Хронология онтогенеза первичных почв: обзор проблемы

Е. В. Абакумов

ХРОНОЛОГИЯ ОНТОГЕНЕЗА ПЕРВИЧНЫХ ПОЧВ: ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ*

Время — важнейший фактор почвообразования, который, наряду с пространством, обеспечивает возможность проявления остальных материально-энергетических факторов [1] и является необходимым условием эволюции почв [2]. Важно отметить, что развитие почв в большинстве случаев начинается с «нуль-момента», и их эволюция чаще всего может быть охарактеризована в рамках стадии становления (онтогенеза) почв. Результаты исследований данной стадии формируют теоретическую базу восстановления почвенных ресурсов в процессе регенерации посттехногенных экосистем. Почвы хроносерий являются одним из инструментов ретроспективной оценки их развития. При этом проблема скорости почвообразования на начальных стадиях онтогенеза почв остается открытой в связи с методической неоднозначностью трактовки почвенно-хронологических данных. Обзор проблемы скорости первичного педогенеза на онтогенетической стадии развития почв — задача данной статьи.

В современном эволюционно-генетическом почвоведении широко используются такие объекты исследования почвообразовательного процесса, как хроносерии террас водоемов [1], хроноряды почв на дюнах и под курганами [1, 3-6], разновозрастные почвы отвалов карьеров [1, 7-9]. Применение в качестве моделей почвообразования хронорядов посттехногенных поверхностей привлекает в первую очередь тем, что возраст почв в данном случае определяется более точно, чем возраст почв террас, дюн, курганов и т. п. Однако почвы регенерационных экосистем карьеров дают возможность изучать педогенез в первые десятки, реже сотни лет, в то время как классические объекты эволюционного почвоведения (дюны, террасы, курганы) представляют собой куда более древние образования [10]. Тем не менее объекты террас, дюн, курганов являются весьма ценными эволюционными объектами, позволяющим изучать длительные процессы почвообразования наряду с быстротекущими.

Главным параметром, по которому развивающиеся почвы регенерационных биогеоценозов новых литогенных поверхностей можно относить к моделям, является известное время начала почвообразования в определенных биоклиматических и литоло-го-геоморфологических условиях. Говорить о модели онтогенеза почв в данном случае вполне корректно, поскольку речь идет о подобии интересующего нас явления (почвообразовательного процесса), а не о нем самом [1].

Интерпретация и обобщение данных, полученных при исследовании почв различного установленного возраста, формирующихся в сходных условиях на одинаковых породах, помогает восстановить процессную картину онтогенеза почв. Такие последовательности развития почв во времени получили название хроноряды или хроносерии. Фундаментом обсуждаемого типа моделей служит свойство эргодичности почв, т. е. способности почвенного тела иметь пространственные аналоги, соответствующие

* Работа выполнена при поддержке РФФИ и Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072012 годы, госконтракт № 6.512.11.2161 и № 11.519.11.2003».

© Е. В. Абакумов, 2011

хронологическим стадиям его развития [1]. В рамках концепции о генетических моделях почвообразования [11, 12] первичные почвы, по-видимому, в максимальной степени соответствуют законам простой генетической модели, не требующей при интерпретации результатов хронокоррекции почвообразовательного потенциала среды, что можно отнести к еще одному преимуществу модели.

Даже при исследовании единичных почвенных тел определенного возраста можно говорить о весьма перспективном моделировании почвообразования, несмотря на невозможность воспользоваться свойством эргодичности почвы. Суть моделирования заключается в исследовании результатов проявления элементарных почвообразовательных процессов со сравнительно длительными значениями характерного времени (формирование органогенных горизонтов, первичная дифференциация почвенного профиля, образование органоминеральных соединений и почвенного поглощающего комплекса) за определенный период времени. Некоторые из этих процессов можно исследовать в лабораторном эксперименте, к преимуществам которого можно отнести контролируемость условий и исключение неоднородности субстрата [13, 14]. Основные недостатки лабораторного эксперимента — затруднения, возникающие при изучении процессов, длительность которых превышает несколько лет. По определению В. О. Таргульяна [8], активное проявление элементарных почвообразовательных процессов (ЭПП) находит выражение в твердофазных продуктах функционирования почвы (ТПФ). Небольшие годичные приращения признака в твердой фазе почв не всегда можно уловить традиционными аналитическими методами вследствие существующей концентрации признака в почве. Особенно это касается зрелых почв. Но в случае изучения инициального почвообразования мы имеем дело с малой длительностью педогенеза и нулевыми значениями изменений ТПФ минерального субстрата породы, что позволяет фиксировать ход ЭПП традиционными методами даже в отсутствии хроносерии почв.

