CC BY
90
УДК 631.48:574 С.А. Шляхов, С.Ю. Гришин
МОРФОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И ОСОБЕННОСТИ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ СЛОИСТО-ПЕПЛОВЫХ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ПОЧВ РАЙОНА ВУЛКАНА КАРЫМСКИЙ (КАМЧАТКА)1
В статье на примере района вулкана Карымский рассматривается морфологическое разнообразие слоисто-пепловых вулканических почв Камчатки, а также особенности кислотно-основных свойств почв разных экотопов. Показано, что кислотно-основное состояние почв определяется характером продуктов извержения; наличием или отсутствием гидроморфности и геотермальности; типом растительности и связанным с ней опадом; соотношением между поступлением в почву минерального и органического вещества. Отмечена прямая взаимосвязь между различиями слоисто-пепловых вулканических почв по морфологическим и кислотно-основным свойствам.
Ключевые слова: слоисто-пепловые, вулканические почвы, почвы Камчатки, кислотно-основные свойства, вулкан Карымский.
S. A. Shlyakhov, S. Yu. Grishin
MORHOLOGICAL DIVERSITY AND PECULIARITIES OF ACID-BASIC PROPERTIES OF VOLCANIC ASH STRATIFIED SOILS NEAR KARYM VOLCANO (KAMCHATKA PENINSULA)
Morphological diversity of Kamchatka volcanic ash stratified soils and soils of different ecotops acid-basic properties peculiarities are described in the article on the Karym volcano example. It is shown that acid-basic state of these soils is determined by volcanic ejecta nature of hydromorphic and geothermic processes presence or absence , type of vegetation and connected with it tree waste, correlation between mineral and organic substance coming to the soil. Direct relationship between morphological and acid-basic properties of volcanic ash stratified soils is noted.
Key words: ash stratified, volcanic soils, soils of Kamchatka peninsula, acid-basic properties, Karym volcano.
Введение. Слоисто-пепловые вулканические почвы окаймляют районы современного активного вулканизма. На их поверхность периодически аэральным путем поступает значительное количество пирокла-стического материала, т.е. данные почвы являются синлитогенными.
Они распространены в пределах нашей страны локально на Курильских островах и полуострове Камчатка, изучены слабо, полное представление об их естественном разнообразии до сих пор не сформировано. В «Классификации и диагностике почв России» [4] в типе слоисто-пепловых почв выделяется всего один подтип - типичные.
Цель данной работы - на примере отдельно взятого района показать морфологическое разнообразие и различия по кислотно-основным свойствам слоисто-пепловых вулканических почв Восточной Камчатки, формирующихся на пирокластическом материале преимущественно кислого состава.
Методика исследований. Исследования проводились в 1998-2006 годах на территории между вулканом Карымский и озером Карымским. Было заложено 6 почвенных разрезов в различных экотопах (рис. 1). В отобранных послойно почвенных образцах измерялись рН водный и солевой по стандартным методикам [1].
1 Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 06-05-65106а.
Рис. 1. Схема расположения почвенных разрезов в районе вулкана Карымский.
Точками с номерами показаны места заложения почвенных разрезов
Результаты исследований. Вулкан Карымский расположен приблизительно в 120 км к северо-востоку от г. Петропавловска-Камчатского и в 30 км от побережья Тихого океана. Он представляет собой правильный конус (около 1500 м над ур. м., относительная высота около 700 м), расположенный в центре кальдеры около 5 км диаметром и является одним из активнейших вулканов Камчатки. Вулкан образовался около 6000 лет назад; наиболее мощные извержения последнего времени были 400, 200-250 лет назад и в 1962-1981 годах [2]. Изверженные материалы представлены андезитовой пирокластикой и лавами. Новейший эруптивный цикл, начатый в 1996 году, протекал в виде взрывных пеплово-газовых выбросов из центрального кратера, происходящих несколько раз в час, и лавововых потоков, медленно стекающих по склонам конуса [5]. В 6 км к югу от вулкана Карымский находится кальдера оз. Карымского (кальдера Академии Наук), образовавшаяся в верхнем плейстоцене. Подводное извержение 1996 года привело к гибели и повреждению наземной растительности [8].
