CC BY
66
УДК 638.48
ИСТОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И СОВРЕМЕННОЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЧЕРНОЗЕМОВ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ РОССИИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПАЛЕОКРИОГЕНЕЗА
© 2011 Л. А. Гугалинская1,2, А.Ю. Овчинников1,2, Д. А. Попов1, И.М. Вагапов2, А.В. Бухонов1, А.Г. Кондрашин2, К.М. Рапацкая2, В.М. Алифанов1,2
1 Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН,
г. Пущино
2 Пущинский государственный университет
Поступила в редакцию 12.05.2011
Показано, что голоценовое почвообразование в Европейской лесостепи в значительной степени зависит от истории почвообразующих пород - позднеплейстоценовых покровных лессовидных суглинков. Суглинки сформировались в результате совместного действия процессов лито-, крио-и педоморфогенеза, представляют собой педоциклиты, состоящие из серии наложенных друг на друга, мало отличающихся морфологически элементарных почвенных образований. Современные почвы сформировались в результате наложения голоценового почвообразования на позднеплей-стоценовые педоциклиты.
Ключевые слова: почвообразование, палеокриогенез, стратиграфия почвенного профиля, элементарное почвенное образование
В последнее время специалистами все большее внимание уделяется изучению почвенного покрова, функционирующего в современных условиях природной среды, но тесно связанного с изменчивостью палеогеографических и палеоэкологических условий его формирования. Эта проблема экологии почв решается путем изучения свойств не только современных, но и древних (погребенных и реликтовых) почв. Такие исследования, являясь основой одного из важнейших направлений генетического почвоведения - палеопочвоведе-ния, позволяют получать палеоэкологическую информацию об условиях формирования экосистем в прошлом, понимать особенности их современного функционирования и неоднородности [2, 3, 7, 13, 16, 17]. К числу носителей, наиболее достоверно сохраняющих информацию об естественно-экологических условиях формирования почв, исходя из наших
Гугалинская Любовь Анатольевна. доктор биологических наук, профессор. E-mail: [email protected] Овчинников Андрей Юрьевич, кандидат биологических наук. E-mail: [email protected] Попов Дмитрий Алексеевич, аспирант Вагапов Ильдар Махмудович, аспирант Бухонов Александр Вячеславович, главный специалист Кондрашин Александр Геннадьевич, аспирант Рапацкая Карина Михайловна, магистрант Алифанов Валерий Михайлович, доктор биологических наук, профессор. E-mail: [email protected]
исследований, относятся разновозрастные па-леокриогенные признаки и явления, сохранившиеся в почвообразующих породах, в профилях погребенных и современных почв. Такая информационная достоверность признаков палеокриогенеза определяется узким диапазоном литологических и климатических параметров их формирования и хорошей изученностью этих параметров в смежной науке крио-литологии [1, 3, 5, 6].
Одним из самых интересных регионов для изучения влияния палеокриогенеза на современные процессы почвообразования является центр Восточно-Европейской равнины. Для этой территории палеогеографами, палеоботаниками и другими специалистами установлены многочисленные факты значительной изменчивости климатических (температурных, атмосферной увлажненности) условий и изменения ландшафтов [4, 8, 10, 18, 19]. Вместе с тем влияние одного из наиболее важных палеогеографических показателей для понимании генезиса, эволюции и неоднородности почвенного покрова Европейской территории России - почвенного палеокриогенеза - изучена еще недостаточно.
Объекты и методы. Исследования проводили на северных подтипах черноземов центра Восточно-Европейской равнины (Тульская область, N 54°38'; с.ш., Е 38°28' в.д.). Разрез 1-
2010 был заложен в стенке известнякового карьера, расположенного на правом коренном берегу долины р. Венёвки, долина которой имеет ширину 2-3 км, относительное врезание ее составляет 30-50 м. Водораздельная поверхность, на которой расположен разрез, имеет уклон с востока на запад около 1-20. Длина разреза 12 м, глубина 3 м. В разрезе вскрыты: современная почва, позднеплейстоценовые покровные лессовидные суглинки, слоистые, в нижней своей части содержащие погребенные почвы и сильно криотурбированнные, подстилающая их морена красно-бурого цвета. В настоящем исследовании применялись следующие методы: нивелирная съемка поверхности на месте разрезов-траншей и выделение элементов палеокриогенного полигонально-блочного микрорельефа; документирование морфологических свойств почв, определение физических и физико-химических характеристик почв.
