Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Захарихина Лалита Валентиновна

Особенности почвообразования и геохимии почв в условиях активного вулканизма (на примере Камчатки)

Специальность 03.00.27 - почвоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Новосибирск - 2009

Работа выполнена в Научно-исследовательском геотехнологическом центре Дальневосточного отделения РАН

Научный консультант:

доктор биологических наук, профессор, чл.-кор. РАН Шоба Сергей Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Курачев Владимир Михайлович;

доктор биологических наук, профессор Пузанов Александр Васильевич;

доктор географических наук, доцент Дюкарев Анатолий Григорьевич.

Ведущая организация:

Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН

Защита диссертации состоится 10 декабря 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.013.01 при Институте почвоведения и агрохимии СО РАН по адресу 630099, г. Новосибирск, ул. Советская, д. 18, ИПА СО РАН. Тел./факс 8(383) 222-76-52.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института почвоведения и агрохимии СО РАН.

Автореферат разослан «_____» _______________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор биологических наук Якименко В.Н.

ВВЕДЕНИЕ

вулканизм камчатка почвообразование

Актуальность проблемы. Специфика почвообразования в условиях активного вулканизма кардинально отличается от развития постлитогенных (нормальных, остаточных) почв. Она достаточно подробно описана в целом ряде работ, посвященных почвам Камчатки [Ливеровский, 1959, 1971; Герасимов, Ильин 1960; Зонн и др., 1963; Соколов, 1972, 1973; Соколов, Таргульян, 1964а, 1964б; Малинин, 1981; Кочерьян, 1991; Маречек, 2007]. Изучение особенностей генезиса, строения, свойств, классификационных различий региональных почв показало, что они тесно связаны с активной вулканической деятельностью. По масштабам воздействия вулканизм поставлен в один ряд с основными факторами почвообразования.

В последние десятилетия вулканологами получены новые, более детальные данные об истории голоценового вулканизма на Камчатке [Брайцева и др., 1985; Bursik и др., 1993; Мелекесцев и др., 1994; Брайцева и др., 1995, 1997; Мелекесцев и др., 1996; Брайцева и др., 2001]. На основе тефрохронологических исследований (тефра - пепел, переносимый по воздуху) установлены распространенность вулканических пеплов крупных извержений на территории Камчатки, их возрасты, петрохимические составы и принадлежность к источникам (вулканам). Показано, что за период, сопоставимый с продолжительностью современного почвообразования (голоцен), вулканические центры полуострова, находясь в разных стадиях своего развития, поставляли на поверхность Земли продукты извержений, отличающиеся составом, объемами и периодичностью выпадения.

В связи с этим, изучение влияния выявленных различий в деятельности вулканов Камчатки на формирование вулканических почв, в том числе на строение их профиля, состав и свойства его горизонтов, весьма актуально. Данные о возрасте и составе вулканических пеплов, залегающих в почвах региона, открывают возможность изучения скорости, динамики и специфики почвообразующих процессов.

Формирование геохимических свойств вулканических почв происходит в условиях регулярного поступления в них материала свежих вулканических пеплов, который, безусловно, влияет на трансформацию почвенного элементного состава. Однако целенаправленных научных исследований, посвященных изучению геохимических особенностей почв в условиях активного вулканизма Камчатки, до настоящего времени не проводилось, равно как и нет данных о региональном геохимическом фоне элементов в вулканических почвах. Имеющиеся сведения о содержании небольшого спектра микроэлементов в окультуренных почвах региона [Голов, Бахова, 1996] могут быть использованы в основном для решения агрохимических задач и совершенно недостаточны при экологической оценке качества почв по показателям их химического загрязнения. Поэтому изучение геохимических свойств вулканических почв полуострова представляется актуальным как в теоретическом, так и в практическом аспектах.

Цель исследований. Установить генетические особенности формирования, строения, состава и свойств вулканических почв Камчатки в связи с различными условиями почвообразования, обусловленными деятельностью вулканов, находящихся в разных стадиях развития.

Задачи:

1) провести анализ имеющихся данных об истории голоценового вулканизма на Камчатке и выявить различия в условиях почвообразования, связанные с разными стадиями его развития (ранней и зрелой);

2) на основе имеющихся тефрохронологических данных провести районирование полуострова с выделением провинций, различающихся условиями почвообразования, обусловленными спецификой деятельности вулканов, находящихся в разных стадиях развития;

3) внутри провинций выделить районы, в которых почвенные профили различаются по составу и возрасту их пепловых горизонтов в связи с принадлежностью к конкретным извержениям;

4) изучить особенности морфологических, химических и физико-химических свойств почв выделенных районов;

5) определить факторы, формирующие специфические свойства охристого диагностического горизонта вулканических почв;

6) установить региональный геохимический фон и геохимическую специализацию вулканических почв Камчатки относительно кларков химических элементов в почвах континентов;

7) выявить геохимические особенности почв, образованных на пеплах вулканов, находящихся в разных стадиях развития и отличающихся петрохимическим составом продуктов извержений;

8) изучить специфику формирования почвенно-растительного покрова в зоне современного эксплозивного вулканизма.

Научная новизна. В работе впервые:

? установлена связь генезиса вулканических почв Камчатки со стадиями развития вулканизма, которые различаются масштабами (объем, дальность разноса пеплов), частотой извержений и составом их продуктов;

? на основе различий в условиях почвообразования, обусловленных спецификой вулканической деятельности, проведено районирование полуострова с выделением двух провинций. Внутри провинций выделены районы, отличающиеся строением профилей почв по составу, возрасту и принадлежности их пепловых горизонтов к конкретным извержениям;

? установлено, что характерные свойства охристого диагностического горизонта центрального типа вулканических охристых почв обусловлены продолжительностью периода нахождения его в зоне активного почвообразования до перехода в погребенное состояние;

? внутри отдела вулканических почв выделено два новых типа - аллювиальные вулканические почвы и литоземы вулканические, занимающие промежуточное положение, соответственно, между вулканическими и аллювиальными почвами и вулканическими почвами и литоземами;

