Соотношение содержания углерода и азота в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах и современных почвах в районе Батагайского мегаоврага, север Якутии

Васильчук Алла Константиновна доктор географических наук ведущий научный сотрудник, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, ГСП-1, 1, географический факультет, НИЛ геоэкологии Севера Vasil'chuk Alla Constantinovna Doctor of Geography Leading Research Fellow, Laboratory of Geoecology of the Northern Territories, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, g. Moscow, Leninskie Gory, GSP-1, 1,, geograficheskii fakul'tet, NIL geoekologii Severa alla-vasilch@yandex.ru Другие публикации этого автора     Васильчук Юрий Кириллович ORCID: 0000-0001-5847-5568 доктор геолого-минералогических наук профессор, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет 119991, Россия, Москва область, г. Москва, ул. Leninskie Gory, 1, оф. 2009 Vasil'chuk Yurij Kirillovich Doctor of Geology and Mineralogy Professor, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moskva oblast', g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 2009 vasilch_geo@mail.ru Буданцева Надежда Аркадьевна ORCID: 0000-0003-4292-5709 кандидат географических наук старший научный сотрудник, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв 119991, Россия, Leninskie Gory 1 область, г. Leninskie Gory 1, ул. Leninskie Gory, 1, оф. 2007 Budantseva Nadine Arkad'evna PhD in Geography Senior Researcher, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Leninskie Gory, 1, office 2007, Moscow, Russia nadin.budanceva@mail.ru Васильчук Джессика Юрьевна ORCID: 0000-0002-4855-8316 младший научный сотрудник, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв 119991, Россия, Москва область, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2007 Vasil'chuk Jessica Yur'evna Junior Researcher, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moskva oblast', g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 2007 jessica.vasilchuk@gmail.com Гинзбург Александр Павлович магистрант, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет 119991, Россия, Москва область, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2007 Ginzburg Alexander Pavlovich Master's Student, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moskva oblast', g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 2007 alexandrginzburg13154@yandex.ru Блудушкина Любовь Бахтияровна ORCID: 0000-0003-2422-8790 младший научный сотрудник, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв 119991, Россия, Leninskie Gory 1 область, г. Leninskie Gory 1, ул. Leninskie Gory, 1, оф. 2007 Bludushkina Lyubov' Bakhtiyarovna Junior Researcher, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Leninskie Gory 1 oblast', g. Leninskie Gory 1, ul. Leninskie Gory, 1, of. 2007 bludushkina19@mail.ru

Слышкина Елена Сергеевна Начальник лаборатории, АО "Атомэнергопроект" 119234, Россия, г. Москва, ул. Подольских Курсантов, 1, оф. 250 Slyshkina Helen Sergeevna Head of the Laboratory, JSC Atomenergoproekt 119234, Podol'skikh Kursantov str., 1, office 250, Moscow, Russia lena.slyshkina@gmail.com Другие публикации этого автора

Работа выполнена в рамках фундаментальной госбюджетной темы "Эволюция, современное состояние и прогноз развития береговой зоны Российской Арктики (ГЗ)", номер ЦИТИС: 121051100167-1

Введение

Задача данного исследования – анализ содержания углерода и азота, а также отношения этих элементов в генетических горизонтах почвенного покрова, едомных отложениях и в сингенетических повторно-жильных льдах (ПЖЛ) верхнего едомного комплекса ^[1] Батагайского мегаоврага (67°34′49″ с.ш., 134°46′19″ в.д., 10 км юго-восточнее пос. Батагай, Верхоянский улус, Республика Якутия САХА) в бассейне р.Яна. Овраг расположен на юго-восточном склоне у подножья горы Киргилях (рис. 1). Протяженность оврага по результатам замеров в 2019 году - 2,29 км, а ширина – 1 км ^[2]. Разница высот между самой высокой и самой низкой точками мегаоврага 92 м, центральная стенка обнажения имеет высоту 55 м ^{[3, 4]}. Западный борт оврага находится выше по склону на абсолютной высоте 325 м, а восточный борт располагается на абсолютной высоте 287 м.