Необходимо отметить, что обсуждаемая модель содержит некоторые подводные камни. Например, условия формирования почв в техногенных и вообще регенерационных экосистемах (ландшафтах) не всегда могут быть учтены исследователем в полной мере при интерпретации данных, что, по-видимому, и дало повод В. О. Таргу-льяну и соавторам (1989) назвать хроноряды почв полуэкспериментами. Кроме того, отвалы карьеров отличаются высокой литогенной матричностью и долгое время находятся в условиях природного или техногенного моделирования поверхности [15, 16].

Анализ фактических почвенно-хронологических данных, проведенный Г. И. Махо-ниной [10], выявил их чрезвычайное разнообразие, региональные особенности и значительную противоречивость.

Относительно обширные материалы о скорости и стадийности начального педогенеза [17-41] еще недостаточно обобщены и систематизированы. Поэтому результаты исследований разных авторов редко бывают сопоставимы, ведь исследуются почвенные объекты в различных субстратно-фитоценотических и биоклиматических условиях. В связи с этим нам представляется, что создание баз данных, фиксирующих результаты педогенеза за определенный период в различных природных зонах для различных типов растительности и литологических основ будет весьма перспективным не только для накопления фактического материала с целью разработки технологий рекультивации, но и для решения фундаментальной проблемы — раскрытия механизмов эволюции почв на стадии становления. Почвенно-хронологические данные, полу-

ченные в посттехногенных экосистемах, хорошо согласуются с данными А. Л. Александровского [19] о том, что появление диагностических горизонтов для почв на песчаных и суглинистых породах в нормальной модели педогенеза в таежной зоне происходит на временных стадиях развития 50-100 и 100-500 лет соответственно. Эта же работа

A. Л. Александровского свидетельствует о различных темпах онтогенеза почв, формирующихся в различных природных зонах.

Таким образом, возраст формирования первичной инициальной почвы составляет 5-20 лет, что примерно одинаково для всех почвенных зон. Длительность других стадий почвообразования заметно различается в зависимости от типа почвенно-климатической зоны. На более поздних стадиях почвообразования корреляция морфоти-па профиля с возрастом наблюдается в меньшей степени [39].

Между тем даже для относительно быстро развивающегося альфегумусового процесса нет однозначного мнения о скорости развития первичного или эмбрионального профиля. В частности фактические времена или сроки формирования профилей подзолов (имеются в виду альфегумусовые или сподиковые почвы) в ходе экогене-тических смен в различных регионах планеты изменяется от 10 до 10 000 лет. Максимальная фиксированная граница временного отрезка педогенеза чаще всего представляет результат фактического измерения результатов почвообразования. В связи с этим максимальные величины времени подзолообразования не являются фактически необходимыми, а свидетельствуют о том, что профиль подзола на какой-то стадии переходит в квазиравновесное состояние и далее не проявляет дальнейших онтогенетических трендов развития. Другое дело, что минимальное время формирования подзолов измеряется в более широком диапазоне. И это чаще всего результат поли-варитивности (полисенсорности по И. А. Соколову [12]) педогенеза, обусловленной пространственной сменой геогенных условий и биоклиматических параметров окружающей среды.

Следует отметить, что традиционные представления о характерном времени проявления того или иного ЭПП [8, 9] должны быть несколько скорректированы при рассмотрении развития почв в сценариях демутационных смен растительных сообществ. Так, традиционно считается, что характерное время для изменения гумусового профиля — сотни и тысячи лет, между тем при исследовании молодых почв гумусовый микропрофиль может изменяться в ходе сукцессии очень быстро, в течение десятков лет. Очевидно, что типичное для климаксных почв профильное изменение емкости катионного обмена формируется в течение сотен, если не тысяч лет. Но в молодых почвах уже в первые годы их развития начинается формирование достаточно развитого поглощающего комплекса с большой емкостью, изменяющейся всего за несколько лет [20, 22]. По-видимому, нужно учитывать, что признаки, считающиеся консервативными для сформировавшихся почв, в молодых почвах могут быть весьма быстро изменяющимися. Это становится ясно при рассмотрении саморазвития почв в рамках концепции об экологических функциях гумусо- и почвообразования, предложенной

B. В. Пономаревой [28, 29]. Почвообразование рассматривается как способ приспособления растительности к наземным условиям существования. Иными словами, каждой стадии освоения субстрата растительностью соответствует своеобразное почвенное тело, выполняющее все экологические функции (удержание элементов питания, жилища и пр.) и изменяющее их в зависимости от «запросов» биоценоза, выражающихся в интенсивности влияния биогенных факторов (емкости круговорота, глубины

проникновения корней и т. д.) на почву. Поскольку сукцессии биоты на вновь экспонированных породах носят катастрофический характер, то и развитие почвы в первые десятилетия происходит весьма стремительно.