? предложено выделять слоисто-охристые почвы не на уровне подтипа охристых почв, а на правах самостоятельного типа внутри отдела вулканических почв с учетом характерных отличий свойств диагностических (охристых) горизонтов слоисто-охристых и охристых почв;

? установлен геохимический фон широкого спектра элементов в вулканических почвах Камчатки, показавший их низкий геохимический потенциал относительно почв континентов и общую региональную геохимическую специализацию, выражающуюся в устойчивых надкларковых фоновых содержаниях P, Cu и Se.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты исследований углубляют научные представления о влиянии вулканизма на почвообразование и расширяют классификационную и диагностическую базу для картографирования почвенного покрова территорий с активной вулканической деятельностью. Установленные особенности элементного химического состава почв, как в зонах активной эксплозивной деятельности вулканов, так и на удалении от них, раскрывают роль вулканических пеплов в формировании геохимических свойств вулканических почв. Полученные результаты могут служить основой для геохимического районирования почвенного покрова, выявления природных геохимических аномалий, а также оценки техногенного загрязнения почв и планирования природоохранных мероприятий. Данные о геохимическом фоне элементов в вулканических почвах Камчатки могут быть использованы при разработке нормативов ПДК и ОДК.

Защищаемые положения.

1. Генезис вулканических почв Камчатки определяется их связью с вулканическими центрами, находящимися в разных стадиях развития (ранней - базальтоидной и зрелой - кальдерообразующей), отличающихся масштабами (объем, дальность разноса пеплов), частотой извержений и составом их продуктов, что обусловливает различия в составе и строении почв, а также специфике почвообразовательных процессов.

2. Формирование специфических свойств охристого диагностического горизонта центрального типа вулканических охристых почв обусловлено продолжительностью периода нахождения его в зоне активного почвообразования до перехода в погребенное состояние.

3. Вулканические почвы Камчатки имеют низкий геохимический потенциал, а их общую геохимическую специализацию определяют P, Cu и Se, региональные фоновые содержания которых повсеместно превышают кларки для почв.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены и доложены на русско-японском полевом семинаре «Mineralization in Arc Volcanic-Hydrothermal Systems: from Model to Exploitation» (Петропавловск-Камчатский, 1998); Международных и Всероссийских научно-практических конференциях: «Полезные ископаемые: формирование, прогноз, ресурсы» (Санкт-Петербург, 1999), «Вулканизм и биосфера» (Туапсе, 2000), «Проблемы геологии и металлогении северо-востока Азии на рубеже тысячелетий» (Магадан, 2001), «Геоэкологические проблемы почвоведения» (Томск, 2002), «Стратегия развития Дальнего Востока: возможности, перспективы» (Хабаровск, 2003), «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (Иркутск, 2006), «Ноосферные изменения в почвенном покрове» (Владивосток, 2007); III и IV съездах Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000; Новосибирск, 2004); конгрессе INQUA (США, Невада, г. Рино, 2003); международном конгрессе почвенных наук (США, Филадельфия, 2006).

Материалы работы использованы при составлении ОВОСов (оценка воздействия на окружающую среду), проведении комплексного экологического мониторинга и оценке существующего состояния компонентов окружающей среды для ряда рудных объектов Камчатки (месторождения Шануч, Агинское, Асачинское, Родниковое, рудопроявления Порожистое, Озерновское).

Работа поддержана грантами РФФИ: 02-04-49845, 02-04-633166, 06-04-63055, 07-04-10060, 08-04-01432.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 36 научных работ, в том числе 10 статей в рецензируемых журналах из «Перечня…» ВАК.

Личный вклад автора. Автором осуществлялась постановка проблемы и методическая разработка путей ее решения, планирование и проведение полевых исследований, обработка, систематизация и интерпретация полученных данных, апробация и публикация результатов. Доля личного участия в публикациях, выполненных в соавторстве, пропорциональна числу соавторов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов. Список литературы содержит 218 источников. Работа изложена на 322 страницах и содержит 52 таблицы и 47 рисунков.

При идентификации пепловых горизонтов использовались тефрохронологические данные, а также устные консультации в полевых исследованиях вулканологов к.г-м.н О.А. Брайцевой, с.н.с. Л.И. Базановой, д.г-м.н. И.В. Мелекесцева. Описание почв Центральной Камчатки осуществлялось в сотрудничестве с проф. Л.О. Карпачевским, д.б.н. А.О. Макеевым, к.б.н. И.О. Алябиной, к.б.н. М.С. Маречек. Всем им автор сердечно признательна.

Автор благодарит научного консультанта чл.-кор. РАН С.А. Шобу за помощь и внимание, оказанные в ходе выполнения работы, выражает искреннюю признательность д.г.-м.н. Ю.П. Трухину, к.г-м.н. Ю.С. Литвиненко, к.г-м.н. Р.А. Шувалову, д.б.н. Т.И. Кузякиной, проф. В.О. Таргульяну, к.г-м.н. О.Б. Селянгину за ценные консультации и помощь в работе, а также благодарит всех, кто помогал в полевых исследованиях.

Глава 1. ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ АКТИВНОГО ВУЛКАНИЗМА И СВЕДЕНИЯ О СОДЕРЖАНИИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ

Все исследователи почв Камчатки [Ливеровский, 1959, 1971; Герасимов, Ильин 1960; Зонн и др., 1963; Соколов, 1972, 1973; Соколов, Таргульян, 1962, 1964; Малинин, 1981; Кочерьян, 1990; Маречек, 2007 и др.] отмечают характерные отличия камчатских почв от почв тех же широт, но развивающихся без участия вулканической деятельности. Почвы имеют полигенетическое строение, отличаются высокими содержаниями органического вещества, фульватным составом гумуса, слабокислой реакцией среды, невысокой насыщенностью почвенного поглощающего комплекса. Другой их специфической особенностью является частое присутствие в профилях ярко окрашенных охристых горизонтов BAN (Вохр) с высоким содержанием аморфных соединений полуторных оксидов.