Климат Восточной Камчатки характеризуется длинной, сравнительно мягкой зимой, коротким прохладным летом, обилием осадков в течение года. По данным ближайшей метеостанции «Семлячики», расположенной на побережье, среднемесячная температура воздуха самого теплого месяца равна плюс 12,9°С, а самого холодного - лишь минус 7,5°С [7]. Условия описываемого района несколько суровее, учитывая его высотное положение (выше 600 м над ур. м.; урез воды Карымского озера - около 625 м) и некоторое удаление от океана.
В условиях низкогорного рельефа исследованного района (преобладающие высоты 600-1200 м над ур. м.) господствует субальпийская растительность на склонах и болотно-ивняковые комплексы в долинах рек, сочетающиеся с инверсионными тундрами на сухих местообитаниях. На верхней границе субальпики (около 1000-1100 м над ур.м.) изреженные заросли ольхового и кедрового стланика сменяются кустарничко-выми тундрами и нивальными луговинами. Специфические сообщества и группировки растительности
встречены на склонах центрального конуса вулкана Карымский, являющихся серийными образованиями в ходе поствулканогенных сукцессий.
Морфологические особенности почв района вулкана Карымский. Вблизи вулкана Карымский описанные почвы имели следующую схему строения профиля (рис. 2). С поверхности они покрыты слоем свежевыпавшего черного вулканического пепла толщиной от нескольких миллиметров до 15 сантиметров. Под ним находятся 2-3 современных органогенных и/или органоминеральных горизонта общей мощностью 10-26 см, которые также могут содержать присыпку пепла. Ниже по профилю происходит чередование погребенных органогенных и органо-минеральных горизонтов с минеральными слоями пирокластического материала. Среди последних выделяются общие для всех разрезов два светло-серых слоя мелкого гравия и песка (реже - супеси), контрастирующие с преобладающей темной окраской профиля. С глубины 38-53 см стратифицированная масса всех изученных почв приобретала характерную серовато-бурую окраску, которая маскирует слоистость, делая ее не столь заметной, как в вышележащей толще. Данная окраска, по мнению И.А. Соколова [6], - «результат древних и современных процессов внутрипочвенного выветривания и миграции органоминеральных соединений из верхних горизонтов». Другие авторы [3] указывают на наличие в нижней части профиля почв данного района охристого горизонта (Вохр или BAN), но нам он не встречался, а потому все описанные почвы были отнесены к типу слоисто-пепловых.
Рис. 2. Строение профилей слоисто-пепловых вулканических почв в районе вулкана Карымский: р. 1 - высокотравный луг; р. 2 - кедровый стланик с мезофильным разнотравьем; р. 5 - молодой лавовый поток с разреженной растительностью; р. 4 - влажный луг в пойме реки; р. 6 - геотермальное поле с полынно-разнотравной растительностью; - (1) Грубогумусовые горизонты (АО); (2) - горизонты, переходные между грубогумусовыми и аккумулятивно-гумусовыми (АОА); (3) - аккумулятивно-гумусовые горизонты (A); (4) - торф; (5) - горизонты, переходные между органоминеральными и минеральными (АС и НС);
(6) - песок и супесь; (7) - суглинок; (8) - камни разной размерности; (9) - пемза и шлак
Морфологические параметры дают возможность в пределах изученной территории различать почвы луговых (с преобладанием вейника и иван-чая) и тундровых участков (р. 1), зарослей стланика с мезофиль-ным разнотравьем (р. 2), зарастающих молодых лавовых потоков с пионерной растительностью (р. 5), заболоченных экотопов (пойма р. Карымская) с современными и погребенными торфяными горизонтами (р. 4) и геотермальных полей, покрытых полынью и разнотравьем (на берегу оз. Карымского) (р. 6). Последние почвы имеют очень ограниченное распространение и отличаются от всех остальных почв данного района тяжелым гранулометрическим составом, гораздо менее выраженной стратификацией, однородной окраской профиля с преобладанием буро-палевых тонов.
