CC BY
27
УДК 631.4
М.А. Смирнова1, А.Н. Геннадиев2
СТЕПНОЕ ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ НА СКЛОНАХ КАРСТОВЫХ ВОРОНОК (ЮЖНОЕ ПРИУРАЛЬЕ)3
Работа посвящена изучению почвенных катен на склонах карстовых воронок в сухостеп-ной области. Приводятся данные о морфологических и химико-аналитических свойствах почв, проведено краткое сравнение исследованных почв с почвами прилегающих степных территорий и с катенарными сопряжениями почв на склонах карстовых воронок в пределах лесных областей. Показано, что почвообразование в карстовых районах претерпевает значительные изменения по сравнению с почвообразованием в прилегающих некарстовых областях. Почвы средних и верхних частей склонов наиболее радиально контрастны в пределах почвенных катен, приуроченных к карстовым воронкам в сухостепных ландшафтах.
Ключевые слова: география почв, карст, почвенные катены, карбонаты, гумусовый горизонт.
Введение. Уникальность рельефа, геологического строения и истории развития карстовых территорий создает особые условия для формирования почвенно-геохимических сопряжений. В пределах почвенных катен на склонах карстовых форм рельефа на протяжении от нескольких до десятков метров происходит смена сочетаний и степени выраженности почвообразовательных процессов, что в итоге приводит к смене почв разной степени контрастности. В настоящее время стоит задача изучения почв на склонах карстовых воронок в пределах разных природных зон и выявления специфических региональных характеристик таких почвенных сопряжений. Наши предшествующие работы были посвящены изучению почвенных катен на склонах карстовых воронок северотаежных ландшафтов и ландшафтов широколиственных лесов [5, 14]. В статье рассмотрены почвенные катены сухо-степных ландшафтов.
Постановка проблемы. В качестве объектов исследования изучены 3 почвенно-геохимические сопряжения, образованные почвами межвороночных пространств и почвами склонов карстовых воронок Кзыладырского карстового поля (Южное Приуралье, Оренбургская область). Карстовые воронки представляют собой конусообразные асимметричные отрицательные формы рельефа с несколько более длинными склонами северо-восточной экспозиции и более короткими склонами юго-западной экспозиции. Поверхность склонов слабоволнистая. Днища карстовых воронок осложнены понорами. Размеры карстовых воронок, на склонах которых закладывались почвенные разрезы, приведены на рис. 1. Почвы исследовались на склонах северо-восточной экспозиции, разрезы закладывались на межвороночном пространстве, в средней и нижней частях склона карстовой воронки
(для Средней и Малой воронок), в верхней, средней и нижней частях (для Большой карстовой воронки).
Основной массив карстующихся пород на исследуемой территории представлен сульфатными отложениями кунгурского яруса пермской системы, перекрытыми с поверхности карбонатными конгломератами, продукты выветривания и перемещения которых выступают в качестве почвообразующих пород для исследованных почв [9—11]. В климатическом отношении территория характеризуется жарким летом со среднеиюльской температурой +22 С°, холодной продолжительной зимой со среднеянварской температурой —14 С°, глубина промерзания почв не превышает 1 м. Среднегодовое количество осадков составляет около 320 мм, режим выпадения осадков неустойчив [1]. Растительность представлена типча-ково-полынно-ковыльными степями, степень проективного покрытия на межвороночных пространствах не превышает 30%. В пределах склонов карстовых воронок по направлению от верхних к нижним частям склонов происходит постепенное увеличение степени проективного покрытия травянистого яруса до 40—50%, возрастает его видовое разнообразие.
В лаборатории кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ по стандартным методикам [2] в образцах почв определяли содержание органического углерода по методу Тюрина, рН водной суспензии, содержание легкорастворимых солей, Са2+, Mg2+, SO4- в водной вытяжке, содержание СаСО3 газоволюметрическим методом, гранулометрический состав — лазерным грануло-метром "Frits^ Analysette 22"; валовой анализ выполнен рентгенфлуорисцентным методом на приборе "СПЕКТРОСКАН МАКС-GV".
