Почвенные катены на склонах карстовых воронок

УДК 631.4

А.Н. Геннадиев1, М.А. Смирнова2

ПОЧВЕННЫЕ КАТЕНЫ НА СКЛОНАХ КАРСТОВЫХ ВОРОНОК

Статья посвящена исследованию особенностей почвообразования на склонах 16 карстовых воронок на Беломорско-Кулойском плато и Южном Урале. Показано, что по направлению от верхних частей склонов к нижним увеличивается мощность гумусовых горизонтов и уменьшается их гумусированность, снижается мощность и ухудшается степень морфологической выраженности текстурных и метаморфических горизонтов. Почвы нижних частей склонов карстовых воронок, формирующиеся в разных топо- и литологических условиях, более сходны между собой, чем почвы средних и верхних частей склонов.

Ключевые слова: география почв, карстовые районы, карстовые воронки, катенарные сопряжения почв.

Введение. Распределение почв на земной поверхности представляет собой сложную мозаичную картину. Территориальные различия в строении почвенного покрова — это совокупный результат проявления нескольких основных закономерностей географии почв, к которым относятся: а) биоклиматическая зональность почв; б) литогенная дифференция почвенного покрова; в) его историко-хронологическое разнообразие, г) топогенно-геохимическая сопряженность почв [4].

Последнюю из перечисленных, но равную по значимости закономерность — латерально-геохимические связи между компонентами почвенного покрова — изучали многие исследователи в различном пространственном масштабе: континенты в целом как области выноса материала в океаны; склоны горных систем, возвышенности и речные долины, озера как зоны сноса, транзита и аккумуляции вещества; катенарные сопряжения почв в пределах речных водосборов. В значительно меньшей степени исследованы латеральные последовательности почв, развитые на склонах местных отрицательных форм рельефа, к которым относятся и карстовые воронки. Между тем почвенные катены на склонах карстовых воронок представляют собой весьма специфический и информативный объект для изучения, поскольку смена почв здесь проявляется весьма контрастно и на небольшом расстоянии.

Отметим, что до сих пор при изучении почвенного покрова в карстовых районах в основном внимание уделяли почвам автономных условий почвообразования [3, 5, 6, 11, 12, 13]. Склоны и днища карстовых воронок оставались практически неизученными. Статья посвящена исследованию почвенных катен, приуроченных именно к склонам карстовых воронок. Работы проводили в таежных ландшафтах и ландшафтах широколиственных лесов.

Материалы и методы. Объектами исследования были почвенные катены, приуроченные к склонам карстовых воронок на юго-восточной оконечности

Беломорско-Кулойского плато (северная тайга, заповедник Пинежский) и на Западном макросклоне Южного Урала (зона широколиственных лесов, заповедник Шульган-Таш). Породы в первом случае представлены карстующимися карбонатами, гипсами и ангидритами раннепермского возраста [10]; во втором — известняками и доломитами [8]. На обоих участках карстующиеся породы практически повсеместно перекрыты плащом четвертичных отложений, выступающих в качестве почвообразующих пород. Выбор ключевых участков для исследования определен степенью разнообразия почвообразующих пород, перекрывающих карстующиеся отложения. В Пинежском заповеднике в качестве почвообразующих пород выступали двучленные моренные отложения, супесчаные моренные отложения, дериваты пермских красно-цветных отложений. На рис. 1 представлены названия ключевых участков и особенности почвообразующих пород. Днища карстовых воронок на ключевом участке Придорожный, в отличие от днищ карстовых воронок на других ключевых участках, были заполнены водой. В заповеднике Шульган-Таш в качестве поч-вообразующих пород выступали переотложенные продукты выветривания глинистых сланцев (исследования проводились на одном ключевом участке Капова).