Содержание азота и углерода – это одна из базовых характеристик органического вещества. Авторами изучены почвы в окресностях Батагайского мегаоврага, сингенетические повторно-жильные льды и вмещающие их едомные отложения Батагайки. Ранее накоплен большой массив данных по содержанию углерода и азота в отложениях ледового комплекса, однако в повторно-жильных льдах таких определений практически нет. Эти показатели важны для оценки состояния органического вещества, попавшего в повторно-жильные льды. Авторами получены данные по содержанию углерода и азота в ледяных жилах на разных уровнях верхнего едомного комплекса.

По данным метеостанции Батагай климат территории к умеренно-холодный. Среднегодовая температура воздуха – отрицательная –14.8 °C. Средняя температура воздуха в июле +15.5 °C, средняя температура воздуха в январе −44.7 °C. Разность между значениями летней максимальной температуры +37.3 °C и минимальной зимней температуры −67.8 °C составляет 105.1 °C.

Рис. 1. Батагайский мегаовраг (фото с сайта https://magmadergisi.com/doga/buyuyen-krater-batagayka), стрелками показано расположение ледяных жил, результаты изучения которых представлены в данном исследовании

Территория находится в районе сплошного распространения многолетнемерзлых пород, среднегодовая температура грунта на глубине нулевых годовых амплитуд составляет –5.5 °C - –8.0 °C. Слой сезонного протаивания варьирует от 0.2-0.4 м под лесом до 0.4-1.2 м на открытых площадках. Широко распространены криогенные процессы: термокарст, термоэрозия, солифлюкция, выветривание, морозобойное растрескивание и т. д.

Растительность северо-таежного и лесотундрового типа, доминируют лиственница Кайандера, берёза (Betula middendorffii), береза карликовая, а также стланик кедровый, ольха, багульник, ива, ива плакучая, осина, среди травянистых растений часто встречаются лапчатка, мать и мачеха, одуванчик, подснежник, малина, шиповник, уохта (смородина дикуша), княженика, брусника, голубика и др.

В районе пос. Батагай распространены тундровые подбуры, подзолы, тундровые грубогумусные фрагментарные, а также аллювиальные почвы. Авторами изучены почвенные профили, вскрывающиеся в окрестностях Батагайского оврага-кратера. Исследованные почвы относятся к светлоземам иллювиально-железистым мерзлотным и подзолам иллювиально-железистым постпирогенным мерзлотным. Структура профилей почв включает горизонты O – BF – C1f – C2fp – C3 – CRMfp – C4 (разрез B-VG-2019/1) и Opir – E – BHF – C1 – C2 (разрез B-VG-2019/3).

Методы исследований

Ледяные жилы отбирались при помощи аккумуляторных дрелей BOSCH GSR 18V-EC TE и Makita DDF481RTE 188 со специально изготовленными титановыми насадками. Образцы отбирались с минимальным шагом 0.1-0.3 м как по вертикали, так и по горизонтали. При отборе определялась осевая часть ледяной жилы. Для того, чтобы исключить загрязнение современным органическим материалом внешние 5-10 см льда перед отбором образцов удалялись. Каждый образец льда промывался талой водой, полученной на начальном этапе таяния из данного образца. Вмещающие отложения отбирались из мерзлой стенки с предварительным снятием внешнего 5-10 см слоя. Определение высотных отметок исследованных объектов производилось при помощи лазерного дальномера Leica DISTO 5910. Пробоподготовка образцов включала в себя высушивание почвенных и органических включений из ледяных жил, вмещающих отложений и почв, и их растирание резиновым пестиком в агатовой ступке. Содержание углерода и азота проанализировано в образцах почв и повторно-жильных льдов с помощью элементного CHNS-анализаторе VARIO EL III V4.01 20.Aug. 2002, Elementar Analysensysteme GmbH, Германия. Точность – 0,1% от абсолютной величины при одновременном определении CHNS в 2 мг сульфаниловой кислоты; относительная ошибка менее 0,2 %. Молярное отношение C/N рассчитано по результатам определения входящих в состав образца углерода и азота.

