Metals in soils of the South Kuril Islands

Cover Page

Full Text

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

Abstract

The chemical composition of the volcanic soils of the southern Kuril Islands (Iturup, Kunashir, Shikotan), which are affected mainly by ash falls of the main composition during volcanic eruptions, has been studied. The total content of metals (K, Ca, Mg, Na, Ba, Cu, Co, Cd, Cr, Fe, Mo, Ni, Pb, Sc, Sr, V, Zn) and the concentrations of their mobile forms extracted by an ammonium acetate buffer at pH 4.8 were determined. Concentrations of Sc, V, Fe, Zn is 1.5–5 times higher, and the content of Cr, Ni, Sr, Ba is 2–10 times lower than clarks values. Soils are characterized by a contrasting pH distribution of 3.75–7.81, which determines the lability of metals. The maximum activity of radial and lateral migration is noted at low values of the acid-base index, leading to a sharp differentiation of the chemical composition of the genetic soil horizons in various catenary positions, the coefficients of radial and lateral migration can increase to 12 and 29, respectively. The results of factor analysis showed the leading role of soil-forming rocks in the formation of the chemical composition of soils (about 63% of the sample variance); the processes of humus formation, transformation of mineral and organic substances in soils, and hydrothermal activity have a lesser influence. Soils formed on the middle and basic rocks of the Cenozoic volcanic sequence are characterized by Ca–Mg–Na paragenetic associativity, liparite-dacite complex – Ba–K–Pb–Mo, gabbroid – Ni–Cr–Cu, psammite – V–Sc–Fe–Co. Paragenesis Mo–Pb is typical for sites of modern hydrothermal activity. The influence of placer formation processes on the chemical composition of soils in the coastal areas of the Iturup and Shikotan islands is shown. The distribution of mobile forms is associated with chelation processes, geochemical barriers of acid-base, sorption and redox types. Local soil pollution has been identified, mainly due to the operation of motor vehicles. On the territory of the settlements of Krabozavodskoye and Yuzhno-Kurilsk, there is an increase in the concentration of Ba, Sr and K associated with the activities of fish processing plants, in Kurilsk – Cr, Ni, Cu, Co, Zn and Pb, the source of which is the repair base. The calculated soil toxicity probability index (MERMQ), as well as the results of biotesting for Daphnia magna Straus. and Chlorella vulgaris Beijer showed low soil toxicity. This is explained by the low population density and low degree of economic development of the islands.

About the authors

M. G. Opekunova

Saint-Petersburg State University

Author for correspondence.
Email: m.opekunova@mail.ru
Russian Federation, Saint-Petersburg, 199178