В общей сложности исследовано 16 почвенно-геохимических катен на склонах карстовых воронок. В целом карстовые воронки имеют конусообразную форму, поверхность склонов слабоволнистая, средние значения угла наклонов склонов составляли около 30°. В соответствии с размерами воронок выделены: малые воронки диметром до 10 м, средние — от 10 до 20 м и большие — более 20 м. На каждом ключевом участке исследовано по одной воронке малого, среднего и большого диаметров (две большие воронки в заповеднике Шульган-Таш). Разрезы заложены на межворонковых участках, в верхних (только в больших воронках), средних и нижних частях склонов.

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, профессор, докт. геогр. н., e-mail: alexagenna@mail.ru

2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, аспирант, e-mail: summerija@yandex.ru

Рис. 1. Геологическое строение и особенности почвообразующих пород ключевых участков: А — Филипповский, Б — Супесчаный, В — Голубино, Г — Придорожный, Д — Капова; 1 — дериваты пермских красноцветных отложений; 2 — супеси разнозернистые с гравием, галькой и мелкими валунами; 3 — валунные суглинки, часто карбонатные; 4 — переотложенные продукты выветривания глинистых сланцев; 5 — известняки глинистые с прослоями мергелей; 6 — песчано-алевритистые красноцветные гипсы и ангидриты

В северо-таежных условиях почвообразования в пределах склоновых сопряжений почв карстовых воронок описан широкий спектр почв (названия почв даны в соответствии с [7]): подзолы, подзолистые, дерново-подзолистые, буроземы, элювиземы, серо- и грубогумусовые почвы, стратоземы, псаммоземы, псаммоземы гумусовые, глееземы (таблица). Столь существенное разнообразие почв в пределах небольшого участка исследуемой территории (около 25 км2) обусловлено литогенной мозаичностью территории на юго-востоке Беломорско-Кулойского плато и неравномерным протеканием процессов механической миграции вещества в пределах склонов карстовых воронок. В ландшафтах широколиственных лесов почвенные катены на склонах карстовых воронок образованы серыми почвами и стратоземами темногумусовыми.

Почвенные сопряжения

Ключевой участок Почвы межворонковых пространств Почвы верхних и средних частей склонов Почвы нижних частей склонов

Филипповский Грубогумусо-вые Элювиземы Стратоземы серогумусовые

Серые метаморфические Буроземы Серогумусовые

Псаммоземы

Подзолы гумусовые

Супесчаный Подзолы Псаммоземы типичные

Псаммоземы Псаммоземы

гумусовые гумусовые

Подзолистые Подзолистые

Голубино Подзолистые Подзолы

Дерново-подзолистые Дерново-подзолистые

Грубогумусовые Глееземы

Придорожный Подзолы Серогумусовые

Подзолы Грубогумусовые

Капова Серые Серые Стратоземы темногумусо-вые

В лабораторных условиях исследованы следующие свойства почв по стандартным методикам [1]: рН водных суспензий, магнитная восприимчивость, содержание органического углерода (С ). Полученные в ходе аналитических работ данные обработаны в пакете Statistica 6,0 и Excel, рассчитаны значения коэффициента вариации рН водной суспензии и магнитной восприимчивости по профилям почв по следующей формуле: Cv = (о/М)-100% , где о — среднеквадратичное отклонение, М — среднее взвешенное (т.е. средние значения показателей с учетом мощности горизонтов, характеризующихся значениями рН водной суспензии или магнитной восприимчивости). Рассчитанные значения коэффициента вариации показателей в пределах почвенных профилей образовали выборки, полученные группировкой в соответствии с положением разреза в пределах склона карстовых воронок, а также выборки, полученные группировкой значений коэффициента вариации показателей в соответствии с размерами карстовых воронок, к склонам которых и приурочены почвенные разрезы. Далее для каждой выборки в пакете Statistica 6,0 построены графики Box Plot ("коробки с усами"), компактно отображающие среднее значение, среднеквадратичную ошибку их вычисления, минимум и максимум в каждой выборке.