Результаты и обсуждение

Для изучения содержания углерода и азота опробованы ледяные жилы первого и второго ярусов верхнего едомного комплекса: ПЖЛ-2 (интервал высот 260-252 м); ПЖЛ-3 (интервал высот 320-315 м); ПЖЛ-5 (интервал высот – 273-266 м); ПЖЛ-6 (интервал высот– 305-273 м) (см. рис. 1). Ледяные жилы ПЖЛ-5 и ПЖЛ-7 обнажаются в пределах восточного борта оврага, ПЖЛ-3 в овраге второго порядка в центральной части обнажения, ПЖЛ-6 и ПЖЛ-2 вскрываются в основной стенке. Для сравнения содержание углерода и азота определено в изученных разрезах почв у г.Киргилях, а также в отложениях едомы, вмещающих повторно-жильные льды.

Согласно результатом радиоуглеродного датирования ледяных жил, все датированы поздним плейстоценом ^[5] Ледяные жилы ПЖЛ-2, 5, 7 и нижняя часть ПЖЛ-6 относятся к более древнему ледовому комплексу (50-46 кал. тыс. лет назад и старше, а ПЖЛ-3 и верхняя часть ПЖЛ-6 к более молодому (31 – 27 кал. тыс. лет назад).

Вмещающие повторно-жильные льды отложения (рис. 2) в среднем содержат 0,21 моль углерода, максимальное значение - 0.48 моль, минимальное – 0.09 моль, среднее содержание азота 0.03 моль, максимальное - 0.05 моль, минимальное - 0.02 моль, значение отношения С/N варьирует от 5.01 до 9.46 в среднем составляя 6.77. Наиболее высокие значения содержания углерода и отношения С/N отмечены в средней части разреза верхнего едомного комплекса Батагая на высотной отметке 225 м над ур. моря.

Рис. 2. Вариации содержания углерода (1), азота (2) и отношения С/N (3) в отложениях верхнего едомного комплекса

По изученным разрезам почв в окрестностях Батагайского разреза (рис. 3) получены следующие результаты по двум типам почв. Среднее содержание углерода в светлоземе иллювиально-железистом мерзлотном составляет 0,25 моль, максимальное значение - 0.87 моль, минимальное – 0.04 моль , среднее содержание азота 0.04 моль, максимальное - 0.08 моль, минимальное - 0.02 моль, значение отношения С/N варьирует от 1.09 в материнской породе до 11.67 в среднем составляя 4.01. Характеристика подзола иллювиально-железистого постпирогенного мерзлотного существенно отличается по содержанию углерода, в то время как содержание азота примерно такое же. Среднее содержание углерода в составляет 0,08 моль, максимальное значение - 0.21 моль, минимальное – 0.03 моль, среднее содержание азота - 0.04 моль, максимальное - 0.06 моль, минимальное - 0.03 моль, значение отношения С/N варьирует от 0.74 в материнской породе до 3.54 в среднем составляя 1.61.

Рис. 3. Вариации содержания углерода (1), азота (2) и отношения С/N (3) в светлоземе иллювиально-железистом мерзлотном (А) горизонты O – BF – C1f – C2fp – C3 – CRMfp – C4 (разрез B-VG-2019/1) и подзоле иллювиально-железистом постпирогенном мерзлотном (Б) Opir – E – BHF – C1 – C2 (разрез B-VG-2019/3)

Рис. 4. Вариации содержания углерода (1), азота (2) и отношения С/N (3) во льду ПЖЛ-2

ПЖЛ 2 (рис. 4) характеризуется стабильными значениями содержания углерода и азота: среднее содержание углерода - 0.16 моль, максимальное значение - 0.23 моль, минимальное – 0.12 моль, среднее содержание азота - 0.03 моль, максимальное - 0.06 моль, минимальное - 0.02 моль, значение отношения С/N варьирует от 3.52 до 6.96 в среднем составляя 5.36. По данным радиоуглеродного датирования эта ледяная жила старше 50 тыс. лет, по результатам изотопного анализа здесь отмечено наиболее отрицательное значение δ¹⁸О равное –37.2 ‰ ^[2].