A. Yu. Opekunov

Saint-Petersburg State University

Email: m.opekunova@mail.ru
Russian Federation, Saint-Petersburg, 199178

S. Yu. Kukushkin

Saint-Petersburg State University

Email: m.opekunova@mail.ru
Russian Federation, Saint-Petersburg, 199178

S. A. Lisenkov

Saint-Petersburg State University

Email: m.opekunova@mail.ru
Saint-Petersburg, 199178

A. R. Nikulina

Saint-Petersburg State University

Email: m.opekunova@mail.ru
Russian Federation, Saint-Petersburg, 199178

I. Yu. Arestova

Saint-Petersburg State University

Email: m.opekunova@mail.ru
Russian Federation, Saint-Petersburg, 199178

V. V. Somov

Saint-Petersburg State University

Email: m.opekunova@mail.ru
Russian Federation, Saint-Petersburg, 199178

References

  1. Бакланов П.Я., Бочарников В.Н., Ганзей К.С. и др. Атлас Курильских островов. М.–Владивосток: ИПК “ДИК”, 2009. 515 с.
  2. Билая Н.А., Кораблев А.П., Зеленковский П.С., Чуков С.Н. Эколого-геохимические особенности почв вулканического плато Толбачинский Дол // Почвоведение. 2022. № 4. С. 405–414. https://doi.org/10.31857/S0032180X22040049
  3. Бурков Ю.Л., Рундквист Д.В. Накопление рудных элементов в процессе эволюции земной коры // Записки Всесоюзного минералогического общества. 1977. № 5. С. 629–637.
  4. Веремчук Л.В., Челнокова Б.И., Барскова Л.С., Гвозденко Т.А., Кукаев И.В. Савочкина Н.Л. Лечебно-оздоровительный потенциал лечебницы п. Горячий пляж на острове Кунашир // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 2017. Т. 94. № 6. С. 32–37. https://doi.org/10.17116/kurort201794632-37
  5. Гаврилов В.К., Соловьева Н.А. Вулканогенно-осадочные формации геоантиклинальных поднятий Малых и Больших Курил. Новосибирск: Наука, 1973. 151 с.
  6. Ганзей К.С. Ландшафты и физико-географическое районирование Курильских островов. Дис. … канд. геогр. наук. Владивосток, 2009. 161 с.
  7. Геннадиев А.Н., Гептнер А.Р., Жидкин А.П., Чернянский С.С., Пиковский Ю.И. Экзотемпературные и эндотемпературные почвы Исландии // Почвоведение. 2007. № 6. С. 661–675.
  8. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов (ландшафтно-геохимические процессы). М.: 2007. 350 с.
  9. Голов В.И. Круговорот серы и микроэлементов в основных агроэкосистемах Дальнего Востока. Владивосток: Дальнаука, 2004. 315 с.
  10. Грищенко М.Ю., Гаврилова В.И., Карпачевский А.М., Петровская А.Ю., Леонова Г.М. Изучение и картографирование почв и ландшафтов полуострова Весловский (остров Кунашир, Курильские острова) // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2018. Т. 62. № 1. С. 63–69. https://doi.org/10.30533/0536-101X-2018-62-1-63-69
  11. Грищенко М.Ю., Хлюстова В.В., Изюмникова Е.А., Калимова И.В. Изучение и картографирование почв южной части охотоморского сектора острова Кунашир, Курильские острова // Геодезия и картография. 2021. № 3. С. 19–27. https://doi.org/10.22389/0016-7126-2021-969-3-19-27
  12. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М., 2003. 400 с.
  13. Заварзина А.Г., Данченко Н.Н., Демин В.В., Артемьева З.И., Когут Б.М. Гуминовые вещества – гипотезы и реальность (обзор) // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1449–1480. https://doi.org/10.31857/S0032180X21120169
  14. Колосков А.В., Федоров П.И., Окина О.И. Новые данные о составе интрузивных пород о. Шикотан (Малая Курильская гряда) // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2019. Вып. 43. № 3. С. 52–65. https://doi.org/10.31431/1816-5524-2019-3-43-52-65
  15. Костенков Н.М., Ознобихин В.И. Почвенно-географическое районирование Курильских островов // Вестник Северо-Восточного научного центра ДВО РАН. 2011. № 1. С. 77–83.
  16. Леванчук А.В. Загрязнение окружающей среды продуктами эксплуатационного износа автомобильно-дорожного комплекса // Гигиена и санитария. 2014. № 6. С. 17–21.
  17. Марченко А.Г., Вольфсон А.А., Морозов М.В., Хрол Н.С., Штейнберг Г.С., Штейнберг М.Г. Геохимические особенности вулканогенных отложений и эксгаляционной минерализации в кратерной части активного вулкана Кудрявый (остров Итуруп Курильской гряды) // Геология рудных месторождений. 2020. Т. 62, № 2. С. 134–150. https://doi.org/10.31857/S0016777020020033