Результаты и их обсуждение. Катенарные тренды в изменении свойств почв на склонах карстовых воронок. Сравнение почв, формирующихся в пределах сопряжений на склонах разных карстовых воронок, позволяет выявить основные тенденции в изменении состояния и выраженности почвенных горизонтов от верхних частей склонов к нижним. Гумусово-аккуму-лятивные горизонты почв в нижних частях склонов карстовых воронок, причем как в северо-таежных ландшафтах, так и в ландшафтах широколиственных лесов, характеризуются большей мощностью, лучшей оструктуренностью и в то же время меньшим содержанием Сорг. Вследствие преимущественно аллохтон-ного происхождения гумуса и повышения уровня минерализации органического вещества в условиях относительно высокого увлажнения на дне микродепрессий. Степень морфологической выраженности и мощность элювиальных (подзолистого, элювиального

и гумусово-элювиального) и срединных (иллювиаль-но-железистого, текстурного, структурно-метаморфического) горизонтов в пределах почвенных сопряжений по направлению от верхних частей склонов к нижним уменьшаются. Вниз по склонам карстовых воронок элювиальные горизонты распадаются на линзы, в окраске горизонтов появляется серый цвет. Срединные горизонты по направлению от почв верхних частей склонов к почвам на нижних частях склонов теряют структуру и преобразуются в горизонты, переходные к почвообразующей породе. Ослаблению радиальной дифференциации почв по морфологическим свойствам в пределах почвенных сопряжений от верхних частей склонов карстовых воронок к нижним соответствует уменьшение вариабельности физических, химических и физико-химических свойств (рис. 2), что по-видимому, обусловлено все большим преобладанием в направлении вниз по склону латеральной миграции веществ над радиальной [2].

При этом почвы нижних частей склонов разных карстовых воронок более сходны между собой по морфологическим, физическим, физико-химическим свойствам, чем почвы их средних и верхних частей. Можно предположить, что почвы нижних частей склонов — самые молодые почвенные образования в пределах почвенных сопряжений на склонах карстовых воронок и в силу этого наименее контрастные по вертикали. В целом же отметим, что процессы латерального массопереноса способствуют конвергенции особенностей строения почвенных сопряжений на склонах карстовых воронок, приуроченных к разным почво-образующим породам и разным уровням биоклиматического потенциала почвообразования.

Латеральная контрастность почв карстовых воронок в различных ландшафтных условиях. Отмеченная

тенденция в выраженности почвенных горизонтов при движении от почв верхних частей слонов карстовых воронок к нижним проявляется с разной степенью в пределах разных ландшафтных условий. Анализ всей совокупности почв исследованных катен показывает, что почвы, формирующиеся на более легких по гранулометрическому составу наносах, контрастнее, чем почвы, формирующиеся на более тяжелых отложениях. В пределах изученных почвенных катен наиболее контрастны почвы, формирующиеся на склонах карстовых воронок, облекаемых супесчаными моренными отложениями. Степень проявления почвообразовательных процессов, формирующих профиль почв на легких почвообразующих породах (образование подстилки и накопление грубого гумуса, оподзоливание, альфегумусовая миграция), в пределах почв склонов весьма различна.

Так, по направлению к нижним частям склонов резко уменьшается мощность почвенных профилей, в основном за счет сокращения мощности минеральных почвенных горизонтов Е и ВД а также в результате "выпадения" органогенного подстилочно-торфяного горизонта и его замены гумусово-слаборазвитым горизонтом. На склонах карстовых воронок подзолы сменяются слаборазвитыми почвами — псаммозема-ми и псаммоземами гумусовыми. Такое ослабление выраженности генетических горизонтов в почвах этих катен по направлению от верхних частей склонов к нижним может быть связано, как отмечено выше, с возрастающей ролью процессов латерального переотложения материала почв над процессами радиально-иллювиального перераспределения продуктов почвообразования. Этому способствует слабозадернованная поверхность склонов карстовых воронок, облекаемых супесчаными моренными отложениями (около 60%),

Рис. 2 Вариабельность значений показателей в пределах профилей почв, приуроченных к разным частям склонов: А — рН водной суспензии (Су (рН)), Б — магнитной восприимчивости (Су (%)); 1 — почвы верхних частей склонов; 2 — почвы средних частей склонов; 3 — почвы нижних частей склонов. Квадратики в центре — вариации показателя в пределах профиля; прямоугольники — среднеквадратичная ошибка вычисления среднего значения; вертикальные линии — минимальные и максимальные значения коэффициента вариации

большие значения угла наклона (около 32°) и малое количество почвенных "структоров" (органических и органоминеральных соединений).