Полученные данные о возрасте, составе и распространенности пеплов камчатских вулканов и характере их извержений в голоцене [Брайцева и др., 1985; Bursik и др., 1993; Мелекесцев и др., 1994; Брайцева и др., 1995, 1997; Мелекесцев и др., 1996] позволяют по-новому взглянуть на особенности протекания почвообразовательных процессов в условиях активного вулканизма Камчатки во временном и генетическом аспектах.

Синлитогенный характер почвообразования на Камчатке обусловливает особенности элементного состава почв, определяемые активной вулканической деятельностью. На сегодня нет данных о фоновых содержаниях элементов в вулканических почвах Камчатки. Имеющиеся сведения о глобальном геохимическом фоне почв [Виноградов, 1957; Малюга,1963; Ярошевский, 2004] позволяют оценить геохимическую специализацию вулканических почв региона в сравнении с общей распространенностью элементов в почвах континентов.

Анализ литературных данных показал возможность углубления научных представлений о влиянии вулканической деятельности на процесс почвообразования и необходимость детального изучения мало известных специфических особенностей геохимии вулканических почв Камчатки.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Работы выполнялись на западе, юге, юго-востоке Камчатки, в пределах территории центральной части полуострова, в незначительном удалении на юго-запад от северного вулканического центра Камчатки, севернее его (верховья р. Левая Озерная) и северо-западнее (мыс Утхолок, северо-западное побережье Камчатки). Установление особенностей формирования почв и растений в зоне современных вулканических пеплопадов проводилось вблизи действующего вулкана Карымский (восточное побережье Камчатки). В процессе работы применялись сравнительно--географический и сравнительно-хронологический методы исследования с изучением морфологических, физико--химических и химических свойств почв. Установление характерного времени образования зрелых поверхностных органогенных горизонтов почв проводилось методом хронорядов. При изучении геохимических особенностей вулканических почв и пеплов использован метод эталонных (ключевых) участков. Региональный геохимический фон элементов в почвах устанавливался по поверхностному органогенному горизонту вулканических почв.

Определение параметров геохимического фона для почв и пеплов выполнено традиционным в геохимии методом путем расчета среднегеометрических содержаний элементов (Сф) в пробах и стандартных множителей () как меры дисперсии включенных в расчеты значений [Соловов, 1990].

Анализ физико-химических и химических свойств почв и пеплов проведен стандартными общепринятыми методами [Аринушкина, 1970; Петербургский, 1968]. Определения валовых содержаний элементов в почвах проведено методом полуколичественного спектрального анализа (пробы анализировались на приборе ДФС-458 методом просыпки на трехфазной дуге). Для получения сведений о содержаниях элементов, концентрации которых находятся ниже предела обнаружения спектрального анализа (Se, Te, As, Sb, и др.), для наиболее характерных почв установлены валовые содержания элементов с применением масс-спектрометрического метода с индуктивно связанной плазмой (ICP). Разложение почв проводилось смесью фтористоводородной (HF), хлорной (HClO₄) и азотной (HNO₃) кислот. Установление зольного состава растительных проб проведено методом полуколичественного спектрального анализа. Растворимые формы микроэлементов в почвенных пробах извлекались ацетатно-аммонийной (рН = 4.8) вытяжкой. Отношение тв. : жидк. = 1 : 10. Содержание элементов в вытяжках устанавливалось ICP методом. За время полевых работ заложено и описано 142 разреза, отобрано и проанализировано 888 образцов почв, вулканических пеплов и растений.

Глава 3. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ

Климат. Восточное побережье Камчатки характеризуется влажным и относительно мягким климатом, с контрастными температурными условиями и условиями увлажнения. Климат территории западной части полуострова, прилегающей к побережью Охотского моря, умеренно континентальный, годовое количество осадков составляет 850-1000 мм, годовой коэффициент увлажнения (по Иванову) составляет 2.5. Климат подобласти, расположенной у южных отрогов Восточного хребта Камчатки, континентальный: средняя годовая температура - от минус 2 до минус 4^оС, среднегодовое количество осадков - 500-700 мм. Центральная часть полуострова, отделенная от моря горными хребтами, характеризуется наиболее континентальным климатом для Камчатки. Коэффициент увлажнения колеблется от 1 до 1.5, годовое количество осадков - 350-700 мм. Климат северной части полуострова, переходный от умеренно континентального к морскому. Среднее годовое количество атмосферных осадков в районе составляет ~ 500 мм. Годовой коэффициент увлажнения >1.33.

Растительность. Определяющими в растительном покрове изученных территорий являются сообщества каменноберезовых лесов. В районах среднего течения рек Центральной Камчатской депрессии почвы развиваются преимущественно под пологом лиственничных лесов.

Рельеф. В пределах полуострова выделяют 5 крупных геоморфологических структур: горная зона Срединного хребта, зона Восточного хребта, цепь гористых полуостровов к востоку от зоны Восточного хребта, Центральная Камчатская депрессия, Западно-Камчатская низменность. Вдоль полуострова тянутся два хребта - Срединный (западный) и Восточный, между которыми располагается обширная долина р. Камчатки.

Почвообразующие породы. Роль почвообразующих пород для дневных и погребенных органогенных горизонтов вулканических почв южной и центральной частей полуострова выполняют преимущественно риолито-дацитовые пеплы крупных извержений вулканов южной Камчатки. На севере полуострова почвообразующими породами являются андезитовые и андезито-базальтовые продукты извержений вулканов северной группы.

Таким образом, высокопродуктивные растительные сообщества (преимущественно каменноберезовые, реже лиственничные леса), распространенные на Камчатке, обеспечивают богатство почв полуострова органическим веществом. Влажный и холодный гумидный климат, обусловливает промывной водный режим, иллювиальные почвенные процессы и слабую трансформацию вулканических пеплов, составляющих минеральную основу почв. Вхождение в состав пеплов преимущественно вулканического стекла и незначительного количества силикатных минералов определяет их низкий геохимический потенциал как источника химических элементов для почв.

Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С РАЗНЫМИ СТАДИЯМИ РАЗВИТИЯ ВУЛКАНИЗМА

Наиболее полные представления о генезисе, строении, составе и свойствах вулканических почв Камчатки в связи с активной деятельностью вулканов изложены в монографии И.А. Соколова [1973]. На территории полуострова им выделены зоны, отличающиеся степенью влияния пеплопадов на процессы почвообразования по мере удаленности от активных вулканических центров. В виду отсутствия в то время сведений о генетической принадлежности голоценовых вулканических пеплов, на которых образованы почвы Камчатки, предложенная в монографии широтная зональность интенсивности пеплопадов, как фактора почвообразования, связывалась только с вулканическими центрами на восточном побережье полуострова, характеризующимися активной современной деятельностью (рис. 1, а). Согласно разработанной И.А Соколовым схемы, вулканические почвы фактически всей территории Камчатки образованы на пеплах именно этих вулканов.

Полученные в 80-90 гг. прошлого столетия новые данные тефрохронологических исследований показали, что почвенный покров от юга полуострова вплоть до его центральной части образован на пеплах, преимущественно кислого состава, редких катастрофических кальдерообразующих извержений вулканов южной Камчатки. Деятельность вулканов восточной вулканической зоны, сопровождающаяся слабыми, часто повторяющимися извержениями пирокластического материала среднего и основного составов, оказывает влияние на почвообразование лишь в их окрестностях, не формируя вышеуказанную региональную зональность условий почвообразования. И только более крупные извержения вулканов северной группы этой зоны (Шивелуч, Безымянный, Толбачик) влияют на образование почв обширной территории на севере полуострова (рис. 1, б):

а) 1 - зона слабых пеплопадов, 2 - зона умеренных пеплопадов, подзона ослабленных пеплопадов, 3 - зона умеренных пеплопадов, 4 - зона интенсивных пеплопадов.

б) 1 - область влияния андезитовых пеплов слабых, часто повторяющихся извержений на ранней стадии развития вулканов: 1.1 - район влияния пеплопадов более древних извержений вулкана Шивелуч; 1.2 - район влияния пеплопадов современных извержений вулканов северной группы, включая современные извержения вулкана Шивелуч; 2 - область влияния риолитодацитовых пеплов редких катастрофических извержений на зрелой кальдерообразующей стадии развития вулканов: 2.1 - территория развития почв, сформированных на древних пеплах извержений вулканов Опала и Ксудач; 2.2 - район распространения почв, поверхностные горизонты которых образованы на пеплах современного извержения вулкана Ксудач, погребенные горизонты - на древних пеплах извержений вулканов Опала и Ксудач; 2.3 - территория развития почв, образованных на древних кислых пеплах неопознанной принадлежности; 2.4 - локальные ареалы влияния современных пеплопадов вблизи действующих вулканов; 3 - территория с несущественным влиянием пеплопадов; 4 - район распространения почв, образованных на пеплах вулканов южной Камчатки, переслаивающихся с пеплами дальнего переноса (Курильские острова).

Проведенное нами сопоставление контуров зон, выделенных И.А Соколовым [1973], с ареалами идентифицированных и датированных пирокластических отложений показало, что генезис почв Камчатки обусловлен, не разной удаленностью от вулканов, а их связью с вулканическими центрами, находящимися в разных стадиях своего развития [Захарихина, 2008б ].

Рис. 1. Районирование территории Камчатки по влиянию интенсивности пеплопадов на процессы почвообразования по И.А. Соколову [1973] (а) и проведенное с учетом деятельности вулканических центров, находящихся в разных стадиях развития [Захарихина, 2008б] (б).

В самом общем виде для вулканической деятельности характерна длиннопериодная цикличность. Самая первая, наиболее молодая (базальтоидная) стадия активного роста вулкана (вулканического центра) характеризуется часто повторяющимися извержениями незначительного количества пирокластического материла преимущественно базальтового, андезито-базальтового составов. Далее наступает длительный период покоя, который может заканчиваться крупным кальдерообразующим извержением, продукты которого имеют риолитовый, риолито-дацитовый составы. Внутри образовавшейся кальдеры может начаться формирование нового базальтового конуса, и цикл может повториться. Каждой стадии соответствуют свои комплексы пирокластических отложений, имеющие определенный петрохимический состав и характерный объем извергнутого материла [Макдональд, 1975; Действующие вулканы Камчатки, 1991].

Кроме отмеченной разницы в частоте извержений и составе поставляемого материала, молодая и зрелая стадии развития вулканов отличаются дальностью разноса пеплов и их объемами. Выделяется комплекс факторов влияния вулканизма на почвообразование, характерный для разных стадий развития вулканов, включающий масштаб (объем, дальность разноса пеплов), частоту извержений и состав их продуктов.

Провинции и районы вулканических почв Камчатки

Проследить особенности почвообразования, обусловленные влиянием вулканизма разных стадий его развития, можно путем сравнения почв, сформировавшихся в голоцене под влиянием деятельности вулканов северной группы Камчатки и активных вулканических центров южной части полуострова. С этой целью нами выделено две основных почвенных провинции Камчатки (рис. 2):

1. Южная, для которой типичными являются почвы, образованные преимущественно на пеплах вулканов южной Камчатки (Опала, Ксудач, Курильское озеро). Последние находятся в зрелой фазе развития вулканизма - с редко происходящими крупными кальдерообразующими извержениями, продукты которых имеют риолитовый и риолито-дацитовый составы.

2. Северная, в пределах которой развиты почвы, сформированные на пеплах вулканов северной группы Камчатки (Шивелуч, Толбачик, Безымянный, Ключевская сопка), находящихся в молодой базальтоидной стадии развития с часто происходящими извержениями незначительного количества пирокластического материла преимущественно базальтового, андезито-базальтового составов.

Внутри выделенных крупных провинций для отдельных территорий характерны почвенные профили, имеющие сходное строение по составу слагающих их идентифицированных и датированных пепловых горизонтов.