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, аспирант; e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, профессор, докт. геогр. н.; e-mail: [email protected]
3 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-05-00647-а).
Результаты исследований и их обсуждение. Результаты морфологических и химико-аналитических исследований показали, что светлогумусовые мицелярно-карбонатные почвы, описанные нами в автономных условиях межвороночных пространств, заметно отличаются от каштановых почв — зональных почв сухих степей юга Оренбургской области [3, 7, 15]. Приведем краткую морфологическую характеристику межвороночных почв (разрезы О1, О4, О7):
AJ1 — дернина серовато-палевая, рыхло-уплотненная, слабо вскипает от 10%-й HCl, пронизана корнями, переход постепенный;
AJ2 — палево-серый, сухой, мелкокомковатый с признаками угловатости, супесчаный, уплотненный, слабо вскипает от 10%-й HCl (морфологические признаки вторичных и первичных карбонатов отсутствуют), включения корней, переход по цвету четкий, граница слабоволнистая. Мощность горизонта около 20 см;
BCmc — неоднородный по цвету, светло-палевый с желтовато-белыми прожилками и палево-серыми засыпками вышележащего горизонта, сухой, слабо оструктурен — ореховато-комковатые агрегаты мелкого и среднего размера, супесчано-легкосуглини-стый, очень плотный, горизонт сцементирован диффузными формами карбонатов, в толще горизонта рассеяны желтовато-белые прожилки длинной до 3 см и шириной 1—2 мм, по трещинам — засыпки гумуси-рованного материала вышележащего горизонта, редкие включения корней и обломков карбонатных пород диаметром до 2 мм, горизонт бурно вскипает от 10%-й HCl, переход по цвету четкий, граница ровная. Мощность горизонта 30—40 см;
Cca — неоднородный по цвету, светло-палевый с желтовато-белыми линзами, бесструктурный, супесчаный, плотный элювий карбонатных конгломератов, возможны редкие включения обломков карбонатных пород диаметром до 3 мм, горизонт бурно вскипает от 10%-й HCl.
Содержание Сорг в горизонте AJ составляет около 2%, в нижележащем переходном к почвообразующей породе мицелярно-карбонатном горизонте BCmc его содержание падает до 1—1,2%. Реакция среды почвенных горизонтов слабощелочная—щелочная, максимальные значения рН водной суспензии (8,0—8,5) характерны для средней части почвенного профиля (горизонт BCmc) и совпадают с максимальным значением содержания карбонатов (около 14,5% в почве разреза О1 и 26% в разрезах О4 и О7). Инкрустацион-ные формы карбонатных новообразований, присутствующие в средней части профиля (горизонт BCmc), свидетельствуют о преобладающей восходящей миграции почвенных растворов и постепенном иссушении почвенного профиля [8, 13]. Почвообразующая порода характеризуется меньшими значениями содержания карбонатов, чем горизонт BCmc (от 10% в почве разреза О1 до 21—23% в почвах разрезов О4 и О7). Минимальные значения рН приходятся на светлогу-
Рис. 1. Катенарные сопряжения почв карстовых воронок Кзыл-адырского карстового массива, облекаемых элювием карбонатных конгломератов: А — Малая карстовая воронка, Б — Средняя карстовая воронка, В — Большая карстовая воронка
мусовый горизонт А и составляют 7,8—7,9, содержание карбонатов в горизонте колеблется от 10 (разрез О1) до 15% (разрез О4).