Результаты и обсуждение.
Морфология черноземов в связи с палео-криогенезом. Современная почва в пределах стенки разреза представлена черноземом оподзо-ленным (межблочное понижение) и черноземом
выщелоченным (блочное повышение). В разрезе выявлены палеокриогенные структуры, которые по морфологическим особенностям были разделены на четыре типа (рис.1).
К первому, самому древнему типу, мы отнесли клиновидную структуру, по морфологическим особенностям соответствующую псевдоморфозам по повторно-жильному льду (ПЖЛ) [14, 15]. Структура залегает в морене на горизонтальной отметке 2,7-4,0 м на глубине 260 см и ниже, видимая глубина ее составляет около 50 см (рис. 1). Ширина псевдоморфозы в верхней части составляет около 140 см. Псевдоморфоза выполнена материалом серовато-сизого цвета с многочисленными субгоризонтальными светло-охристыми, разбитыми редкими субвертикальными язычками мощностью 0,5-1 см серого, сизоватого и охристого цветов. В целом границы структуры неясные (замытые), что подтверждает наше определение ее как именно псевдоморфозы по ПЖЛ, то есть крупной морозобойной трещины, заполнявшаяся рыхлым материалом в процессе вы-таивания из неё льда.
Рис. 1. Схема строения разреза 1-2010. Тульская область, Венёвский район: 1-9-горизонты современной почвы: 1-А старопахотный, 2-А1А2, 3-В1А1А2, 4-В2, 5-В3, 6-В4, 7-В5са, 8-Б1(А-gl), 9-Б3 с тонкими прослоями материала гор Б2 мощностью 1-3 см, 11-12 - горизонты погребенной почвы: 11-[А1], 12-[А1В], 13 - морена, 14 - псевдоморфоза по ПЖЛ, 15 - магистральные трещины, 16 - скопления обломков кристаллических пород.
Ко второму типу мы отнесли крупные криогенные грунтовые структуры (ККГС) в виде субвертикальных клиньев-трещин высотой от 50 до 180 см и шириной в верхней части 30-35 см. Залегают они на глубине 180-210 см, расположены на горизонтальных отметках 1,5 м и 11,5 м соответственно (рис. 1). ККГС заполнены песчаным материалом и щебнем с примесью перекрывающего суглинка, который является почвообразующей породой для современной почвы. Отличительной особенностью
рассматриваемых ККГС является относительно малое влияние на них процессов солиф-люкции, что позволило сохраниться их клиновидно-трещинной формы. По-видимому, субвертикальные клинья-трещины формировались в несколько этапов, что выражается в полиге-нетичности ККГС, наиболее ярко проявившейся на горизонтальной отметке 11,5 м. Возможность возникновения литологической неоднородности на участках погребения трещин подтверждена мерзлотоведами. Так, по данным
[9], эти участки всегда отличались рядом физических параметров от окружения, например, были всегда более увлажненными, и заложение новых морозобойных трещин происходила именно по «слабым» местам - более древним ККГС.
Хорошо сохранившаяся палеокриогенная структура третьего типа расположена на глубине около 180 см и горизонтальной отметке 4 м (см. рис. 1). По морфологическим особенностям структура третьего типа соответствует пятнам-медальонам, формирующимся в настоящее время в тундровой зоне. Формирование пятен-медальонов связано с образованием полигональных трещин, материал заполнения которых замерзает раньше межтрещинного суглинка, в результате чего образуются замкнутые системы текучего грунта, который под растущим гидростатическим давлением замерзающего материала прорывает верхнюю мерзлую корку и изливается наружу [12].
К четвертому выделяемому типу палео-криогенных структур мы отнесли наиболее ярко выраженные в разрезе крупные наклонные языковатые грунтовые структуры (ЯГС) разной степени выраженности, расположенные через 2-3 метра друг от друга и образующие видимые на горизонтальном срезе полигоны соответствующего размера. Угол наклона ЯГС на запад в центральной части разреза (с 3-го по 10-ый метры по горизонтали) составляет 20250 (рис. 1). Сложены ЯГС неоднородным материалом, представленным преимущественно покровным суглинком (почвообразующая порода современной почвы), песчаным материалом, кристаллическими включениями, небольшим количеством бурого с сероватым оттенком материала, по-видимому, не выраженной
в разрезе, древней, разрушенной и перемытой почвы.