Рис. 2. Провинции и районы вулканических почв Камчатки: 1 - районы внутри почвенных провинций, в пределах Северной провинции: I - Восточный, II - Западный; в пределах Южной провинции: I - Западный, II - Центральный, III - Юго-Восточный; 2 - возраст приповерхностных пеплов (лет); 3 - граница между почвенными провинциями; 4 - границы районов внутри провинций; 5 - граница между почвами, поверхностные горизонты которых сформированы на пеплах идентичного состава вулканов Опала и Ксудач в пределах Центрального района Южной провинции; 6 - локальные ареалы свежих пеплов вблизи действующих вулканов Камчатки; 7 - места заложения опорных почвенных разрезов.

Границы этих территорий можно проследить по ареалам вулканических приповерхностных пеплов, которые в целом повторяют почвенные районы с идентичными пепловыми горизонтами, отложившимися в результате известных крупных извержений вулканов Камчатки в голоцене. Приповерхностные пеплы (ПП) Камчатки, залегающие под поверхностными органогенными горизонтами вулканических почв, отличаются петрохимическим составом (от андезито-базальтового до риолито-дацитового) и возрастом (~ от 50 до 3000 лет), что позволяет:

1) сравнить свойства почв, образованных на вулканических пеплах различного петрохимического состава, в сходных ландшафтных условиях;

2) на основе серии пространственно сопряженных почв с разными возрастами поверхностных почвенных горизонтов, отождествляемых с последовательными стадиями их развития во времени, оценить скорость протекания почвенных процессов.

Выделение районов с характерным строением почвенных профилей, петрохимическим составом и возрастом ПП, на которых образованы поверхностные органогенные горизонты почв, проведено на основе тефрохронологических данных о распространении идентифицированных прослоев пеплов [Брайцева и др., 1985; Bursik и др., 1993; Мелекесцев и др., 1994; Брайцева и др., 1995, 1997; Мелекесцев и др., 1996]. При решении этой задачи в ходе полевых исследований уточнены границы ареалов распространения пеплов извержений трех вулканов. На Западном побережье определен ареал распространения приповерхностного пепла, ранее по данным тефрохрнологических исследований не выделявшегося [Захарихина, Шоба, 2003]. В результате проведенного районирования в пределах Южной провинции выделено три района: Западный, Центральный и Юго-Восточный; в пределах Северной провинции - два района: Восточный и Западный, отличающиеся набором пепловых горизонтов, слагающих профили вулканических почв.

Почвы, распространенные в пределах Южной и Северной провинций, охарактеризованы в соответствии с «Классификацией почв России» [2004] (далее - Классификация). По генезису они относятся к стволу синлитогенных почв (согласно Классификации). Для Западного района Южной провинции характерны вулканические охристые типичные почвы, для Юго-Восточного - вулканические слоисто-охристые. В Центральном районе Южной провинции наиболее распространены вулканические охристые типичные, в его южной части, расположенной в непосредственной близости к вулканам южной Камчатки, локальными участками развиты вулканические слоисто-охристые почвы.

В Восточном районе Северной провинции (вблизи вулканов северной группы) распространены слаборазвитые слоисто-пепловые почвы, на удалении от вулканов северной группы в Западном районе Северной провинции - вулканические слоисто-охристые и охристые типичные почвы.

В условиях высокогорных элювиальных ландшафтов и на поверхностях средних, реже нижних речных террас, описаны почвы, имеющие устойчивые признаки, включающие в свои профили пепловые горизонты и не отвечающие диагностики ни одному из известных (согласно Классификации) типов вулканических почв. Первые выделены как литоземы вулканические, поскольку, кроме продуктов выветривания горных пород, в мелкоземистом заполнителе дресвяно-щебнистого элювио-делювия, на котором образованы органогенные горизонты, присутствует пирокластический материал. Вторые, развитые в долинах крупных рек Камчатки, имеющие в верхней части профиля строение аналогичное вулканическим почвам, а в нижней - аллювиальным, названы аллювиальными вулканическими. И те, и другие отнесены к отделу вулканических почв на правах самостоятельных типов. Специфическое строение аллювиальных вулканических почв обусловлено раннеголоценовыми пойменными процессами, в результате которых в частях речных долин, которые ныне являются террасами среднего уровня, а в начале голоцена были поймами или руслами рек, не происходило отложения вулканических пеплов.

В Классификации вулканические слоисто-охристые почвы являются подтипом вулканических охристых почв. Однако принципиальные их отличия от охристых почв заключаются не только в количестве элементарных почвенных профилей и мощности пепловых отложений (согласно Классификации). Почвы содержат меньшие количества оксалаторастворимых полуторных оксидов в охристых горизонтах, сложены более грубым, часто менее выветренным пирокластическим материалом, чем охристые почвы. Это обусловлено тем, что пеплы, слагающие горизонты слоисто-охристых почв, находились в зоне активного почвообразования меньшие промежутки времени, чем продукты вулканических извержений, входящие в состав подобных горизонтов охристых почв. Различный генезис почв, сформировавший несколько отличные свойства их диагностических горизонтов, позволяет выделять слоисто-охристые почвы в самостоятельный тип отдела вулканических почв.

Западный район Южной провинции наиболее удален от центров активного вулканизма. Для вулканических охристых почв, развитых на этой территории, характерен наименее расчлененный пепловыми прослоями почвенный профиль [Захарихина, 2002]. В его верхней части под поверхностным органогенным горизонтом залегает риолито-дацитовый светло-серый пепел, имеющий возраст 2920 лет. Именно этот пепел послужил основанием для выделения на территории (согласно Почвенной карте РСФСР М 1:2,5 млн. [1988]) вулканических подзолисто-охристых почв. Светло-серый приповерхностный пепел имеет легкий гранулометрический состав (супесь, легкий суглинок) и достаточно зрелый (для почвенных процессов) возраст; мощность его незначительна, варьирует в пределах 3-6 см. За счет легкого механического состава и достаточно зрелого возраста он в значительной степени проработан почвенными процессами. Горизонт плохо отслаивается от вышележащего грубогумусового горизонта, содержание гумуса в нем составляет от 4 до 8%, что позволяет диагностировать его скорее как гумусово-аккумулятивный, а не подзолистый горизонт.