Почвы межвороночных пространств не засолены, содержание легкорастворимых солей в пределах почвенного профиля, за исключением почвообразующей породы, не превышает 0,1%. Содержание Са2+, Mg2+ и ВО?- в водной вытяжке носит регрессивно-
Рис. 2. Содержание СаСО3 (%) в почвах карстовых воронок: А — Малая карстовая воронка, Б — Средняя карстовая воронка, В — Большая карстовая воронка
элювиальный характер и составляет от 0,4—0,6 для Mg2+ и Са2+ в гумусово-аккумулятивном горизонте до 5 (Mg2+) и 12 ммоль/100 г почвы (Са2+) в почвообразу-ющей породе; содержание в пределах почвенного профиля изменяется от 0,1 до 1,5—2 ммоль/100 г. Валовой состав почв неоднородный, что обусловлено почвообразующими породами — элювием карбонатных конгломератов. Содержание 8Ю2 в пределах почвенного профиля может варьировать от 40 до 70%, СаО — от 2 до 16%.
Таким образом, описанные нами почвы межвороночных пространств, в отличие от зональных каштановых почв [3, 7, 13, 15], представляют собой маломощные слаборазвитые образования, для которых характерен постепенный переход гумусово-аккумуля-тивного горизонта в почвообразующую породу. Свет-логумусовые мицелярно-карбонатные почвы вскипают от 10%-й HCl с поверхности, они содержат больше карбонатов, чем каштановые почвы, в светлогумусо-вых почвах отсутствуют конкреционные формы карбонатов и морфологические признаки гипса, почвенные горизонты контрастны по валовому содержанию макроэлементов.
Почвы верхних и средних частей склонов (разрезы О2, О5, О8, О9), как и почвы межвороночных пространств, отнесены к типу светлогумусовых почв. Мощность гумусово-аккумулятивного горизонта почв склонов на 10—15 см больше, чем почв межвороночных пространств; содержание Сорг в среднем составляет 2%. В нижней части гумусово-аккумуля-тивного горизонта и в верхней части переходного к почвообразующей породе горизонта ВС на поверхностях почвенных агрегатов встречаются нитевидные светлые палево-белые налеты карбонатов. Такие новообразования, по данным Я.Г. Рыскова и В.А. Дем-кина [13], присутствуют в почвах этого региона только в сухой летний период и исчезают в более влажные периоды в результате промывания почвы. Таким образом, можно говорить о сезонной радиальной восходяще-нисходящей миграции части карбонатов изученных почв на склонах карстовых воронок. Наличие нитевидных налетов карбонатов позволяет выделить в пределах почвенного профиля малый миграционно-карбонатный горизонт с индексом lc (содержание карбонатов в нем до 30%). Мощность отмеченного горизонта варьирует от 10 до 20 см. Ниже залегает мицелярно-карбонатный горизонт BCmc, содержание карбонатов в котором может быть как больше, так и меньше, чем в вышележащем горизонте (от 11 до 32%).
Отметим, что суммарная мощность горизонтов аккумуляции вторичных карбонатов в почвах склонов и межвороночных пространств в целом одинакова (около 30—40 см); различие составляют формы и локализация карбонатных новообразований, а также карбонатность горизонтов BClc и BCmc. Указанные горизонты содержат карбонатов на 3—10% больше, чем горизонты BCmc сопряженных почв межвороночных пространств (рис. 2). По щелочно-кислотным свойствам, содержанию легкорастворимых солей, Са2+, Mg2+ и SO42- в водной вытяжке, валовому составу светлогумусовые мицелярно-карбонатные почвы межвороночных пространств и светлогумусовые мигра-ционно-мицелярные почвы склонов практически не отличаются.
В пределах нижних частей склонов карстовых воронок (разрезы О3, О6, О10) формируются стратозе-мы темногумусовые. По особенностям гумусового и
карбонатного профилей эти почвы резко отличаются от сопряженных светлогумусовых почв. Приведем краткое морфологическое описание почв нижних частей склонов:
RU^) — темно-серый с палевым оттенком, окраска слабо дифференцирована по слоям, свежий, мелко- и среднекомковатый, легкосуглинистый, рыхло-уплотненный, граница вскипания при реакции с 10%-й HCl находится на глубине 10—15 см, морфологически выраженных вторичных карбонатов нет, в горизонте могут встречаться обломки карбонатных пород диаметром до 2 мм, горизонт обильно пронизан корнями травянистых растений, переход ясный по цвету, граница волнистая. Мощность горизонта варьирует от 60 до 100 см;
Cca — элювий карбонатных конгломератов.