Исследование широкого спектра почв, формирующихся на двучленных почвообразующих породах — супесчаных моренных отложениях на тяжелосуглинистых моренных отложениях, показывает, что почвы, приуроченные к склонам обводненных карстовых воронок (подзолы, грубогумусовые, серогумусовые, глее-земы, ключевой участок Придорожный), отличаются в катенарном ряду большей контрастностью по сравнению с почвами, формирующимися на склонах не-обводенных карстовых воронок (подзолистые, подзолы, ключевой участок Голубино). Контрастность почв, формирующихся на склонах карстовых воронок на ключевом участке Придорожный, обусловлена разной интенсивностью протекания процессов латерального массопереноса на разных частях склонов, а также увеличением выраженности процессов оглеения от почв верхних частей склонов к нижним.

Обводненность днищ карстовых воронок и повышенная влажность почв склонов приводят к более интенсивной деятельности процессов массопереноса на склонах, поскольку с увлажнением субстрат приобретает более пластичную консистенцию. Почвы верхних и средних частей склонов в обводненных карстовых воронках характеризуются "опусканием профилей вглубь" за счет эрозии верхних почвенных горизонтов; новые почвенные горизонты закладываются в теле старых. Почвы на нижних частях склонов формируются в условиях поступления материала с более высоких гипсометрических отметок, что ведет к росту почвенного профиля вверх.

Таким образом, свойства почв склонов, формирующихся на более тяжелых по гранулометрическому составу отложениях, характеризуются меньшей контрастностью в пределах почвенных сопряжений по сравнению с таковыми почв, формирующихся на более легких отложениях. Обводненность карстовых воронок способствует резкому увеличению контрастности почв в пределах катен по морфологическим свойствам.

26 24 22 20 18

а I

3 14

8 6 4 2 0

Радиальная контрастность почв, приуроченных к слонам карстовым воронок разной длины. На рис. 3

отражена вариабельность изменения значений ще-лочно-кислотных условий и магнитной восприимчивости по профилям почв, приуроченных к склонам карстовых воронок разного диаметра. Рассчитанные значения коэффициента вариации рН водной суспензии и магнитной восприимчивости сгруппированы в выборки в соответствии с размерами карстовых воронок, к склонам которых приурочены почвенные разрезы. Выборка "малые карстовые воронки" объединяет 15 значений, "средние" — 16, "большие" — 22. Как видно на графиках (рис. 3), средние значения коэффициента вариации указанных показателей в пределах почвенных профилей близки, ошибки их вычислений перекрываются.

Данные морфологического исследования склоновых почв, приуроченных к карстовым воронкам разного диаметра, не позволяют говорить о наличии определенной связи между размерами карстовых воронок и вертикальной контрастностью почв в пределах того или иного ключевого участка. Если в почвенных катенах карстовых воронок малого диаметра, облекаемых супесчаными моренными отложениями и двучленными моренными отложениями, и наблюдается некоторая тенденция к усилению вертикальной контрастности между почвами на склонах больших карстовых воронок и почвами на склонах малых воронок, [9], то для почвенных катен, формирующихся на дериватах пермских красноцветных отложений, переотложенных продуктах выветривания глинистых сланцев, двучленных моренных отложениях обводненных карстовых воронок такая связь не выявлена. Наблюдаемая в ряде случаев контрастность склоновых сопряжений почв (на ключевых участках Филипповский и Голубино) обусловлена вариабельностью почвообразующих пород на ключевых участках.