В средней части профиля почв всегда развит охристый горизонт BAN, характеризующийся явлением псевдотиксотропии и аномально высоким содержанием валового железа (8-10%) и алюминия (15-20%). Горизонт является продуктом извержений разных источников и отчасти результатом вторичного переотложения пеплов. Почвы характеризуются высокими содержаниями органического вещества. Потери при прокаливании в поверхностных грубогумусовых горизонтах составляют ~ 53-80%. Содержание гумуса в гумусовых горизонтах высокое - до 8-10%. Реакция среды в почвах кислая и слабокислая. Степень насыщенности основаниями низкая, в среднем 30-40%. Наиболее насыщены основаниями поверхностные грубогумусные горизонты (40-60%). Для охристых иллювиальных горизонтов характерно накопление несиликатных форм железа и алюминия до 3,7 и 11,9%, соответственно.

Для большей части территории Центрального района Южной провинции характерен профиль, состоящий из трех элементарных профилей, в нижней части которого выражен охристый горизонт [Захарихина, 2006]. Последние образовались в результате двух крупнейших кальдерообразующих извержений вулканов южной Камчатки. Одно из них произошло на вулкане Ксудач ~ в 236 г. н.э., другое - на вулкане Опала ~ в 606 г. н.э. Поверхностный органогенный горизонт почв этого района залегает на риолито-дацитовом пепле извержения вулкана Опала. Пеплы названных извержений всегда легко распознаются в профиле, имеют характерные признаки: окраску, сложение, крупность материала, порядок залегания и образуют обширные, хорошо выдержанные ареалы, что явилось основанием для выделения в классификации И.А. Соколова [1973] и впоследствии в Классификации почв России [2004] центрального типа вулканических почв - охристых типичных. В них, согласно диагностическим характеристикам, должны насчитываться три элементарных профиля и присутствовать охристый иллювиально-метаморфический горизонт. Почвы района богаты органическим веществом, слабо насыщены основаниями и имеют, кислую или слабо кислую реакцию среды.

В Юго-Восточном районе Южной провинции развиты слоисто-охристые почвы [Захарихина, 2008б], сложенные четырьмя элементарными профилями, первый из которых подстилается андезито-базальтовым пеплом недавнего (1907 г.) извержения вулкана Ксудач. Средняя и нижняя часть профиля этих почв идентична той, что характерна для почв Центрального района. Пепел, на котором сформировался поверхностный органогенный горизонт почв Юго-Восточного района, имеет достаточно грубый гранулометрический состав (крупный песок с дресвой), молодой даже для почвенных процессов возраст (100 лет - период с момента извержения вулкана Ксудач в 1907 г.), мощность его варьирует в пределах 15-20 см. Залегающий на нем поверхностный органогенный горизонт всегда очень хорошо отслаивается от нижележащей толщи. Приповерхностный пепел диагностируется как почвоподстилающий горизонт D. Характер подобного строения верхней части профиля почв является их специфической особенностью. На территориях, где поверхностные органогенные горизонты залегают на значительно более древних и тонких пеплах, последние являются гумусово-аккумулятивными (Западный район Южной провинции) или почвообразующими (Центральный район Южной провинции) горизонтами. По физико-химическим свойствам почвы Юго-Восточного района Южной провинции характеризуются сходными с описанными выше почвами Центрального района.

Слоисто-пепловые почвы Восточного района Северной провинции, развитые в непосредственной близости от вулканов северной группы Камчатки, содержат в среднем от шести до восьми элементарных профилей, в каждом из которых выражены органогенные горизонты и подстилающие их вулканические пеплы базальтового, андезитового составов [Захарихина, 2006]. Поверхностные органогенные горизонты образованы здесь на молодых андезитовых пеплах извержений 1975-1976 гг. вулкана Толбачик и извержения 1956 г. вулкана Безымянный. В этих почвах не выражены охристые иллювиально-метаморфические горизонты. Все минеральные прослои, сложенные вулканическими пеплами, фактически не выветрены, слабо трансформированы. Для почв Восточного района характерно довольно низкое содержание гумуса - как в поверхностных, так и в погребенных органогенных горизонтах ~ 1-2.4%, реакция среды в них варьирует от слабокислой до нейтральной (рН - 5.9-7), степень насыщенности основаниями составляет ~ 48-80%.

При удалении на запад от центра активного вулканизма северной группы (Западный район Северной провинции) количество элементарных профилей снижается до трех - четырех. Наиболее четко в почвах диагностируются пеплы древних извержений вулкана Шивелуч разных периодов его активности. Они подстилают три-четыре органогенных горизонта в верхней и средней части профиля почв [Захарихина, 2009б]. Пеплы имеют белесую окраску, супесчаный состав, по химическому составу являются андезитовыми.

Особенности почвообразования на вулканических пеплах различного возраста и петрохимического состава

Проведен сравнительный анализ свойств почв Северной провинции, сформированных на пеплах вулканов, находящихся в молодой базальтоидной стадии развития, и почв Южной провинции, образованных под влиянием вулканизма зрелой кальдерообразующей стадии [Захарихина, 2006]. Для почв, образованных на пеплах северной группы вулканов, использованы данные по Восточному району Северной провинции, где наиболее выражено влияние ранней стадии вулканической деятельности на процесс почвообразования. Установлены отличия почв по следующим характеристикам:

? строение почвенных профилей;

? частота встречаемости в почвах охристых горизонтов;

? содержание оксалаторастворимых форм кремния, железа и алюминия в средних и нижних частях профилей почв;

? содержание гумуса в органогенных горизонтах;

? степень насыщенности почв основаниями;

? реакция среды (рН) органогенных горизонтов.

Различное строение почв (количество элементарных профилей) связано с частотой извержений вулканов. Ранняя стадия вулканизма сопровождается часто повторяющимися событиями. Отсюда - преимущественное развитие вблизи вулканов северной группы Камчатки, находящихся в этой фазе развития, слоисто-пепловых вулканических почв (Восточный район Северной провинции).