  18. Мелкий В.А., Верхотуров А.А. Россыпи железосодержащих минералов в Сахалинской области // Известия Томского политехн. ун-та. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 1. С. 6–18. https://doi.org/10.18799/24131830/2019/1/46
  19. Наследов А.Д. IBM SPSS Statistics 20 и AMOS: профессиональный статистический анализ данных. СПб.: Питер, 2013. 416 с.
  20. Опекунова М.Г., Опекунов А.Ю., Кукушкин С.Ю., Ганул А.Г. Фоновое содержание химических элементов в почвах и донных осадках севера Западной Сибири // Почвоведение. 2019. № 4. С. 422–439. https://doi.org/10.1134/S0032180X19020114
  21. Опекунова М.Г., Опекунов А.Ю., Сомов В.В., Кукушкин С.Ю., Арестова И.Ю., Лисенков С.А., Никулина А.Р. Природные и антропогенные факторы формирования химического состава почв о. Шикотан (Курильские острова) // Почвоведение. 2022. № 12. С. 1592–1609. https://doi.org/10.31857/S0032180X22100343
  22. Опекунов А.Ю., Янсон С.Ю., Опекунова М.Г., Кукушкин С.Ю. Минеральные фазы металлов в техногенных осадках рек Санкт-Петербурга при экстремальном загрязнении // Вестник СПб ун-та. Науки о Земле. 2021. № 66. C. 267–288. https://doi.org/10.21638/spbu07.2021.205
  23. Пискунов Б.Н. Природа базальтоидов Большой и Малой Курильских гряд // Литосфера. 2004. № 3. С. 97–109.
  24. Полохин О.В. Содержание микроэлементов в вулканических почвах острова Симушир (Курильские острова) // Сб. м-лов V Межд. научной конф., посвященной 85-летию кафедры почвоведения и экологии почв ТГУ. Томск: Изд-во ТГУ, 2015. С. 84–87.
  25. Терехов Е.П., Цой И.Б., Можеровский А.В., Вагина Н.К. Плиоценовые отложения острова Шикотан (малая Курильская гряда) // Стратиграфия. Геологическая корреляция. 2011. Т. 19. № 3, С. 96–110.
  26. Токсикологические методы контроля. Методика измерений количества Daphnia magna Straus для определения токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из грунтов, почв, осадков сточных вод, отходов производства и потребления методом прямого счета. М., 2014. 39 с.
  27. Токсикологические методы контроля. Методика измерений оптической плотности культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer) для определения токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из грунтов, почв, осадков сточных вод, отходов производства и потребления. М., 2014. 38 с.
  28. Требования к геохимической основе государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1 : 1000000 (новая редакция). М., 2005. 28 с.
  29. Урусевская И.С., Алябина И.О., Шоба С.А. Карта почвенно-экологического районирования Российской Федерации. М-б 1 : 8 000 000. Пояснительный текст и легенда к карте. М.: МАКС Пресс, 2020. 100 с.
  30. Фураев Е.А. Геохимия ландшафтов острова Кунашир (Курильские острова). М.: Прометей, 2013. 180 с.
  31. Хитров Н.Б., Никитин Д.А., Иванова Е.А., Семенов М.В. Пространственно-временная изменчивость содержания и запаса органического вещества почвы: аналитический обзор // Почвоведение. 2023. № 12. С. 1493–1521. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600841
  32. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 341 с.
  33. Юрковская Т.К., Ильина И.С., Сафронова И.Н. Растительность // Национальный атлас России. М.: ПКО “Картография”, 2007. Т. 2. С. 328–330.
  34. Afefe A.A., Abbas M.S., Soliman A.Sh., Kherd A.-H.A., Hatab E.-B.E. Physical and Chemical Characteristics of Mangrove Soil under Marine Influence. A Case Study on the Mangrove Forests at Egyptian – African Red Sea Coast // Egyptian J. Aquatic Biology and Fisheries. 2019. V. 23(3). P. 385–399. https://doi.org/10.21608/ejabf.2019.47451
  35. Alloway B.J. (Ed.). Heavy Metals in Soils: Trace Metals and Metalloids in Soils and their Bioavailability. Springer Netherlands, 2012. 614 p. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4470-7