Таким образом, основными процессами, сформировавшими рассмотренную нижнюю часть разреза 1-2010, кроме осадконакопления, были процессы палеокриогенеза и, возможно, конвективной неустойчивости грунтов. Наличие подстилающей палеомерзлоты как водо-упора и источника дополнительной влаги, вероятно, приводило к значительной увлажненности разрушенного элементарного почвенного образования (ЭПО) и сохранившегося ЭПО (слои 10, 11) и течению их материала по наклонной поверхности мерзлоты в теплые интервалы. Условия, в которых ЭПО формировались, а также нижеприведенные аналитические характеристики ЭПО позволяют предполагать, что эти слаборазвитые древние почвы принадлежали к типу тундрово-глеевых или их аналогам.
Физические и физико-химические характеристики черноземов, обусловленные палео-криогенезом.
Гранулометрический состав. Одним из главных физических свойств современных (го-лоценовых) почв является их гранулометрический состав. В данном исследовании различия по гранулометрическому составу определялись в двух зонах или в двух компонентах микрорельефа - блочном повышении и межблочном понижении. По гранулометрическому составу в обоих случаях почвы данного ключевого участка (разрез 1-2010) относятся к легким глинам и тяжелым суглинкам, преобладающими фракциями в почвах блочного повышения и межблочного понижения являются илистая (<0,001 мм) и крупнопылеватая (0,05-0,01 мм) (рис. 2).
Рис. 2. Гранулометрический состав черноземов. Разрез 1-2010. Тульская область, Венёвский район
По распределению фракций по профилю почвы блока и межблочья существует четкая граница между верхней и нижней криоморф-ной частями профиля. Граница эта обусловлена существованием в межблочном понижении самостоятельной прослойки грубого материала, накопленного в результате поверхностного перераспределения не только дресвы и щебня, но и обеих фракций песчаного материала (среднего и тонкого песка). Кроме того, возрастание содержания легких фракций на границе нижней криоморфной и верхней частями профиля в межблочном понижении связано еще и с тем, что на глубине 180-200 см в условиях дополнительного увлажнения сформированы языки-карманы, языки-трещины, крио-турбационные ямы, заполненные песчаным материалом. В почве блочного повышения во время накопления почвообразующего материала криоморфной (нижней) части профиля современных почв палеокриогенная ситуация, скорее всего, была иная. Здесь граница между верхней и нижней криоморфной частями профиля фиксируется лишь небольшим увеличением содержания фракции тонкого песка, а солифлюкционные и криотурбационные процессы практически не выражены. Но в условиях холодного и сухого климата позднего валдая во всей нижней криоморфной толще, могли развиваться процессы криогенеза, способствующие раздроблению зерен минералов крупных фракций до размеров крупной пыли, и одновременному коагулированию более мелких частиц (мелкая пыль, ил) также до состояния крупной пыли [11]. Во всяком случае, объяснение факта значительного обогащения крупной пылью материала нижней части профиля современного чернозема на блочном повышении развитием процесса криогенной пе-литизации почвообразующего материала нам представляется наиболее вероятным.
Влажность и плотность. Определение влажности и плотности почв термостатно-весовым методом проводилось в каждом генетическом горизонте в двукратной повторности. Профили черноземов на разных элементах па-леокриогенного микрорельефа (блочном повышении и межблочном понижении) заметно различаются по влажности. На общем фоне увеличение влажности вниз по профилю по обоим элементам палеокриогенного микрорельефа в почве блочного повышения наблюдается некоторое уменьшение влажности в гор. В3 (на 5-7 единиц на глубине 110-130 см) по сравнению с выше- и нижележащими горизонтами. В почве межблочья в гор. В3, и нижележащих горизонтах (на глубине 140-185 см) происходит снижение количества влаги, что, скорее всего, связано с повышенным содержанием
песчаных фракций в гранулометрическом составе этих горизонтов, уменьшающих влаго-удерживающую способность почв (рис. 3). Профили черноземов по разным элементам палеокриогенного микрорельефа (блочных повышениях и межблочных понижениях) заметно различаются по плотности. В черноземе межблочного понижения плотность почв в отдельных случаях более чем на 0,1-0,3 г/см3 в нижних иллювиальных горизонтах (на глубине 140-160 см) больше, чем плотность почвы блочного повышения. Это увеличение значений плотности, по-видимому, связано с облегчением гранулометрического состава и уменьшением влажности почвы на данной глубине.