Значительно более крупные и редкие по периодичности извержения вулканов южной Камчатки, находящихся в зрелой кальдерообразующей стадии, способствовали формированию на территориях Западного, Центрального и Юго-Восточного районов Южной провинции вулканических охристых почв, в разрезах которых выделяется два-четыре элементарных профиля, имеющих обширные выдержанные ареалы распространения.

В почвах Южной провинции в сравнении с почвами, распространенными в пределах Северной, значительно чаще, фактически повсеместно развиты охристые горизонты BAN. Наиболее вероятностные факторы, обусловливающие эту особенность:

- биоклиматические условия;

- состав извергнутого материала;

- время залегания пеплов в зоне активного почвообразования;

- частота выпадения вулканических пеплов;

- степень выраженности иллювиальных процессов в почвах.

Из представленных данных (табл. 1) видно, что охристые горизонты формируются в разных биоклиматических условиях - на западе, юге, юго-востоке и севере полуострова. Состав материала, их слагающих, различен - от андезитового до риолитового, то есть первые два из вышеназванных факторов не оказывают существенного влияния на формирование специфических свойств этих образований. В охристых почвах нередко диагностируются слабо трансформированные вулканические пеплы более древнего возраста, залегающие глубже охристых горизонтов и не обнаруживающие их характерных признаков: ни по степени выветрелости (явление псевдотиксотропии), ни по содержанию несиликатных форм железа и алюминия [Захарихина, 2008б].

На западе Камчатки такие древние, слабо трансформированные пепловые горизонты, залегающие глубже охристых, сформированы пеплом извержения вулкана Хангар, его возраст ~ 7770 лет. На юге полуострова они образованы извержением вулкана Курильское озеро, возраст пепла составляет ~ 7600 лет. В отличие от них пеплы, слагающие охристые горизонты, достаточно длительно не перекрывались молодыми пирокластическими образованиями. Как видно из данных табл. 1, в разных районах этот период составил от 622 до 5140 лет. После перекрытия почвы вулканическим пеплом, выветривания пепловых горизонтов, перешедших в погребенное состояние, фактически не происходит (например, пепел вулканов Хангар и Курильское озеро).

Это объясняет отсутствие охристых горизонтов и, соответственно, охристых почв в Восточном районе Северной провинции, вблизи активно действующих вулканов северной группы. Частое перекрытие почв вулканическими пеплами не позволило образоваться в них охристым горизонтам. Все пепловые горизонты, слагающие почвы, до момента их погребения находились в зоне активного почвообразования непродолжительные промежутки времени.

Обращает на себя внимание связь возрастных характеристик приповерхностных пепловых горизонтов современных почв и содержания в их охристых горизонтах несиликатных форм железа и алюминия (табл. 1).

Таблица 1. Состав и возрастные характеристики охристого горизонта почв

Район распространения	Состав материала	Календарный возраст, лет	Время нахождения в зоне активного почвообразования	Возраст приповерхностных пеплов (приблизительно)	Содержание несиликатных форм Al2O3/ Fe2O3
Западное побережье, р. Утка	А	~ 6900 лет	3980 лет	2920 лет	4.5/11.7
Западное побережье, р. Ича	А	~ 6900 лет	3980 лет	2920 лет	3.7/5.0
Западное побережье, р. Ага	А	~ 6900 лет	3980 лет	2920 лет	-
Юг Камчатки, оз. Толмачево	Р	~ 3500 лет	3400 лет	1400 лет	3.1/8.6
Юг Камчатки, среднее течение р. Карымчина	Р	~ 3500 лет	3400 лет	1400 лет	3.3/10.7
Юг Камчатки, окрестности п. Начики	А	~ 6900 лет	5140 лет	1400 лет	3.4/11.3
Север полуострова, р. Лев. Озерная	-	Более 3000	622 лет	350 лет	4.8/13.8
Юго-восток, р. Вилюча	А	~ 6900 лет	5140 лет	100 лет	2.7/8.6
Юго-восток, г. Петропавловск-Камчатский	А	~ 6900 лет	5140 лет	100 лет	2.0/3.5
Окрестности вулкана Карымский	А	~ 3000-6100	3300 лет	Современные пеплы	1.5/4.0

Примечание. «-» нет данных, А - андезитовый, Р - риолитовый.

Распределение оксалаторастворимых форм кремния, железа и алюминия в почвах с ПП 2920- и 1400-летнего возраста показывает накопление подвижных продуктов почвообразования в погребенных гумусовых и иллювиальных горизонтах. Содержание железа составляет в среднем 3--4%, алюминия - 7--11%. В почвах с возрастом ПП 100 лет увеличение содержания этих элементов в нижней части профиля менее значительно (2--3 и 3--8% соответственно) (рис. 3).

В почвах, сформированных на молодых пеплах вулканов северной группы Камчатки (возраст ПП 50 лет), содержание несиликатных форм железа и алюминия по всему профилю низкое и фактически не варьирует.

Приведенные характеристики распределения подвижных форм элементов по профилям почв с разновозрастными ПП показывают слабую выраженность иллювиальных процессов в почвах с молодыми поверхностными горизонтами и очевидную зависимость степени их развития от фактора времени.

Вероятно, перекрытие почвы вулканическим пеплом имеет определенный “консервирующий” эффект для иллювиальных процессов.