  36. Aswini A.R., Hegde P. Impact assessment of continental and marine air-mass on size-resolved aerosol chemical composition over coastal atmosphere: Significant organic contribution in coarse mode fraction // Atmospheric Research. 2021. V. 248. P. 105216. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.105216
  37. Carlon C. (Ed.). Derivation methods of soil screening values in Europe. A review and evaluation of national procedures towards harmonization. European Commission. Joint Research Centre, Ispra, EUR 22805-EN, 2007. 306 p.
  38. Du J., Hesp P.A. Salt spray distribution and its impact on vegetation zonation on coastal dunes: a review // Estuaries and Coasts. 2020. V. 43. P. 1885–1907. https://doi.org/10.1007/s12237-020-00820-2
  39. Ganzei K.S., Ivanov A.N. Landscape diversity of the Kuril Islands // Geogr. Nat. Resour. 2012. V. 33. P. 142–148. https://doi.org/10.1134/S1875372812020072
  40. Gao X., Chen C.T.A. Heavy metal pollution status in surface sediments of the coastal Bohai Bay // Water Research. 2012. V. 46. P. 1901–1911. https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.01.007
  41. Hou S., Zheng N., Tang L., Ji X., Li Y. Effect of soil pH and organic matter content on heavy metals availability in maize (Zea mays L.) rhizospheric soil of non-ferrous metals smelting area // Environ. Monit Assess. 2019. V. 191 (10). P. 634. https://doi.org/10.1007/s10661-019-7793-5
  42. Hovelstad H., Leirset I., Oyaas K., Fiksdahl A. Screening Analyses of Pinosylvin Stilbenes, Resin Acids and Lignans in Norwegian Conifers // Molecules. 2006. V. 11(1). P. 103–114. https://doi.org/10.3390/11010103
  43. IUSS Working Group WRB. 2022. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. Vienna: International Union of Soil Sciences, 2022.
  44. Kabata-Pendias A. Trace elements in soils and plants. London: Taylor & Francis Group, 2011. 548 p.
  45. Kalacheva E., Taran Yu., Voloshina E., Inguaggiato S. Hydrothermal system and acid lakes of Golovnin caldera, Kunashir, Kuril Islands: Geochemistry, solute fluxes and heat output // J. Volcanology Geothermal Res. 2017. V. 346. P. 10–20. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2017.06.001
  46. Khomich V.G., Boriskina N.G., Kasatkin S.A. Geology, magmatism, metallogeny, and geodynamics of the South Kuril Islands // Ore Geology Rev. 2019. V. 105. P. 151–162. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2018.12.015
  47. Kicinska A., Pomykala R., Izquierdo-Diaz M. Changes in soil pH and mobility of heavy metals in contaminated soils // Eur. J. Soil Sci. 2021. V. 73(1). https://doi.org/10.1111/ejss.13203
  48. Kowalska J.B., Mazurek R., Gasiorek M., Zaleski T. Pollution indices as useful tools for the comprehensive evaluation of the degree of soil contamination– A review // Environ. Geochem. Health. 2018. V. 40. P. 2395–2420. https://doi.org/10.1007/s10653-018-0106-z
  49. Lasota J., Blonska E., Lyszczarz S., Tibbett M. Forest Humus Type Governs Heavy Metal Accumulation in Specific Organic Matter Fractions // Water Air Soil Poll. 2020. V. 231(2). https://doi.org/10.1007/s11270-020-4450-0
  50. Long E.R., Macdonald D.D., Severn C.G., Hong C.B. Classifying probabilities of acute toxicity in marine sediments with empirically derived sediment quality guidelines // Environ. Toxicol. Chem. 2000. V. 19. P. 2598–2601. https://doi.org/10.1002/etc.5620191028
  51. Long E.R., Macdonald D.D., Smith S.L., Calder F.D. Incidence of adverse biological effects within ranges of chemical concentrations in marine and estuarine sediments // Environ. Management. 1995. V. 19. P. 81–97. https://doi.org/10.1007/BF02472006
  52. Martynov A.Yu., Martynov Yu.A. Pleistocene basaltic volcanism of Kunashir Island (Kuril island arc): Mineralogy, geochemistry, and results of computer simulation // Petrology. 2017. V. 25. P. 206–225. https://doi.org/10.1134/S0869591117020035
  53. Mertens J., Nevel L.V., Schrijver A.D., Piesschaert F., Oosterbaan A., Tack F.M.G., Verheyen K. Tree species effect on the redistribution of soil metals // Environ. Poll. 2007. V. 149(2). P. 173–181. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2007.01.002