Физико-химические характеристики. По физико-химическим характеристикам почвы блока и межблочья различаются заметно (рис. 3). Содержание органического вещества в почве блока уменьшается с глубиной более постепенно; почва блока существенно более кислая, чем почва межблочья; распределение поглощенного Са2+ в почве межблочья значительно более неравномерное; распределение поглощенного Mg2+ в почве межблочья, наоборот, значительно более равномерное; обменные К+ распределены неравномерно и в почве блока, и в почве межблочья, но пики их содержания не совпадают; распределение подвижных Р2О3 К2О очень сильно разнится в почвах блока и межблочья. Таким образом, полученные физические и физико-химические характеристики исследованной позднеплейстоценовой суглинистой толщи и сформированной на ней голоценовой почвы показали, что свойства почвы заметно дифференцированы в зависимости от положения ее профиля на элементе палеокриогенного микрорельефа - на блочном повышении или межблочном понижении.
Выводы:
1. Признаки палеокриогенеза относятся к числу наиболее устойчивых к процессам диагенеза, поэтому криоморфные почвы (современные и древние) обладают высокой палеоэкологической информативностью. Покровные лессовидные суглинки в качестве почвообра-зующих пород современных почв, сформированные в результате циклического чередования процессов лито-, крио- и педогенеза, представляют собой педоциклиты, то есть циклически построенные толщи, состоящие из крио-морфных элементарных почвенных образований. К числу наиболее часто встречающихся признаков палеокриогенеза относятся крио-турбации, солифлюкционное течение грунтов, морозобойные трещины, создающие полигональную неоднородность строения генетических горизонтов и дневной поверхности.
Рис. 3. Физические и физико-химические характеристики разреза 1-2010. Блок-повышение - сплошная линия; межблочное понижение - пунктирная линия.
Тульская область, Венёвский район.
2. Каждому из элементов палеокриогенного микрорельефа (блочное повышение, межблочное понижение) соответствует свой тип профиля современной почвы, определяемый наличием или отсутствием определенных генетических горизонтов, формой и степенью выраженности отдельных морфологических признаков этих горизонтов, изменчивостью физических (гранулометрический состав, влажность и плотность почв), физико-химических характеристик черноземов и палеокриогенных деформаций.
3. Разновозрастные явления позднеплей-стоценового палеокриогенеза, изменяющие строение, а иногда и гранулометрический состав почвообразующих пород, влияют на формирование и функционирование современных почв, в частности, черноземов Европейской лесостепи. В результате формируется временная связь процессов литогенеза, палеокриоге-неза и почвообразования от позднеплейстоце-нового (ледникового) времени до современности.
4. Выявленные многочисленные и разнообразные палеокриогенные явления в современных почвах Европейской лесостепи расширяют ареал почв, причина пространственной неоднородности которых заключается преимущественно в реликтовой криогенной диффе-ренцированности их почвообразующих пород. Это разнообразие строения структуры почвенного, покрова требует от исследователей поиска новых подходов к его исследованию.
Работа выполнена при финансовой поддержке
РФФИ (№ 11-04-00354, № 11-04-01083), Программы
Президиума РАН (подпрограмма 2), Программы
«Развитие научного потенциала высшей школы», код
2.1.1/13314.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Алифанов, В.М. Палеокриогенез и современное почвообразование. - Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1995. 318 с.
2. Алифанов, В. М. Палеокриогенез и структура почвенного покрова Русской равнины / В.М. Алифа-нов, Л.А. Гугалинская // Почвоведение. 1993. №7. С. 65-75.
3. Алифанов, В.М. Палеокриогенез и разнообразие почв центра Восточно-Европейской равнины / В.М. Алифанов, Л.А. Гугалинская, А.Ю. Овчинников. - М.: ГЕОС, 2010. 160 с.
4. Величко, А.А. Динамика ландшафтных компонентов и внутренних морских бассейнов Северной Евразии за последние 13000 лет. Атлас-монография. - М.: ГЕОС, 2002. 240 с.
5. Гугалинская, Л.А. Почвообразование и криогенез в центре Русской равнины в позднем плейстоцене. - Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1982. 204 с.
6. Гугалинская, Л. А. Морфогенетический анализ профиля как основа реконструкции условий почвообразования (на примере мерзлотных почв Нерчинской котловины) / Л.А. Гугалинская, В.М. Алифанов // Почвоведение. 1979. № 6. С. 5-19.