Кислотно-основные свойства слоисто-пепловых почв. В ряде слоисто-пепловых вулканических почв измерялись рН водный и солевой по стандартным методикам [1]. Как известно, первый характеризует актуальную кислотность, второй - один из видов потенциальной кислотности, а именно - обменную.
На рисунке 3 видно, что наблюдаемые между почвами различия по кислотно-основным свойствам можно отнести к трем типам:
1) разная величина рН, преобладающая в профиле;
2) разная амплитуда колебаний рН в пределах одного профиля;
3) неодинаковая средняя разница между pH водным и солевым.
Рис. 3. Профильное распределение значений рН водного и солевого в слоисто-пепловых вулканических почвах в районе вулкана Карымский
Попробуем дать цифровое выражение каждого из этих типов различий. Для второго и третьего случаев это сделать просто. Но для того, чтобы среднепрофильная величина кислотности разных почв была сопоставима, необходимо выбрать толщи, сравнимые между собой. Ведь нижнюю границу почвы здесь установить часто невозможно, а при разной глубине разрезов среднепрофильный рН будет неодинаков. Дополнительную неопределенность вносит различная мощность поверхностного вулканогенного материала, покрывающего почву, но не затронутого (или почти не затронутого) еще процессами педогенеза. Чтобы
выйти из затруднительного положения, предлагается сравнивать между собой 50-сантиметровые толщи почв, лежащие ниже поверхностного слоя свежего пирокластического материала (слой I). Усредненный рН указанных толщ высчитывался с учетом мощности каждого входящего в их состав горизонта.
Результаты количественной оценки параметров кислотно-основного состояния ряда слоисто-пепловых вулканических почв приведены в таблице 1. На основе ее данных, а также общепринятой градации кислотности, все исследованные почвы можно разделить на группы в рамках каждого из трех типов различий, о которых говорилось ранее.
Таблица 1
Характеристики кислотно-основного состояния слоисто-пепловых вулканических почв
Раз- рез Число изу- ченных гори- зонтов рН водный рН солевой Разность рН водного и солевого Усредненный рН 50-см толщи ниже поверхностного слоя I
Диапазон колебаний Наибольшая профильная разница Диапазон колеба- ний Наибольшая профильная разница Диапазон колебаний Среднепро- фильная Н2О КСІ Раз- ность
4 7 2,40-7,10 4,7 2,10-6,74 4,64 0,01-0,36 0,20 4,01 3,78 0,23
2 6 4,34-5,68 1,34 3,85-4,82 0,97 0,43-0,86 0,61 4,82 4,24 0,58
1 10 4,82-5,55 0,73 4,08-4,85 0,77 0,42-0,81 0,63 5,21 4,53 0,68
5 18 4,52-6,07 1,55 3,90-5,14 1,24 0,52-1,17 0,78 5,52 4,65 0,87
6 9 5,75-6,74 0,99 3,94-5,01 1,07 1,03-2,07 1,68 5,99 4,23 1,76
По наибольшей профильной разнице рН водного: кислотно-недифференцированные < 0,5;
кислотно-слабодифференцированные 0,5-1;
кислотно-среднедифференцированные 1-2; кислотно-сильнодифференцированные > 2.
По среднепрофильной разности рН водного и солевого: с очень малой разностью < 0,5;
с малой разностью 0,5-1;
со средней разностью 1-1,5;
с высокой разностью > 1,5.
По усредненному рН водному 50-сантиметровой толщи ниже поверхностного слоя пирокластического материала:
сильнокислые < 4,5;
среднекислые 4,5-5,5;
слабокислые 5,5-6,0;
близкие к нейтральным > 6,0.
Чрезвычайно низким рН основной части профиля выделяется гидроморфная почва поймы реки Ка-рымская (р. 4). Это может быть как следствием особенностей болотного почвообразования, так и сильной кислотности воды в реке, или же совокупного действия обоих названных факторов. С другой стороны, резко отличается от других почва геотермального поля (р. 6), актуальная кислотность ряда горизонтов которой близка к нейтральной. Скорее всего, это связано с химизмом гейзерных растворов, циклически совершающих восходящие движения в почвенном профиле в виде пара и, возможно, жидкости.