Содержание Сорг в темногумусовом стратифицированном горизонте в среднем в 1,5—2 раза больше, чем в светлогумусовых горизонтах почв средних и верхних частей склонов и межвороночных пространств, и составляет от 3 до 5% в верхней части горизонта и 1—2% в нижней части стратифицированного горизонта.
Отметим, что гумусовые профили стратоземов темногумусовых и лугово-каштановых почв мезо- и микропонижений рельефа внекарстовых областей су-хостепных ландшафтов сходны по морфологическим и химико-аналитическим свойствам. При этом формирование мощного, хорошо оструктуренного гуму-сово-аккумулятивного горизонта с высоким содержанием Сорг в нижних частях склонов карстовых воронок и в понижениях рельефа прилегающих некарстовых областей обусловлено разными механизмами. Если в первом случае ведущую роль в формировании гумусового горизонта играет аккумуляция органо-минерального материала, приносимого с более высоких гипсометрических позиций, то во втором случае свойства гумусового горизонта обусловлены полу-гидроморфными условиями почвообразования [3, 7].
Карбонатный профиль стратоземов темногуму-совых отличается от сопряженных светлогумусовых почв выщелоченностью от карбонатов верхней 10—15-сантиметровой толщи и отсутствием в пределах всего почвенного профиля морфологически выраженных карбонатных новообразований. Содержание карбонатов в пределах темногумусового стратифицированного горизонта не превышает 10%, реакция среды нейтральная—слабощелочная. Кроме того, стратоземы темногумусовые однороднее по валовому и гранулометрическому составу, чем сопряженные светлогуму-совые почвы. От лугово-черноземных почв стратоземы темногумусовые отличает, с одной стороны, повышенная карбонатость, а с другой — отсутствие морфологически выраженных карбонатных новообразований.
Таким образом, исследованные катенарные сопряжения почв карстовых воронок вне зависимости от протяженности почвенных сопряжений образованы
светлогумусовыми мицелярно-карбонатными почвами межвороночных пространств, светлогумусовыми миграционно-мицелярными почвами верхних и средних частей склонов и стратоземами темногумусовы-ми нижних частей склонов (рис. 1). Общая тенденция почвенных катен карстовых воронок и почвенных ка-тен прилегающих некарстовых районов, образованных каштановыми и лугово-каштановыми почвами, — большая развитость гумусового горизонта почв подчиненных позиций. По нашему мнению, материал гумусового горизонта стратоземов темногумусовых имеет преимущественно аллохтонное происхождение и связан с аккумуляцией органо-минерального вещества, привносимого с более высоких гипсометрических позиций, в то время как материал гумусового горизонта лугово-каштановых почв имеет автохтонное происхождение. Формирование более мощного и гу-мусированного горизонта лугово-каштановых почв по сравнению с каштановыми почвами автономных позиций обусловлено полугидроморфными условиями почвообразования [3, 7].
Как отмечено выше, присутствие некоторых форм карбонатов (нитевидных светлых палево-белых налетов) в почвах верхних и средних частей склонов карстовых воронок позволяет высказать предположение, что в них наиболее выражена сезонная миграция почвенных растворов, в то время как для почв межвороночных пространств характерно направленное иссушение, а для почв нижних частей склонов — выщелачивание от карбонатов. При сравнении почвенных катен малой, средней и большой карстовых воронок наблюдается тенденция к уменьшению гумусирован-ности верхних почвенных горизонтов и увеличению карбонатности почв в ряду от катены Малой карстовой воронки к катенам Средней и Большой карстовых воронок.