Рис. 5. Вариации содержания углерода (1), азота (2) и отношения С/ N (3) во льду ПЖЛ-5 с глубиной

ПЖЛ 5 (рис. 5) характеризуется существенными колебаниями значений содержания углерода и азота: среднее содержание углерода - 0.17 моль, максимальное значение - 0.36 моль, минимальное – 0.10 моль, среднее содержание азота- 0.05 моль, максимальное - 0.09 моль, минимальное - 0.02 моль, значение отношения С/N варьирует от 2.38 до 6.53 в среднем составляя 4.25, отмечается тенденция увеличения этого показателя снизу вверх. По данным радиоуглеродного датирования эта ледяная жила формировалась во временном интервале 47.5 to 44.7 кал. тыс. лет назад ^[5].

Рис. 6. Вариации содержания углерода (1), азота (2) и отношения С/N (3) во льду ПЖЛ-6 с глубиной

Ледяная жила ПЖЛ-6 опробована очень подробно. По результатам определения содержания углерода и азота ее можно разделить на две части: 0.3-3.20 м и 3.60-28.2 м. В верхней части ПЖЛ-6 (0.3-3.20 м ) характеризуется выраженными колебаниями значений содержания углерода и азота: среднее содержание углерода - 0.09моль, максимальное значение - 0.17 моль, минимальное – 0.07 моль, среднее содержание азота очень низкое средняя величина - 0.02 моль, максимальное - 0.04 моль, минимальное - 0.02 моль, значение отношения С/N варьирует от 3.00 до 5.04 в среднем составляя 4.20.

Распределение полученных значений содержания углерода и азота имеет сходство с характеристикой ПЖЛ-2. Среднее содержание углерода - 0.10моль, максимальное значение - 0.19 моль, минимальное – 0.06 моль, среднее азота - 0.05 моль, максимальное -0.12 моль, минимальное -0.02 моль, значение отношения С/N варьирует от 1.05 до 5.04 в среднем составляя 2.21.

Очевидно, что повышение значения С/N в верхней части ПЖЛ-6 связано не с повышением концентрации углерода, а со снижением содержания азота.

Рис. 7. Вариации содержания углерода (1), азота (2) и отношения С/N (3) во льду ПЖЛ-3 с глубиной

ПЖЛ-3 относится целиком к первому ярусу верхнего едомного комплекса Батагая. Согласно данным радиоуглеродного датирования льда эта ледяная жила накапливалась в интервале 30.8-27.1 кал. тыс. лет назад ^[5]. Она характеризуется существенными колебаниями как содержания углерода, так и азота. Среднее содержание углерода - 0.17 моль, максимальное значение - 0.36 моль, минимальное – 0.10 моль, среднее содержание азота - 0.03 моль, максимальное - 0.05 моль, минимальное - 0.02 моль, значение отношения С/N варьирует от 2.38 до 6.53 в среднем составляя 4.24.

Рис. 8. Частота встречаемости углерода (1), азота (2) и отношения С/N (3) в образцах повторно-жильных льдов верхнего едомного комплекса.

Основная масса изученных образцов повторно-жильного льда характеризуется содержанием углерода 0.06-0.13 моль, азота – 0.02-0.04 моль, отношение чаще отмечается в интервалах 1,05-2.15 и 4.35-5.45 (рис. 8). Среднее значение содержания углерода в повторно-жильных льдах Батагайской едомы составляет 0.13 моль, максимум - 0.36 моль, минимальное содержание углерода -0,06 моль, среднее содержание азота составляет 0.04 моль, максимум – 0.12 моль, минимум 0.02 моль. Для всего массива данных повторно-жильного льда значение С/N в среднем равно 3.90, максимум -6.96, минимум 1.05. Содержание углерода и азота в повторно-жильных льдах изменяется узких пределах, можно предположить, что в лед попадают микрочастицы органики в основном синхронной времени накопления льда. Это очень важно учесть при радиоуглеродном датировании льда.