Возраст ПП 2920 лет (Западный район Южной провинции)

Разр. К15-02 (среднее течение р. Утка) Разр. Ш8-02 (среднее течение р. Ича)

Возраст ПП 1400 лет (Центральный район Южной провинции)

Разр. К13-02 (пос. Начики) Разр. Кр37-05 (р. Карымчина)

Возраст ПП 100 лет (Юго-Восточный район Южной провинции)

Разр. Н1-00 (окрестности г. Петропавловска) Разр. РД4-03 (верховье р. Вилюча)

Возраст ПП 50 лет (Восточный район Северной провинции)

Разр. К3-02 (45 км на юго-запад от пос. Козыревск) Разр. К5-02 (окрестности пос. Козыревск)

Рис. 3. Зависимость распределения оксалаторастворимых форм кремния, железа, алюминия (%) по профилям вулканических почв от возраста приповерхностных пеплов (ПП)

На свежевыпавших пеплах образуются новые почвенные профили с преобладанием процесса гумусонакопления. Именно поэтому в почвах Восточного района Северной провинции, достаточно часто перекрывавшихся вулканическими пеплами, не отмечается накопления продуктов иллювиирования. Эффект относительной консервации - прекращения или, скорее, резкого замедления элементарных почвенных процессов перекрывающими пеплами - ранее отмечался в работе О.И. Малинина [1981]. На свежевыпавших пеплах образуются новые почвенные профили с преобладанием процесса гумусонакопления. Так, не успел развиться процесс иллювиирования подвижных продуктов почвообразования в почвах, перекрывавшихся пеплом 100 лет назад (пеплом извержения вулкана Ксудач в 1907 г.).

Свидетельством развития в вулканических почвах Камчатки процесса иллювиирования и соответственно его роли в формировании характерных особенностей охристых горизонтов надо считать уже сам факт различий в распределении несиликатных форм железа и алюминия по профилям почв с разновозрастными ПП. Максимальное содержание этих соединений в охристых горизонтах характерно для почв, редко и относительно долго не испытывавших эффект «омоложения» за счет перекрытия поверхности пепловым материалом.

В почвах, перекрытых вулканическими пеплами сравнительно недавно, содержание полуторных оксидов в охристых горизонтах ниже. Если бы присутствие несиликатных форм R₂O₃ было связано лишь со степенью выветрелости пеплов, то концентрации этих соединений во всех почвах, содержащих охристые горизонты, были бы схожи.

Явление псевдотиксотропии, свидетельствующее о сильной выветрелости пеплов, слагающих охристые горизонты, связано с продолжительным периодом времени нахождения их в зоне активного почвообразования. В дальнейшем выветреллость пеплов способствует накоплению в охристых горизонтах подвижных продуктов почвообразования. Наличие охристого горизонта в вулканических почвах обеих провинций является индикатором длительных перерывов активной вулканической деятельности.

Почвы, образованные на различных по составу и возрасту вулканических пеплах, отличаются также степенью насыщенности почв основаниями, реакцией среды (рН) органогенных горизонтов и содержаниями гумуса (табл. 2). Отличия в реакциях среды и степени насыщенности почв основаниями связаны с особенностями химического состава пеплов, на которых образованы почвы. Средние пеплы андезито-базальтового и андезитового составов в сравнении с тефрой кислого состава богаче щелочно-земельными основаниями. Повышенная насыщенность почв основаниями и, соответственно, более нейтральная реакция среды в северных почвах связаны с тем, что образованы они на пеплах, насыщенных большим набором легко подвижных элементов, в том числе кальцием и магнием. Низкое содержание гумуса в почвах, распространенных вблизи вулканов северной группы Камчатки связано с замедленной гумификацией органического вещества в условиях частого поступления на поверхность свежего пирокластического материала.

Таблица 2. Сравнительный анализ физико-химических свойств почв, образованных на разных вулканических пеплах

Территории	Содержание гумуса в органогенных горизонтах, %	рН (водный) органогенных горизонтов	Степень насыщенности основаниями органогенных горизонтов, %	Валовые содержания кальция/ магния в подстилающих вулканических пеплах, %
Южная провинция, n = 12	3.2--10.5	4.8--5.9	6.7--42.5	3/1.9
Восточный район Северной провинции, n = 10	1.3--2.8	5.9--6.9	41.4--73.9	6.6/3.0

Характерное время образования зрелых органогенных горизонтов, образующихся на свежих вулканических пеплах, можно установить, сравнив содержание гумуса в почвах, поверхностные органогенные горизонты которых образованы на разновозрастных вулканических пеплах (табл. 3). Близкое содержание гумуса в почвах с возрастом ПП 100 лет и почвах с более древними ПП позволяют утверждать, что на свежих вулканических пеплах зрелый поверхностный органогенный горизонт формируется за период порядка 100 лет. Низкое содержание гумуса в поверхностных органогенных горизонтах почв, развитых в пределах Восточного района Северной провинции (возраст ПП ~ 50 лет) может свидетельствовать о незрелости последних.

Состав гумуса в зависимости от степени зрелости органогенных горизонтов не меняется. Отношения углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот в почвах всех районов с разновозрастными ПП стабильны, составляют значения от 0.39 до 0.54 (табл. 3).

Таблица 3. Гумусное состояние почв, образованных на разновозрастных вулканических пеплах

Показатели	Западный район Южной провинции (ПП 2920 лет)	Центральный район Южной провинции (ПП 1400 лет)	Юго-Восточный район Южной провинции (ПП 100 лет)	Восточный район Северной провинции (ПП 50 лет)
Гумус, %	3.9-10.0	4.0-10.5	3.2-9.5	1.3-2.8
Сг.к./Сф.к.	0.48-0.53	0.39-0.45	0.49-0.54	0.39-0.49

Еще одно свидетельство незрелости органогенных горизонтов почв, образованных на молодых пеплах северной группы вулканов, обнаружилось при сравнении свойств почв, развитых под различными типами растительных сообществ. Почвы, сформированные под разными типами растительности на молодых пеплах Восточного района Северной провинции, ни по характеру сложения поверхностных горизонтов, ни по их физико-химическим свойствам не обнаруживают существенных различий, что, вероятно, также является доказательством их незрелости. В то же время, главную роль в дифференциации вулканических почв внутри районов Южной провинции и Западного района Северной провинции играет растительность. Основными отличительными признаками почв, образованных под разными растительными сообществами в этих районах, являются: характер сложения верхних органогенных горизонтов, проявление процессов оподзоливания верхних элементарных почвенных профилей, выраженность в них иллювиально-гумусовых процессов. Отмеченные отличия позволяют производить разделение на подтипы внутри типов вулканических почв по типам растительных сообществ.

...