Степное почвообразование на склонах карстовых воронок (Южное Приуралье)

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: summerija@yandex.ru

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

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

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.