  54. Opekunova M., Opekunov A., Somov V., Kukushkin S., Papyan E. Transformation of metals migration and biogeochemical cycling under the influence of copper mining production (the Southern Urals) // Catena. 2020. V. 189. P. 104512. https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104512
  55. Park H.-J., Yang H.I., Park S.-I., Lim S.-S., Kwak J.-H., Lee G.-T., Lee S.-M., Park M., Choi W.-J. Sorption of Pb in chemical and particle-size fractions of soils with different physico-chemical properties // J. Soils Sediments. 2019. V. 19. P. 310–321. https://doi.org/10.1007/s11368-018-1978-3
  56. Pejman A., Gholamrez Nabi B., Saeedi M., Baghvanda A. A new index for assessing heavy metals contamination in sediments: A case study // Ecological Indicators. 2015. V. 58. P. 365–373. http://doi.org/10.1016/j.ecolind.2015.06.012
  57. Semenkov I.N., Krupskaya V.V., Chernov M.S., Kazinskiy M.T., Sokolov V.N., Klink G.V., Lebedeva M.P., Dorzhieva O.V., Zavadskaya A.V. The variability of soils and vegetation of hydrothermal fields in the Valley of Geysers at Kamchatka Peninsula // Scientific Reports. 2021. V. 11(1). P. 11077. https://doi.org/10.1038/s41598-021-90712-7
  58. Shevyrev S., Carranza E.J.M. Application of maximum entropy for mineral prospectivity mapping in heavily vegetated areas of Greater Kurile Chain with Landsat 8 data // Ore Geology Rev. 2022. V. 142(5). https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2022.104758
  59. Skerlep M., Nehzati S., Johansson U., Kleja D.B., Persson P., Kritzberg E.S. Spruce forest afforestation leading to increased Fe mobilization from soils // Biogeochemistry. 2022. V. 157(3). P. 273–290. https://doi.org/10.1007/s10533-021-00874-9E
  60. Slessarev E.W., Lin Y., Bingham N.L., Johnson J.E., Dai Y., Schinel J.P., Chadwick O.A. Water balance creates a threshold in soil pH at the global scale // Nature. 2016. V. 540. P. 567–569. https://doi.org/10.1038/nature20139
  61. Takeda A., Kimura K., Yamasaki S. Analysis of 57 elements in Japanese soils, with special reference to soil group and agricultural use // Geoderma. 2004. V. 119(3–4). P. 291–307. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2003.08.006
  62. Valk A.G. Mineral Cycling in Coastal Foredune Plant Communities in Cape Hatteras National Seashore // Ecology. 1974. V. 55(6). P. 1349–1358. https://doi.org/10.2307/1935462
  63. Vodyanitskii Yu.N. Standards for the contents of heavy metals in soils of some states // Annals of Agrarian Science. 2016. V. 14(3). P. 257–263. https://doi.org/10.1016/j.aasci.2016.08.011
  64. Zakharikhina L.V., Litvinenko Y.S. Volcanism and geochemistry of the soil and plant cover in Kamchatka. Part 2. The formation of the elemental composition of volcanic soils under cold humid conditions // J. Volcanolog. Seismol. 2019. V. 13. P. 149–156. https://doi.org/10.1134/S0742046319030072

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Map-scheme of the location of test plots in the Southern Kuril Islands: Iturup Island (a), Kunashir Island (b), Shikotan Island (c).

Download (5MB)
3. Fig. 2. The index of toxicity probability (risk level) of soils in urbanized areas of the southern Kuril Islands (dashed lines are the boundaries of zones, “whiskers” indicate minimum and maximum values, in the range diagram the horizontal lines are the values ​​of the first and third quartiles, the black line inside is the median).

Download (168KB)
4. Fig. 3. Regression dependence of the toxicity probability index and the values ​​of the technogenic factor.

Download (118KB)
5. Fig. 4. Results of biotesting of urban soils: - - - - toxicity level according to the D. magna reaction (mortality over 10% – toxicity; over 50% – acute toxicity); -·-·-·-· toxicity level according to the C. vulgaris reaction (deviations in optical density less than –20% or more than 30% – toxicity).

Download (256KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences