral magnetism and new luminescence dating // Quaternary International. 2001.V. 76/77. P. 43–56.
  31. Gao P., Nie J., Breecker D.O., Gallagher T., Serach L., and Alonso‐Zarza A.M. Similar magnetic enhancement mechanisms between Chinese loess and alluvial sediments from the Teruel Basin, NE Spain, and paleoclimate implications // Geophysical Research Letters. 2022. V. 49. P. e2021GL096977. https://doi.org/10.1029/2021GL096977
  32. Geiss C.E., Zanner C.W. Sediment magnetic signature of climate in modern loessic soils from the Great Plains // Quaternary International. 2007. V. 162–163. P. 97–110. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2006.10.035
  33. Hao Q., Oldfield F., Bloemendal J., Torrent J., and Guo Z. The record of changing hematite and goethite accumulation over the past 22 Myr on the Chinese Loess Plateau from magnetic measurements and diffuse reflectance spectroscopy // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2009. V. 114. P. B12101. https://doi.org/10.1029/2009JB006604
  34. Heller F., and Liu T.S. Paleoclimatic and sedimentary history from magnetic susceptibility of loess in China // Geophysical Research Letters. 1986. V. 13. P. 1169–1172. https://doi.org/10.1029/GL013i011p01169
  35. Hyland E., Sheldon N.D., Van der Voo R., Badgley C., Abrajevitch A. A new paleoprecipitation proxy based on soil magnetic properties: implications for expanding paleoclimate reconstructions // Geological Society of America Bulletin. 2015. V. 127. P. 975–981. http://dx.doi.org/10.1130/B31207.1
  36. Jiang Z., Liu Q., Roberts A.P., Dekkers M.J., Barrón V., Torrent J., and Li S. The magnetic and color reflectance properties of hematite: From Earth to Mars // Reviews of Geophysics. 2021. V. 60(1). P. e2020RG000698. https://doi.org/10.1029/2020RG000698
  37. Jordanova D., Jordanova N. Updating the significance and paleoclimate implications of magnetic susceptibility of Holocene loessic soils // Geoderma. 2021. V. 391. P. 114982. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.114982.
  38. Kalinin P.I., Kudrevatykh I.Y., Malyshev V.V., Pilguy L.S., Buhonov A.V., Mitenko G. V., and Alekseev A.O. Chemical weathering in semi-arid soils of the Russian plain // Catena. 2021. V. 206. P. 105554. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105554
  39. Kraemer S.M. Iron oxide dissolution and solubility in the presence of siderophores // Aquatic sciences. 2004. V. 66. P. 3–18. https://doi.org/10.1007/s00027-003-0690-5
  40. Kudrevatykh I., Kalinin P., Mitenko G., Alekseev A. The role of plant in the formation of the topsoil chemical composition in different climatic conditions of steppe landscape // Plant and Soil. 2021. V. 465(1–2). P. 453–472. https://doi.org/10.1007/s11104-021-05019-3
  41. Liu Q.S., Jackson M.J., Banerjee S.K., Maher B.A., Deng C.L., Pan Y.X., and Zhu R. Mechanism of the magnetic susceptibility enhancements of the Chinese loess // Journal of Geophysical Research. 2004. V. 109(B12). https://doi.org/10.1029/2004JB003249
  42. Long X., Ji J., Barrón V., and Torrent J. Climatic thresholds for pedogenic iron oxides under aerobic conditions: Processes and their significance in paleoclimate reconstruction // Quaternary Science Reviews. 2016. V. 150. P. 264–277. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2016.08.031
  43. Maher B.A., Alekseev A., Alekseeva T. Magnetic mineralogy of soils across the Russian Steppe: climatic dependence of pedogenic magnetite formation // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2003. V. 201(3–4). P. 321–341. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00618-7
  44. Maher B.A., and Thompson R. Paleorainfall reconstructions from pedogenic magnetic susceptibility variations in the Chinese loess and paleosols // Quaternary Research .1995. V. 44. P. 383–391. https://doi.org/10.1006/qres.1995.1083
  45. Maxbauer D.P., Feinberg J.M, and Fox D.L. Magnetic mineral assemblages in soils and paleosols as the basis for paleoprecipitation proxies: a review of magnetic methods and challenges // Earth Science Review. 2016. V. 155. P. 28–48.
  46. Meng X., Li G.K., Long X., Li S., and Ji J. Quantifying soil goethite/hematite ratios: A new method based on diffuse reflectance spectra // Geophysical Research Letters. 2023. V. 50(8). P. e2022GL102280. https://doi.org/10.1029/2022GL102280
  47. Moreno-Jimenez E., Plaza C., Saiz H., Manzano R., Flagmeier M., and Maestre F.T. Aridity and reduced soil micronutrient availability in global drylands. Nature sustainability. 2019. V. 2(5). P. 371–377. https://doi.org/10.1038/s41893-019-0262-x
  48. Murad E. Properties and behavior of iron oxides as determined by Mössbauer spectroscopy // Iron in soils and clay minerals. Dordrecht: Springer Netherlands. 1988. V. 217. P. 309–350. https://doi.org/10.1007/978-94-009-4007-9_12
  49. Murad E., Cashion J. Mössbauer spectroscopy of environmental materials and their industrial utilization. N.Y.: Springer, 2003. 418 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-9040-2
  50. Roberts A.P., Zhao X., Heslop D., Abrajevitch A., Chen Y.H., Hu P., Jiang Z., Liu Q., and Pillans B.J. Hematite (α-Fe2O3) quantification in sedimentary magnetism: limitations of existing proxies and ways forward // Geoscience Letters. 2020. V. 7(1). P. 8. https://doi.org/10.1186/s40562-020-00157-5
  51. Schwertmann U. Solubility and dissolution of iron oxides // Plant and Soil. 1991. V. 130. P. 1–25. https://doi.org/10.1007/BF00011851
  52. Schwertmann U. Transformation of hematite to goethite in soils // Nature. 1971. V. 232(5313). P. 624–625. https://doi.org/10.1038/232624a0
  53. Schwertmann U., Fitzpatrick R.W. Iron minerals in surface environments // Catena supplement. 1992. V. 21. P. 7–30.
  54. Schwertmann U., Kämpf N. Properties of goethite and hematite in kaolinitic soils of Southern and Central Brazil // Soil Science. 1985. V. 139(4). P. 344–350.
  55. Schwertmann U., Taylor R.M. Iron oxides // Minerals in soil environments. 1989. V. 1. P. 379–438. https://doi.org/10.2136/sssabookser1.2ed.c8
  56. Sheldon N.D., Tabor N.J. Quantitative paleoenvironmental and paleoclimatic reconstruction using paleosols // Earth-science reviews. 2009. V. 95(1–2). P. 1–52.
  57. Stucki J.W., Goodman B.A., and Schwertmann U. Iron in soils and clay minerals. Springer Dordrecht. 1988. 894 p. https://doi.org/10.1007/978-94-009-4007-9
  58. Taylor R.M., Schwertmann U. Maghemite in soils and its origin: II. Maghemite syntheses at ambient temperature and pH 7 // Clay Minerals. 1974. V. 10(4). P. 289–298. https://doi.org/10.1180/claymin.1974.010.4.07
  59. Torrent J., Barrón V. Diffuse reflectance spectroscopy of iron oxides // Encyclopedia of surface and Colloid Science. 2002. V. 1. P. 1438–1446.
  60. Vandenberghe R.E., De Grave E. Application of Mössbauer spectroscopy in earth sciences // Mössbauer spectroscopy. Berlin: Springer, 2013. P. 91–185. https://doi.org/10.1007/978-3-642-32220-4_3
  61. Yoo K., Fisher B., Ji J., Aufdenkampe A., and Klaminder J. The geochemical transformation of soils by agriculture and its dependence on soil erosion: An application of the geochemical mass balance approach // Sci. Total Environ. 2015. V. 521. P. 326–335. https://doi.org/10.1016/0016-7037(87)90070-6

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Дополнительные материалы
Скачать (21MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024