Сравнение почвенных катен карстовых воронок сухостепных ландшафтов с почвенными катенами карстовых воронок северотаежных ландшафтов и ландшафтов широколиственных лесов позволяет выделить общие и специфические особенности почвообразования в условиях разного биоклиматического потенциала. Как в почвенных катенах карстовых воронок северотаежных ландшафтов и ландшафтов широколиственных лесов, так и в сопряжениях почв на склонах воронок сухостепных областей проявляются признаки улучшения структуры, увеличения мощности и гумусированности гумусово-аккумулятивного горизонта по направлению от верхних частей склонов воронок к нижним. При этом в сухостепных ландшафтах увеличение мощности гумусово-аккумулятив-ного горизонта наблюдается не только в почвах склонов, но и на протяжении всей почвенной катены — от почв межвороночных пространств к почвам нижних частей склонов [5, 14].
Как отмечено в предыдущих работах, почвенные катены карстовых воронок северотаежных ландшаф-
тов и ландшафтов широколиственных лесов характеризуются ослаблением выраженности радиальной дифференциации почвенных профилей в направлении от почв межвороночных пространств к почвам нижних частей склонов. Для почвенных катен карстовых воронок сухостепных ландшафтов характерна иная особенность — наиболее сложные по строению и радиально дифференцированные в пределах почвенных сопряжений почвы верхних и средних частей склонов, а не межвороночные почвы.
Для почв верхних и средних частей склонов характерны, вероятно, сезонные изменения в направленности латеральной миграции почвенных растворов. В периоды достаточного увлажнения (весна, осень) латеральные потоки почвенных растворов распространяются от почв межвороночных пространств к почвам нижних частей склонов, в то время как в сухой летний период в условиях недостаточного увлажнения направление латеральной миграции почвенных растворов совпадает с направлением градиента увлажненности — от более влажных почв нижних частей склонов к почвам межвороночных пространств.
На рис. 2 показано, что максимум содержания карбонатов приурочен к средним частям почвенных катен карстовых воронок. Этот максимум концентрации карбонатов может быть совокупным результатом бокового нисходящего с верхних частей склона потока растворов (в осенне-весенний период) и бокового восходящего потока пленочно-капиллярной влаги, направленного от более влажного днища воронки вверх по более сухому склону (летний период). Аналогичные особенности изменения направленности латеральной миграции почвенных растворов показаны в работе [4] на примере пустынно-степных почв Прикаспийской низменности.
Таким образом, в рассмотренных почвенных ка-тенах карстовых воронок сухостепных ландшафтов особенности распределения карбонатов обусловлены комплексом радиальных и латеральных процессов, приводящих к увеличению карбонатности почв в верхних и средних частях склонов (по сравнению с почвами межвороночных пространств и почв нижних частей склонов) за счет выпадения лабильных форм карбонатов (нитевидных налетов), и в результате — к увеличению радиальной контрастности почв.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агроклиматические ресурсы Оренбургской области. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 120 с.
2 Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд -во Моск. ун-та, 1970. 490 с.
3. Блохин Е.В. Экология почв Оренбургской области: почвенные ресурсы, мониторинг, агроэкологическое районирование. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 228 с.
4. Геннадиев А.Н. Почвы и время: модели развития. М.: Изд-во МГУБ, 1990. 232 с.
5. Геннадиев А.Н., Смирнова М.А. Почвенные катены на склонах карстовых воронок // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2012. № 3. С. 69—73.