Различия же по кислотно-основным свойствам между почвами, описываемыми разрезами 1, 2 и 5, не столь очевидны. Все они имеют малую среднепрофильную разность между актуальной и обменной кислотностью, но по кислотной дифференциации профиля отличаются - для р. 1 она слабая, в разрезах 2 и 5 - средняя. Однако, если для почвы лавового потока (р. 5) такая степень кислотной дифференциации закономерна, то почва зарослей кедрового стланика (р. 2) попала в эту группу лишь благодаря довольно высокому рН поверхностного слоя пирокластического материала, извергнутого из вулкана Академии Наук (он, по всей видимости, более основным составом, чем аналогичный материал вулкана Карымский). В толще, лежащей ниже данного слоя, наибольшая профильная разница по рН водному составляет 0,76, что практиче-
ски совпадает с амплитудой колебания актуальной кислотности в разрезе 1, где поверхностный слой свежих вулканических отложений не выражен.
По усредненному водному рН 50-сантиметровой толщи ниже слоя поверхностного пирокластического материала, почвы луга (р. 1) и зарослей кедрового стланика (р. 2) относятся к среднекислым, почва лавового потока (р. 5) - к слабокислым. Рассмотрим подробнее, чем вызвано такое различие. Для этого проанализируем реакцию среды слоев и горизонтов разных видов, слагающих указанную толщу трех вышеназванных разрезов (табл. 2).
Таблица 2
Реакция среды горизонтов 50-сантиметровой толщи почв ниже поверхностного слоя свежих пирокластических отложений (!) в районе вулкана Карымский
Типы горизон- тов Число горизон- тов Общая мощность горизонтов, см рН водный рН солевой Разность рН водного и солевого
Диапазон колебаний Средний Диапазон колебаний Средний
р. 2 (кедровый стланик)
АО и А 4 34 4,34-5,06 4,71 3,85-4,52 4,16 0,55
АС Нет - -
Мине- ральные слои 1 16 - 5,10 - 4,49 0,61
р. 1 (луг)
АО и А 5 33 4,82-5,37 5,19 4,08-4,66 4,47 0,72
АС 1 3 - 5,02 - 4,51 0,51
Мине- ральные слои 3 14 5,20-5,55 5,34 4,66-4,85 4,73 0,61
р. 5 (молодой лавовый поток)
АО и А 4 14 4,52-5,30 5,04 3,90-4,64 4,35 0,69
АС 4 16 5,05-6,07 5,49 4,37-4,90 4,62 0,87
Мине- ральные слои 5 20 5,61-5,87 5,74 4,68-4,94 4,82 0,92
Наиболее кислыми в каждой из почв являются органогенные и гумусово-аккумулятивные горизонты, наименее кислыми - минеральные слои вулканогенных отложений. Как видно, если сравнивать однотипные горизонты разных разрезов, то довольно значительно в сторону низких величин сдвинут рН горизонтов АО и А в почве кедрово-стланниковых зарослей, тогда как в аналогичных горизонтах слабокислой почвы лавового потока он ничуть не выше и даже немного ниже (и по диапазону изменчивости, и по среднему значению), чем в среднекислой луговой почве. Различия же между этими двумя почвами по степени кислотности вызваны минеральными и органоминеральными слоями. На первый взгляд такое заключение кажется странным, так как разрезы расположены сравнительно недалеко друг от друга и поступающий в них пи-рокластический материал должен быть примерно одинаковым по составу, а следовательно, иметь одну и ту же реакцию среды.