По данным изучения тундровых почв ^[6] установлено, что C/N - это показатель доступности органического вещества для растений. Хотя ключевым процессом трансформации азота в тундровых почвах, определяющим продуктивность растительных и микробных сообществ, является скорость минерализации азотсодержащего органического вещества почвы и растительных остатков, азот также может быть доступен растениям и микроорганизмам как в виде минеральных, так и в виде органических соединений ^[7]. Молярное отношение C/N прежде всего характеризует обеспеченность почв азотом. Как известно, для большинства гумусовых горизонтов почв характерна величина C/N, равная 8-10 ^[8], что отвечает высокой и средней обеспеченности гумуса азотом. Очень высокое отношение (18-20) свойственно бедным азотом грубогумусным горизонтам почв. Низкое значение C/N (2-3) характерно для очень бедных гумусом горизонтов ^[8]. В почвенной микробной биомассе С/N составляет 6 – 8, в гуминовых веществах почв С/N приблизительно равно 12 – 14 и выше, для торфяных горизонтов значение С/N около 70 – 80. В зоне развития многолетнемерзлых пород показатель C/N используется как приблизительный индикатор степени деградации органического вещества или оценки скорости минерализации отложений, т.е. чем выше минерализация, тем медленнее отложения перешли в многолетнемерзлое состояние ^[9]. Штраусс с соавторами ^[10] изучая едому Дуванного Яра, отметил, что для периода 50-30 тыс. лет назад характерно содержание углерода 2-4% и значения C/N от 8 до 12, что по показателям близко к верхнему горизонту изученного нами светлозема. Эти признаки по мнению авторов свидетельствуют об интерстадиальных условиях. Низкое содержание углерода (менее 1) значения C/N равные 6-8, рассматриваются авторами как признаки стадиальных условий. Для отложений дельты Лены, датируемых концом аллерёда ^[11] получены высокие значения C/N равные 18-20. Колебания значений содержания углерода, азота и отношения C/N объясняются мозаичностью условий позднего плейстоцена и вариациями увлажнения ^[11]. Скорее всего условия увлажнения действительно могли периодически изменяться из-за сочетания ряда факторов. В едоме Аляски (п-ов Болдуин) значения C/N находятся в интервале 4.4-35, в среднем составляя 22,1 ^[12]. В нашем случае в разрезе Батагайского едомного комплекса такие высокие значения не встречаются максимальное значение 9.5. Очевидно, что низкое содержание углерода и, как следствие низкое значение C/N, в едоме Батагая не является результатом интенсивного разложения органики, а скорее следствием низкого поступления органического вещества в отложения в период накопления едомы.

Выводы

Авторами изучены почвы в окресностях Батагайского мегаоврага, сингенетические повторно-жильные льды и вмещающие их едомные отложения.

Содержанию углерода и азота, а также их соотношение в повторно-жильных льдах в едоме изучено впервые.

По содержанию углерода и азота, а также их отношению в повторно-жильных льдах верхнего едомного комплекса Батагая удалось установить, что для всего массива данных повторно-жильного льда значение С/N варьирует с амплитудой около 6, в среднем оно равно 3.90, максимальное - 6.96, минимальное 1.05.

В современных почвах близ Батагайского мегаоврага отношение С/N максимально, только в самом верхнем горизонте светлозема (до 11.67) иллювиального железистого мерзлотного в этом же горизонте отмечен максимум содержания углерода 0.87 моль, максимум наблюдается близ подошвы деятельного слоя.

При радиоуглеродном датировании льда важно оценить вариативность отношения С/N, а также содержание углерода и азота, что позволит оценить степень переработки датируемого органического вещества. Поскольку содержание углерода и азота в повторно-жильных льдах изменяется узких пределах, можно предположить, что в лед попадают микрочастицы органики в основном синхронной времени накопления льда.