Выводы. 1. Совокупный анализ почв на межво-ронковых пространствах и прилегающих к ним почв на склонах карстовых воронок показывает, что латеральная миграция вещества трансформирует прояв-

Рис. 3. Вариабельность значений показателей в пределах профилей почв, приуроченных к склонам карстовых воронок разного размера: А — рН водной суспензии (Су (рН)); Б — магнитной восприимчивости (Су (%)). Остальные условные обозначения см. на рис. 2

ление биоклиматического потенциала почвообразования в пределах карстовых воронок.

2. В пределах катенарных почвенных сопряжений от почв межворонковых пространств к почвам нижних частей склонов происходит усиление латеральной миграции над радиальной и ослабление выраженности вертикальной дифференциации почв.

3. Почвы на склонах карстовых воронок, формирующиеся на более легких отложениях, как компонен-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд -во Моск. ун-та, 1970. 490 с.

2. Беркгаут В.В., Белоусова Н.И. Движение масс по склонам и почвы // Геоморфология. 1985. № 1. С. 57—65.

3. Гагарина Э.И., Счастная Л.С., Хантулев А.А. К характеристике почв в бассейне рек Пинеги и верхнего Кулоя // Агропочвенные и геоботанические исследования Северо-Запада СССР. Л.: Изд-во ЛГУ, 1965. С. 34—53.

4. Геннадиев А.Н., Глазовская М.А. География почв с основами почвоведения. М.: Высшая школа, 2006. 462 с.

5. Горячкин С.В. Почвенный покров пластово-денуда-ционных равнин севера ЕТС // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1987. № 3. С. 58—61.

6. Горячкин С.В., Шаврина Е.В. Генезис, эволюция и динамика почвенно-геоморфологических систем карстовых ландшафтов европейского Севера // Почвоведение. 1997. № 10. С. 1173—1185.

7. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

8. Летопись природы. Кн. 1 (вводная). С. Иргизлы: Изд-во Башкир. государ. заповедника, 1986. 247 с.

9. Смирнова М.А., Геннадиев А.Н. Почвы карстовых воронок юго-востока Беломорско-Кулойского плато // Почвоведение. 2011. № 2. С. 131—141.

ты латеральных сопряжений характеризуются большей контрастностью между собой по сравнению с почвами катен, приуроченных к более тяжелым отложениям. Обводненность карстовых воронок способствует заметному увеличению контрастности между почвами катен.

4. Анализ совокупности склоновых сопряжений почв карстовых воронок не позволяет говорить о наличии четкой связи между размерами воронок и особенностями формирования почвенных катен.

10. Строганова М.Н., Урусевская И.С. О структуре почвенного покрова на моренных отложениях с близким залеганием карбонатных пород // Почвоведение. 1975. № 8. С. 20—31.

11. Структура и динамика природных компонентов Пинежского заповедника (северная тайга ЕТР, Архангельская область). Биоразнообразие и георазнообразие в карстовых областях. Архангельск: Север, 2000. 267 с.

12. Тетерюк Л.В., Денева С.В. Особенности почвенного и растительного покрова карстовых долин (Средний Ти-ман, Республика Коми) // Мат-лы V съезда Всероссийского общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2008. С. 254.

13. Carletti P., Vendramin E., Pizzeghello D. et al. Soil humic compounds and microbial communitiesin six spruce forests as function of parent material, slope aspect and stand age // Plant and Soil. 2009. Vol. 315. P. 47—65.

14. 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 01.12.2011

A.N. Gennadiev, M.A. Smirnova SOIL CATENAS AT THE SLOPES OF SINKHOLES

The article deals with specific soil-forming processes at the slopes of 16 sinkholes within the Belomor-Kuloy Plateau and the Southern Ural Mountains. It was shown that the depth of humus horizon increases and the content of organic matter decreases down the sinkhole slopes. Both textural and metamorphic horizons lose their depth and their morphological properties become less obvious. Soils of the bottom parts of sinkhole slopes with different relief and lithological features have more in common than those of their middle and upper parts.

Key words: soil geography of karst areas, soils of sinkholes, soils catenas.