Самым вероятным объяснением указанного факта является следующее. Основной источник различий в актуальной почвенной кислотности при одинаковом (фоновом) содержании минеральных компонентов, проявляющих кислотные свойства - органические кислоты и другие органические соединения, имеющие кислые функциональные группы. Естественно, что в наибольшем количестве эти продукты имеются в органогенных и аккумулятивно-гумусовых горизонтах, откуда могут мигрировать в нижележащие минеральные слои, подкисляя последние. Чем больше мощность и кислотность содержащих органику горизонтов, тем более кислым должен быть переслаивающийся с ними минеральный материал. Это предположение полностью подтверждается данными таблицы 3. Горизонты АО и А в почве лавового потока составляют в сумме менее трети мощности рассматриваемой 50-сантиметровой толщи. Запаса органических
кислот в них недостаточно, чтобы подкислить минеральные слои в такой же степени, как в почвах, описываемых разрезами 1 и 2. То есть оказывается, что различие в степени кислотности между почвой высокотравного луга и почвой лавового потока с низкой, разреженной растительностью вызвано неодинаковым количеством поступающего в них с опадом органического вещества, а не с особенностями его дальнейшей трансформации. Другими словами, отличия в степени кислотности здесь количественные, а не качественные. Качественные же отличия наблюдаются в аккумулятивно-гумусовых горизонтах слоисто-пепловой вулканической почвы под кедровым стлаником - они заметно более кислые, чем в почве луга и лавового потока.
Таким образом, в районе вулкана Карымский по параметрам кислотно-основного состояния отчетливо различаются три группы слоисто-пепловых вулканических почв:
1) гидроморфные - сильнокислые, с сильнодифференцированным по кислотности профилем и с очень малой разностью между актуальной и обменной кислотностью;
2) геотермальные - слабокислые до близких к нейтральным, с кислотно-слабодифференцированным профилем и с большой разностью между рН водным и солевым;
3) остальные почвы - средне- или слабокислые, со средней или слабой дифференциацией профиля по кислотности и с малой разностью между рН водным и солевым. В рамках последней группы выделяются подгруппы почв лугов, стланиковых зарослей и лавовых потоков, но различия между ними менее ясные и устойчивые, чем на групповом уровне.
Выводы
1. Слоисто-пепловые вулканические почвы представляют собой почвенную группу, отличную от других почв, в том числе и вулканических. Их своеобразие вызвано мощным современным влиянием вулканических процессов (литогенез, геотермальность) на процессы почвообразовательные.
2. Слоисто-пепловые вулканические почвы весьма неоднородны по морфологическим параметрам, что обусловлено как геологическими причинами (погребение пирокластическим материалом, формирование на лавовых потоках, близкое к поверхности стояние грунтовых вод, геотермальность), так и биологическими (различный тип и количество поступающего опада, связанного с разным характером растительности - луга, заросли стланика, пионерная растительность), а также взаимосвязанным действием этих факторов (гидроморфизм в сочетании с болотными ассоциациями растительности, лавовый поток плюс низкая и разреженная растительность).
3. Выявлено различие разных групп слоисто-пепловых вулканических почв по трем параметрам кислотно-основных свойств: 1) преобладающей в профиле величине рН; 2) амплитуде изменений рН в пределах одного профиля; 3) среднепрофильной разности между актуальной и обменной кислотностью.
4. Кислотно-основные свойства слоисто-пепловых вулканических почв определяются следующими основными причинами: характером продуктов извержения; наличием или отсутствием гидроморфности и геотермальности; типом растительности и связанным с ней опадом; соотношением между поступлением в почву минерального и органического вещества, то есть между процессами литогенеза и органогенеза.
5. Отмечена прямая взаимосвязь между различиями слоисто-пепловых вулканических почв по морфологическим и кислотно-основным свойствам. Это свидетельствует о том, что разные группы слоисто-пепловых вулканических почв, выделенные по внешним параметрам, имеют и глубокие внутренние отличия друг от друга.
Литература
1. Аринушкина, Е.В. Руководство по химическому анализу почв / Е.В. Аринушкина. - М.: МГУ, 1970. - 487 с.
2. Брайцева, О.И. Вулкан Карымский: история формирования, динамика активности и долгосрочный прогноз / О.И. Брайцева, И.В. Мелекесцев // Вулканология и сейсмология. - 1989. - №2. - С. 14-31.
3. Захарихина, Л.В. Роль вулканических пеплов в формировании почвенно-растительного покрова в зоне современного эксплозивного вулканизма / Л.В. Захарихина, Ю.С. Литвиненко // Вулканология и сейсмология. - 2008. - № 1. - С. 19-34.