Выводы:
— почвенные катены на склонах карстовых воронок сухостепных ландшафтов образованы маломощными радиально слабодифференцированными светлогумусовыми почвами и стратоземами темногу-мусовыми. В отличие от почв прилегающих некарстовых территорий они более карбонатны и неоднородны по содержанию валовых форм макроэлементов; в исследованных почвах карстовых районов отсутствуют конкреционные формы карбонатов, а также морфологические признаки проявления гипса;
— общая тенденция для почвенных катен сухо-степных ландшафтов карстовых и прилегающих некарстовых областей — увеличение мощности и повышение гумусированности почв на геохимически подчиненных позициях. Указанный тренд обусловлен разными причинами в пределах почвенных катен карстовых воронок и почвенных катен некарстовых областей. В первом случае материал гумусового горизонта имеет преимущественно аллохтонное происхождение и образован за счет латерального привноса гумусирован-ного вещества со склонов; во втором материал гумусового горизонта имеет в основном автохтонное происхождение, его особенности связаны с полугид-роморфными условиями почвообразования;
— анализ локализаций и форм карбонатных новообразований в почвах позволяет сделать вывод о более выраженных и разнонаправленных сезонных миграциях почвенных растворов в пределах сухостеп-ных почв в верхних и средних частях склонов карстовых воронок, иссушении сопряженных с ними почв межвороночных пространств и постепенном выщелачивании от карбонатов почв нижних частей склонов;
— наиболее сложными и радиально дифференцированными почвами в пределах почвенных катен карстовых воронок сухостепных ландшафтов являются почвы верхних и средних частей склонов. Эта особенность отличает почвенные катены карстовых воронок степных ландшафтов от почвенных катен карстовых воронок северотаежных ландшафтов и ландшафтов широколиственных лесов.
Авторы выражают благодарность М.И. Герасимовой и И.И. Лебедевой за консультации по классификации исследованных почв, а также В.М. Павлейчику за помощь в организации полевых исследований.
6. Горячкин С.В. Почвенный покров Севера (структура, генезис, экология, эволюция). М.: ГЕОС, 2010. 414 с.
7. Ерохина А.А. Почвы Оренбургской области. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 164 с.
8. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
9. Климентьев А.И., Павлейчик В.М., Чибилев А.А. и др. Почвы и ландшафты Кзыладырского карстового поля на Южном Урале // Почвоведение. 2007. № 1. С. 12—22.
10. Климентьев А.И., Чибилев А.А., Блохин Е.В., Грошев И.В. Красная книга почв Оренбургской области. Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 295 с.
11. Павлейчик В.М., Самсонов В.Б. Особенности условий карстогенеза Кзыладырского поля // Геология и полезные ископаемые Западного Урала. Пермь: ПГУ, 1997. С. 226—227.
12. Почвы Оренбургской области / Под ред. В.Д. Кучеренко. Челябинск: Южно-Уральское кн. изд-во, 1972. 125 с.
13. Рысков Я.Г., Демкин В.А. Развитие почв и природной среды степей Южного Урала в голоцене (опыт реконструкции с использованием методов геохимии стабильных изотопов). Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1997. 167 с.
14. Смирнова М.А., Геннадиев А.Н. Почвы карстовых воронок западного макросклона Южного Урала: свойства,
катенарные связи, региональные особенности // Почвоведение. 2012. № 6. С. 619—629.
15. Хохлова О.С., Хохлов А.С. Пространственная изменчивость свойств современных и погребенных голоценовых темно-каштановых почв Южного Приуралья // Почвоведение. 2002. № 3. С. 261—272.
16. Waltham T, Bell F, Culshaw M. Sinkholes and subsidence. Karst and cavernous rocks in engineering and construction. Chichester: Praxis Publishing Ltd, 2005. 382 p.
Поступила в редакцию 11.12.2012
M.A. Smirnova, A.N. Gennadiev
STEPPE SOIL FORMATION ON THE SLOPES OF KARST SINKHOLES (SOUTHERN CIS-URALS)
The article deals with the investigation of soil catenas on the slopes of karst sinkholes in a steppe region. Morphological, chemical, physical and physical-chemical properties of soil are described. Soil of karst sinkholes are compared with those of adjacent non-karst steppe regions and those of karst sinkholes in forest regions. It is shown that soil formation within a karst region is quite different from that of adjacent non-karst regions. Soils of the top and middle parts of the slopes are the most vertically differentiated within the steppe soil catenas.
Key words: soil geography, karst, soil catenas, steppe soil formation, carbonates, humus horizon.
