sergeogrИзвестия Российской академии наук. Серия географическаяIzvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya2587-55662658-697510.31857/S2587556624060031AKNNLIsergeogr-2836Research ArticleПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМNATURAL PROCESSES AND DYNAMICS OF GEOSYSTEMSОсобенности трансформации состава природных вод при изменении увлажненности ландшафтов Валдайской возвышенностиFeatures of Transformation of the Natural Waters’ Composition with Changes in the Humidity of Landscapes of the Valdai HillsБарановД. Ю.BaranovD. Yu.

Москва

Moscow

dmitrybaranovjob@gmail.comМоисеенкоТ. И.MoiseenkoT. I.

Москва

Moscow

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАНРоссияVernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, RASRussian Federation202404052025886882892Copyright © Баранов Д.Ю., Моисеенко Т.И., 20252025Баранов Д.Ю., Моисеенко Т.И.Baranov D.Y., Moiseenko T.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestia.igras.ru/jour/article/view/2836

Обобщены результаты 5‑летних наблюдений в теплый сезон года — с середины апреля до начала ноября за химическим составом природных вод в системе атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды при смене режима атмосферных осадков на водосборе оз. Гусиное Валдайской возвышенности. Согласно гидротермическому коэффициенту увлажнения (ГТК) Селянинова было выделено 3 периода влагообеспеченности: засушливый, достаточного увлажнения и избыточного увлажнения. В статье рассмотрено распределение интенсивности выпадения атмосферных осадков в периоды между отборами проб. Установлено, что смена периодов увлажнения не влияет на гидрохимический тип атмосферных осадков и подкроновых вод (гидрокарбонатный I‑го типа, по Алекину), однако преобладающий в водах катион изменяется с кальция на калий. Засушливый период характеризуется максимальными значениями минерализации в системе атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды, что обусловлено смыванием большого количества пыли, накопившейся в приземном воздухе и осевшей на кронах деревьев. В период избыточного увлажнения наблюдаются самые низкие значения минерализации атмосферных осадков и подкроновых вод (6.2 и 8.3 мг/л соответственно). При смене засушливого периода избыточно увлажненным значение рН атмосферных осадков снижается, а окислительно‑восстановительный потенциал увеличивается. На изменение значений рН почвенных вод оказывает содержание органических кислот (коэффициент корреляции = 0.8). Выявлено, что в засушливый период и период избыточного увлажнения поступление кальция в почвенные воды, главным образом, определяет биотический фактор, как и поступление калия в подсистеме подкроновые воды — почвенные воды.

The results of 5‑year observations in the warm season of the year (from mid‑April to early November) on the chemical composition of natural waters in the system atmospheric precipitation — undertree water — soil water during a change in the precipitation regime in the catchment area of Gusinoe Lake on the Valdai Hills are summarized. According to Selyaninov’s hydrothermal moisture coefficient, three periods of moisture supply were identified: dry, sufficient hydration, and excess hydration. The article examines the distribution of precipitation intensity during the inter‑sampling periods. Changing periods of moisture does not affect the type of precipitation and undertree water (hydrocarbonate type I, according to Alekin), however, the predominant cation changes from calcium to potassium. The dry period is characterized by maximum mineralization values in the system atmospheric precipitation — unedtree water — soil water, which is due to the washing away of a large amount of dust accumulated in the ground air and settled on the crowns of trees. During the period of excess moisture, the lowest values of mineralization of atmospheric precipitation and sub‑canopy waters are observed (6.2 and 8.3 mg/L, respectively). When the dry period is overly humidified, the pH value of atmospheric precipitation decreases, and the redox potential increases. The change in the pH values of soil waters is influenced by the content of organic acids (correlation coefficient = 0.8). It was revealed that during the dry period and the period of excessive moisture, the intake of calcium into soil waters mainly determines the biotic factor, as well as the intake of potassium in the subsystem undertree waters — soil waters.