4. Классификация и диагностика почв России / Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И. Лебедева, М.И. Герасимова. - Смоленск: Ойкумена, 2004. - 342 с.
5. Вулканическая деятельность в Карымском центре в 1996 г.: вершинное извержение Карымского вулкана и фреатомагматическое извержение в кальдере Академии Наук / Я.Д. Муравьев [и др.] // Вулканология и сейсмология. - 1997. - № 5. - С. 38-70.
6. Соколов, И.А. Вулканизм и почвообразование (на примере Камчатки) / И.А. Соколов. - М.: Наука, 1973. - 224 с.
7. Справочник по климату СССР. - Вып. 27. Камчатская обл. - Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - Ч. 2. - 184 с.
8. Grishin, S.Yu. Influence of 1996 Eruption in the Karymsky volcano group, Kamchatka, on vegetation /
S.Yu. Grishin, P.V. Krestov, V.P. Verkholat// Nat. Hist. Res. - 2000. - № 7. - P. 39-48.
'--------♦-------------
УДК 631.416.9 В.И. Голов, Я.О. Тимофеева
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ПОЧВ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ НА ПРИМЕРЕ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ
В статье рассматриваются основные экологические функции почвенного покрова и некоторые механизмы реализации одной из ключевых функций - поддержания гомеостаза биосферы.
Ключевые слова: самоочищение почв, почвенные железо-марганцевые новообразования, тяжелые металлы.
V.I. Golov, Ya.O. Timofeeva ECOLOGICAL FUNCTIONS OF SOILS AND THEIR REALISATION ON THE EXAMPLE OF FERRIMANGANESE CONCRETIONS
The article deals with the basic ecological functions of the soil cover and some mechanisms to realize one of its key functions concerning maintenance of biospherical homeostasis.
Key words: soil self-cleaning, soil ferrimanganese neoformations, heavy metals.
Прогрессирующее воздействие хозяйственной деятельности человечества на природную среду достигло уровня, при котором происходят резкие глобальные и региональные изменения почвенного покрова обширных территорий, которые нередко приводят к сокращению продуктивности наземных экосистем и представляют реальную опасность для человека. Почвенный покров планеты помимо плодородия (человечество получает из почвы более 90 % всех продуктов питания) в значительной мере определяет и регулирует многие жизненноважные экологические функции биосферы. Из множества экологических функций почв, которые выделяют Г.В. Добровольский и Е.Д. Никитин, выделим пять основных [5, 6].
1. Почва - аккумулятор органического вещества.
2. Почва контролирует постоянство газового состава атмосферы.
3. Почва участвует в формировании речного стока и его химического состава.
4. Почва является средой обитания живых организмов и поддерживает их биоразнообразие.
5. Санитарные функции почвы.
Устойчивость почв к воздействию потоков с несвойственной для природы концентрацией элементов зависит от многих факторов (от содержания высокодисперсных минеральных частиц, гумусовых веществ, реакции среды и т.д.), среди которых особое место занимают железо-марганцевые конкреции (далее ЖМК). Они являются неотъемлемыми компонентами и важными индикаторами многих процессов, происходящих в почвах. В настоящее время в области исследования почвенных ЖМК имеется большой объем информации, посвященный вопросам их состава, строения, распределения и генезиса [1, 2, 7, 10, 11, 14]. Однако слабо изученной остается их аккумулирующая способность, приводящая к ограничению миграции некоторых элементов, включая большинство тяжелых металлов [13, 15-17]. Особый интерес вызывает снижение подвижности биофильных элементов конкрециями, сопровождаемое их выводом из биологического круговорота на неопределенное время. Следовательно, изучение роли ЖМК в процессе самоочищения почв является важной задачей экологии, решение которой позволит оценить роль этого процесса для поддержания оптимального состояния почвенного покрова.
Исследования проводили на экспериментальном участке, почвенный покров которого представлен лугово-бурыми почвами. Почвы залегают в юго-восточной части Ханкайско-Уссурийской равнины в 7 км северо-восточнее г. Уссурийска Приморского края, сформированы на озерно-аллювиальных отложениях тяжело-