7. Демкин, В.А. Почвоведение и археология. - Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1997. 213 с.
8. Добровольский, Г.В. Роль и значение почв в становлении и эволюции жизни на Земле // Эволюция биосферы и биоразнообразие. - М.: Т-во науч. изданий КМК. 2006. С. 246-256.
9. Катасонов, Е.М. Криогенные текстуры, ледяные и земляные жилы как генетические признаки многолетнемерзлых четвертичных отложений / Вопросы криолитологии при изучении четвертичных отложений. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. С. 37-44.
10. Климаты и ландшафты Северной Евразии в условиях глобального потепления. Ретроспективный анализ и сценарии. Атлас-монография «Развитие ландшафтов и климата Северной Евразии. Поздний плейстоцен-голоцен-элементы прогноза». Выпуск III. Под ред. проф. А.А. Величко. - М.: ГЕОС. 2010. 220 с.
11. Конищев, В.Н. Криогенное выветривание // Генезис, состав и строение мерзлых толщ и подземные льды. Доклады и сообщения. II Междунар. конф. по мерзлотоведению. 1973. Вып. 3. С. 38-45.
12. Кудрявцев, В.А. Мерзлотоведение. - М., Изд-во Моск. ун-та. 1981. 240 с.
13. Память почв: Почва как память биосферно-геосферно-антропогенных взаимодействий / Отв. ред. В.О. Таргульян, С.В. Горячкин. - М.: Издательство ЛКИ, 2008. 692 с.
14. Попов, А.И. История вечной мерзлоты СССР в четвертичный период // Вестн. Моск. ун-та. Сер. биолог. и почвовед., геолог. и географ. 1957. № 3. С. 49-62.
15. Романовский, Н.Н. Формирование полигонально-жильных структур. - Новосибирск: Наука, 1977. 216 с.
16. Соколов, И.А. Теоретические проблемы генетического почвоведения. - Новосибирск: Гуманитарные технологии, 2004. 288 с.
17. Таргульян, В.О. Концепция памяти почв: развитие фундаментальной базы генетического почвоведения / Многоликая география. Развитие идей И.П. Герасимова (к 100-летию со дня рождения). 2005. С. 114-131.
18. Svendsen, J.I. Late Quaternary ice sheet history of northern Eurasia / J.I. Svendsen, H. Alexanderson, V.I. Astakhov et al. // Quaternary Science Reviews. 2004. Vol. 23. Р. 1229-1271.
19. Svendsen, J.I. Maximum extent of the Eurasian ice sheets in the Barents and Kara Sea region during the Weichselian / J.I. Svendsen, V.I. Astakhov, D.Yu. Bolshiyanov et al. // Boreas. 1999. Vol. 28. P. 234242.
HISTORY OF FORMATION AND MODERN FUNCTIONING OF BLACK SOILS ON EUROPEAN FOREST-STEPPE OF RUSSIA UNDER THE INFLUENCE OF PALEOCRYOGENESIS
© 2011 LA. Gugalinskaya1'2 , A.Yu. Ovchinnikov1, D.A. Popov1, I.M. Vagapov2, A.V. Buhonov1, A G. Kondrashin2, K.M. Rapatskaya2, V.M. Alifanov1,2
1 Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science RAS, Pushchino
2 Pushchino State university
It is shown, that holocenic soilformation in the European forest-steppe substantially depends on history of parent rocks, which are the Late Pleistocenic coveral loesslike loams. Loams were generated as a result of joint action of processes litho-, cryo- and pedogenesis, represent the pedocyclitis, consisting of a series imposed against each other, a little differing for morphologically elementary soil bodies. Modern soils were generated as a result of imposing of holocenic soilformation on Late Pleistocenic pedocyclitis.
Key words: soilformation, paleocryogenesis, stratigraphy of soil profile, elementary soil body
Lyubov Gugalinskaya, Doctor of Biology, Professor. E-mail: [email protected]
Andrey Ovchinnikov, Candidate of Biology. E-mail:
Dmitriy Popov, Post-graduate Student
Ildar Vagapov, Post-graduate Student
Alexander Bukhonov, Main Specialist
Alexander Kondrashin, Post-graduate Student
Karina Rapatskaya, Student
Valeriy Alifanov, Doctor of Biology, Professor.
E-mail: [email protected]