водный режимзасушливый периодпериод избыточного увлажнениягидротермический коэффициент увлажненияатмосферные осадкиподкроновые водыпочвенные водыВалдайская возвышенностьwater regimedry periodperiod of excess moisturehydrothermal moisture coefficientprecipitationundertree watersoil watersValdai HillsРабота выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 22‑17‑00061.The work was carried out with financial support from the Russian Science Foundation grant no. 22‑17‑00061.ReferencesАлекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 444 с.Alekin O.A. Osnovy gidrokhimii [Fundamentals of Hydrochemistry]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1970. 444 p.Берникова Т.А., Нагорнова Н.Н., Цупикова Н.А. Возможность оценки трофического статуса водоема по величине перманганатной окисляемости (на примере озера Виштынецкого Калининградской области) // Вестн. РУДН. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. 2013. № 3. С. 12–21.Al‑Khashman O.A. Ionic composition of wet precipitation in the Petra region, Jordan. Atmos. Res., 2005, vol. 78, no. 1–2, pp. 1–12. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2005.02.003Геоморфология и четвертичные отложения Северо‑Запада европейской части СССР (Ленинградская, Псковская и Новгородская области) / ред. Д.Б. Малаховский, К.К. Марков. Л.: Наука, 1969. 256 с.Assouline S., Mualem Y. Effect of rainfall‑induced soil seals on the soil water regime: drying interval and subsequent wetting. Transp. Porous Media, 2003, vol. 4, no. 8A, pp. 75–94. https://doi.org/10.1023/A:1023583808812Демаков Ю.П., Исаев А.В. Влияние аэрального поступления веществ на их круговорот в лесных экосистемах // Вестн. ПГТУ. 2015. Т. 1. № 25. С. 66–86.Bernikova T.A., Nagornova N.N., Tsurikova N.A. The possibility of assessing the trophic status of a reservoir by the magnitude of permanganate oxidability (on the example of Lake Vishtynetsky in the Kaliningrad region). Vestn. RUDN, 2013, no. 3, pp. 12–21. (In Russ.).Еремина И.Д. Химический состав атмосферных осадков в Москве и тенденции его многолетних изменений // Вестн. Моск. ун‑та. Сер. 5. География. 2019. № 3. С. 3–10.Buchan G.D. Soil temperature regime. In Soil and Environmental Analysis: Physical Methods. Smith K.A., Mullins C.E., Eds. New York: Marcel Dekker, 2001, pp. 539–594. https://doi.org/10.1201/9780203908600Классификация и диагностика почв России / отв. ред. Г.В. Добровольский. Смоленск: Ойкумена, 2004, 342 с.Chen J., Xiao G., Kuzyakov Ya., Jenerette G.D., Ma Y., Liu W., Wang Z., Shen W. Soil nitrogen transformation responses to seasonal precipitation changes are regulated by changes in functional microbial abundance in a subtropical forest. Biogeosci., 2014, vol. 14, no. 9, pp. 2513–2525. https://doi.org/10.5194/bg‑14‑2513‑2017Кравченко И.Ю. Химический состав почвенных вод хвойных лесов средней тайги Карелии: матер. научно‑практич. конф. “Биодиагностика состояния природных и природно‑техногенных систем”. Петрозаводск, 2016. 335 с.Demakov Yu.P., Isaev A.V. The effect of the aerial intake of substances on their circulation in forest ecosystems. Vestn. PGTU, 2015, vol. 1, no. 25, pp. 66–86. (In Russ.).Котова Е.И. Формирование химического состава осадков на севере европейской территории России // Вестн. Северного (Арктического) фед. ун‑та. Сер. Естественные науки. 2012. № 4. С. 116–122.Duce R.A., Hoffman E.J. Chemical fractionation at the air/sea interface. Annu.Rev. Earth Planet. Sci., 1976, vol. 4, pp. 187–228. https://doi.org/10.1146/annurev.ea.04.050176.001155Орлов А.С., Безуглова О.С. Биогеохимия. Ростов‑на‑Дону: “Феникс”, 2020. 320 с.Eludoyin A.O., Ibitoye M.O. Relationship between precipitation and soil water chemistry in an intensively managed clayey soil environment in southwest England: a preliminary study. Int.J. Hydrol. Sci. Technol., 2018, vol. 8, no. 4, pp. 339–348. https://doi.org/10.1504/IJHST.2018.095535Петров Е.Г., Бережная Л.И., Качановский И.М., Короткевич Н.А. Экологический режим в сосновых биогеоценозах. Минск: Наука и техника, 1998. 160 с.Eremina I.D. The chemical composition of atmospheric precipitation in Moscow and the trends of its long-term changes. Vestn. Mosk. Univ., Ser. 5: Geogr., 2019, no. 3, pp. 3–10. (In Russ.).Первова Н.Е., Евдокимова Т.И. Состав почвенных растворов в подзоне южной тайги // Почвоведение. 1984. № 1. С. 7–15.Ganor E., Foner H.A., Brenner J., Neeman E., Lavi N. The chemical composition of aerosols setting in Israel following dust storms. Atmos. Environ., 1991, vol. 25, no. 12, pp. 2665–2670. https://doi.org/10.1016/0960–1686(91)90196‑EСелянинов Г.Т. О сельскохозяйственной оценке климата // Тр. по сельскохозяйственной метеорологии. 1928. Вып. 20. С. 165–177.Geomorfologiya i chetvertichnye otlozheniya severo-zapada evropeiskoi chasti SSSR (Leningradskaya, Pskovskaya i Novgorodskaya oblasti) [Geomorphology and Quaternary deposits of the North‑West of European Part of the USSR (Leningrad, Pskov and Novgorod regions)]. Malakhovskii D.B., Markov K.K., Eds. Leningrad: Nauka Publ., 1969. 256 p.Учватов В.П. Особенности почвенных и грунтовых вод Приокской зандрово‑аллювиальной равнины // Почвоведение. 1985. № 6. С. 55–65.Gombos M., Kandra B., Tall A., Pavelková D. Analysis of non‑rainfall periods and their impacts on the soil water regime. In Hydrology — the Scince of Water. Javaid, M.S., Eds. Ebook, 2019, pp. 1–19. https://doi.org/10.5772/intechopen.82399Учватов В.П. Ландшафтно‑эколого‑геохимические показатели природных фоновых процессов // Мелиорация и рекультивация, экология. 2009. № 2. С. 5–15.Johnson S.L., Kuske C.R., Carney T.D., Housman D.C., Gallegos‑Graves L.V., Belnap J. Increased temperature and altered summer precipitation have differential effects on biological soil crusts in a dryland ecosystem. Glob. Change Biol., 2012, vol.18, no. 8, pp. 2583–2593. https://doi.org/10.1111/j.1365–2486.2012.02709.xAl-Khashman O.A. Ionic composition of wet precipitation in the Petra region, Jordan // Atmos. Res. 2005. № 78. P. 1–12. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2005.02.003Kelishadi H., Mosaddeghi M.R., Ayoubi S., Mamedov A.I. Effect of temperature on soil structural stability as characterized by high energy moisture characteristic method. Catena, 2018, vol. 170, no. 2, pp. 290–304. https://doi.org/10.1016/j.catena.2018.06.015Assouline S., Mualem Y. Effect of Rainfall‑Induced Soil Seals on the Soil Water Regime: Drying Interval and Subsequent Wetting // Transport in Porous Media. 2003. № 53. P. 75–94. https://doi.org/10.1023/A:1023583808812Khimicheskii sostav pochvennykh vod khvoinykh lesov srednei taigi Karelii: mater. nauch. konf. [Chemical Composition of Soil Waters of Coniferous Forests of the Middle Taiga of Karelia. Materials of the Sci. Conf.]. Degteva S.V., Litvinets S.G., Ashichmina T.Ya., Domracheva L.I., et al., Eds. Petrozavodsk: Raduga‑PRESS Publ., 2016. 447 p.Buchan G.D. Soil temperature regime. In: Soil and Environmental Analysis: Physical Methods / K.A. Smith, C.E. Mullins (Eds.). NY: Marcel Dekker, 2001. P. 539–594. https://doi.org/10.1201/9780203908600Klassifikatsiya i diagnostika pochv Rossii [Classification and Diagnostics of Soils in Russia]. Dobrovolskii G.V., Eds. Smolensk: Oikumena Publ., 2004. 342 p.Chen J., Xiao G., Kuzyakov Ya., Jenerette G.D., Ma Y., Liu W., Wang Z., Shen W. Soil nitrogen transformation responses to seasonal precipitation changes are regulated by changes in functional microbial abundance in a subtropical forest // Biogeosciences. 2014. № 14. P. 2513–2525. https://doi.org/10.5194/bg‑14‑2513‑2017Kotova E.I. Formation of the chemical composition of precipitation in the north of the European territory of Russia. Vestn. Sever. Arktich. Fed. Univ., Ser. Estest. Nauki, 2012, no. 4, pp. 116–122. (In Russ.).Duce R.A., Hoffman E.J. Chemical fractionation at the air/sea interface // Annual Review of Earth and Planetary Sci. 1976. № 4. P. 187–228. https://doi.org/10.1146/annurev.ea.04.050176.001155Migliavacca D., Teixeira E.C., Wiegand F., Machado A., Sanchez J. Atmospheric precipitation and chemical composition of an urban site, Guaiba hydrographic basin, Brazil. Atmos. Environ., 2005, vol. 39, no. 10, pp. 1829–1844. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2004.12.005Eludoyin A.O., Ibitoye M.O. Relationship between precipitation and soil water chemistry in an intensively managed clayey soil environment in southwest England: a preliminary study // Int. J. of Hydrology Science and Technology. 2018. Vol. 8. № 4. P. 339–348. https://doi.org/10.1504/IJHST.2018.095535Neilsen G.H., Stevenson D.S. Leaching of soil calcium, magnesium and potassium in irrigated orchard lysimeters. Soil Sci.Soc. Am. J., 1983, vol. 47, no. 4, pp. 692–696. https://doi.org/10.2136/sssaj1983.03615995004700040018xGanor E., Foner H.A., Brenner J., Neeman E., Lavi N. The chemical composition of aerosols setting in Israel following dust storms // Atmos. Environ. 1991. № 25A. P. 2665–2670. https://doi.org/10.1016/0960–1686(91)90196‑ENielsen U.N., Ball B.A. Impacts of altered precipitation regimes on soil communities and biogeochemistry in arid and semi‑arid ecosystems. Glob. Change Biol., 2014, vol. 21, no. 4, pp. 1407–1421. https://doi.org/10.1111/gcb.12789Gombos M., Kandra B., Tall A., Pavelková D. Analysis of Non‑Rainfall Periods and Their Impacts on the Soil Water Regime. In: Hydrology — The Science of Water / M.S. Javaid (Ed.). In Tech Open. 2019. P. 1–19. https://doi.org/10.5772/intechopen.82399Orlov A.S., Bezuglova O.S. Biogeokhimiya [Biogeochemistry]. Rostov‑on‑Don: Feniks Publ., 2020. 320 p.Johnson S.L., Kuske C.R., Carney T.D., Housman D.C., Gallegos-Graves L.V., Belnap J. Increased temperature and altered summer precipitation have differential effects on biological soil crusts in a dryland ecosystem // Global Change Biology. 2012. № 18. P. 2583–2593. https://doi.org/10.1111/j.1365–2486.2012.02709.xPetrov E.G., Berezhnaya L.I., Kachanovskii I.M., Korotkevich N.A. Ekologicheskii rezhim v sosnovykh biogeotsenozakh [Ecological Regime in Pine Biogeocenoses]. Minsk: Nauka i tekhnika Publ., 1998. 160 p.Kelishadi H., Mosaddeghi M.R., Ayoubi S., Mamedov A.I. Effect of temperature on soil structural stability as characterized by high energy moisture characteristic method // Catena. 2018. Vol. 170. № 2. P. 290–304. https://doi.org/10.1016/j.catena.2018.06.015Pervova N.E., Evdokimova T.I. Composition of soil solutions in the subzone of the southern taiga. Pochvoved., 1984, no. 1, pp. 7–15. (In Russ.).Migliavacca D., Teixeira E.C., Wiegand F., Machado A., Sanchez J. Atmospheric precipitation and chemical composition of an urban site, Guaiba hydrographic basin, Brazil // Atmos. Environ. 2005. № 39. P. 1829–1844. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2004.12.005Popenda A. Effect of redox potential on heavy metals and As behavior in dredged sediments. Desalin. Water Treat., 2014, vol. 52, no. 19–21, pp. 1–10. http://dx.doi.org/10.1080/19443994.2014.887449Neilsen G.H., Stevenson D.S. Leaching of soil calcium, magnesium, and potassium in irrigated orchard lysimeters // Soil Science Society of America J. 1983. Vol. 47. № 4. P. 692–696. https://doi.org/10.2136/sssaj1983.03615995004700040018xSelyaninov G.T. On agricultural climate assessment. Tr. Sel’skokhoz. Meteorol., 1928, no. 20, pp. 165–177. (In Russ.).Nielsen U.N., Ball B.A. Impacts of altered precipitation regimes on soil communities and biogeochemistry in arid and semi‑arid ecosystems // Global Change Biol. 2014. № 21. P. 1407–1421. https://doi.org/10.1111/gcb.12789Starr M.R., Lindroos A‑J., Nieminen T.M. Variation in the quality of tension lysimeter soil water samples from a finnish forest soil. Soil Sci., 1985, vol. 140, no. 6, pp. 453–461.Popenda A. Effect of redox potential on heavy metals and As behavior in dredged sediments // Desalination and Water Treatment. 2014. Vol. 52. № 19–21. P. 1–10. https://doi.org/10.1080/19443994.2014.887449Tripolskaja L., Kazlauskaite‑Jadzevi A. Trend analyses of percolation of atmospheric precipitation due to climate change: case study in Lithuania. Agron. J., 2022, vol. 12, no. 8, pp. 1–15. https://doi.org/10.3390/agronomy12081784Starr M.R., Lindroos A-J., Nieminen T.M. Variation in the quality of tension lysimeter soil water samples from a finnish forest soil // Soil Sci. 1985. Vol. 140. № 6. P. 453–461. https://doi.org/10.1007/s10661‑014‑3963‑7Turner D.P., van Broekhuizen H.J. Nutrient leaching from conifer needles in relation to foliar apoplast cation exchange capacity. Environ. Pollut., 1992, vol. 75, no. 3, pp. 259–63. https://doi.org/10.1016/0269–7491(92)90124‑sTripolskaja L., Kazlauskaite-Jadzevi A. Trend Analyses of Percolation of Atmospheric Precipitation Due to Climate Change: Case Study in Lithuania // Agronomy. 2022. Vol. 12. № 8. P. 1–15. https://doi.org/10.3390/agronomy12081784Vadassery J., Reichelt M., Hause B., Gershenzon J., Boland W., Mithufe A. CML42‑mediated calcium signaling coordinates responses to Spodoptera herbivory and abiotic stresses in Arabidopsis. Plant. Physiol., 2012, vol. 159, no. 3, pp. 1159–1175. http://dx.doi.org/10.1104/pp.112.198150Turner D.P., van Broekhuizen H.J. Nutrient leaching from conifer needles in relation to foliar apoplast cation exchange capacity // Environ Pollut. 1992. Vol. 75. № 3. P. 259–63. https://doi.org/10.1016/0269–7491(92)90124‑sVárallyay G. The impact of climate change on soils and on their water management. Agron. Res., 2010, vol. 8, no. 7, pp. 385–396.Vadassery J., Reichelt M., Hause B., Gershenzon J., Boland W., Mithufe A. CML42‑mediated calcium signaling coordinates responses to Spodoptera herbivory and abiotic stresses in Arabidopsis // Plant Physiol. 2012. № 159. P. 1159–1175. https://doi.org/10.1104/pp.112.198150Vanguelova E.I., Benham S., Pitman R., Moffat A.J., Broadmeadow M., et al. Chemical fluxes in time through forest ecosystems in the UK — soil response to pollution recovery. Environ. Pollut., 2009, vol. 158, no. 5, pp. 1857–1869. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2009.10.044Várallyay G. The impact of climate change on soils and on their water management // Agronomy Res. 2010. № 8. P. 385–396.Uchvatov V.P. Features of soil and groundwater of the Priokskaya zandra‑alluvial plain. Pochvoved., 1985, no. 6, pp. 55–65. (In Russ.).Vanguelova E.I., Benham S., Pitman R., Durrant Houston T. Chemical fluxes in time through forest ecosystems in the UK — Soil response to pollution recovery // Environ. Pollution. 2009. № 158. P. 1857–1869. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2009.10.0Uchvatov V.P. Landscape‑ecological‑geochemical indicators of natural background processes. Melior. Rekultiv. Ekol., 2009, no. 2, pp. 5–15. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.