Таким образом, современное почвоведение располагает достаточными данными, для того чтобы утверждать, что на начальных стадиях онтогенеза скорости изменения основных свойств почв могут на порядок превышать скорости тех же процессов в зрелых почвах. Это очень важно, поскольку, если первичная почва не изменяется быстро в результате педоонтогенеза, то она является истинно первичной почвой. В противном случае, первичная почва — эфемерный продукт онтогенетической эволюции зональной почвы. Обе эти почвы первичны, обе сходны по твердофазной организации и функциям, но различаются по сущности и онтологическим причинам существования. В одних случаях первичное почвообразование является одной из стадий онтогенеза почв, которая проходит быстро, поэтому данную стадию развития почв часто не замечают и не изучают. Но если учесть, что огромные участки поверхности земли регулярно обновляются в ходе катастрофических или медленных экзогенных процессов, существенная часть почвенного покрова оказывается представленной первичными почвами, существующими всего несколько десятилетий. Непродолжительное существование этих почв не говорит об отсутствии необходимости их изучать, ведь они выполняют важнейшие экологические функции. По этой причине морфологическая организация, эволюционная хронология и функциональная организация педогенеза первичных почв должны привлечь большее внимание исследований.

Литература

1. Геннадиев А. Н. Почвы и время: модели развития. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1990. 232 с.

2. Захаров С. А. Курс почвоведения. М.; Л.: Сельхозкооплит, 1931.

3. Рейнтам Л. Ю. Образование и развитие рендзин // Сб. науч. тр. Эстонской сельскохозяйственной академии. Тарту, 1975. С. 3-29.

4. Рейнтам Л. Ю. Гумусное состояние первичных почв под лесом на карьерных отвалах сланцевой промышленности // Почвоведение. 2001. № 10. С. 1207-1216.

5. Abakumov E. V. Soils of mining areas — natural model of soil formation // Proceed. 1st Intern. Conf. on Soils and Archaeology. Szazhalombatta, Hungary, 2001. Р. 163-165.

6. Emmer I. M. Humus form and soil development during a primary succession of monocuture Pinus sylvestris forests on poor sandy substrates. Amsterdam, 1995. 135 p.

7. Трофимов С. С., Таранов С. А., Наплекова Н. Н., Фаткулин Ф. А. Гумусообразование в техногенных экосистемах. Новосибирск: Наука, 1986. 126 с.

8. Таргульян В. О. Планетарные экзогенные процессы и почвообразование // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1985. № 6. С. 51-59.

9. Таргульян В. О. Общепланетарная модель экзогенеза и педогенез // Успехи почвоведения: советские почвоведы к XIII Междунар. конгр. почвоведов. М.: Наука, 1986. С. 101-108.

10. Махонина Г. И. Начальные процессы почвообразования в техногенных экосистемах Урала: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Томск, 2004. 38 с.

11. Иванов И. В., Александровский А. Л. Методы изучения эволюции почв // Почвоведение. 1987. С. 112-119.

12. Соколов И. А. Теоретические проблемы генетического почвоведения. Новосибирск: Наука. 1993.

13. Роде А. А. Генезис почв и современные факторы почвообразования. М.: Наука. 1984. 254 с.

14. Роде А. А. Система методов исследования в почвоведении. Новосибирск: Наука, 1971.

15. Трофимов С. С., Титлянова А. А., Клевенская И. А. Системный подход к изучению процессов почвообразования в техногенных ландшафтах // Почвообразование в техногенных ландшафтах. Новосибирск: Наука, 1979. С. 3-19.

16. Гаджиев И. М., Курачев В. М., Андроханов В. А. Стратегия и перспективы решения проблем рекультивации нарушенных земель. Новосибирск: ЦЭРИС, 2001. 37 с.

17. Гагарина Э. И., Шелемина А. Н. Эволюционные аспекты почвообразования на земляных военных сооружениях // Матер. Всерос. конф. «Проблемы эволюции почв». Пущино, 2003. С. 157-160.

18. Гагарина Э. И., Цыпленков В. П. Использование микроморфологического метода исследования при моделировании современного почвообразовательного процесса // Почвоведение. 1974. № 4. С. 20-28.

19. Александровский А. Л. Развитие почв Восточной Европы в голоцене: автореф. дис. ... д-ра географ. наук. М., 2002. 48 с.

20. Андроханов В. А. Ресурсы и перспективы рекультивации в Кузбассе // Почвы — национальное достояние России: в 2 кн. Матер. IV Съезда Докучаевск. об-ва почвоведов. Новосибирск: Наука, 2004. Кн. 2. С. 540.

21. Андроханов В. А., Овсянникова С. В., Курачев В. М. Техноземы: свойства, режимы, функционирование. Новосибирск: Наука, 2000. 200 с.

22. Андроханов В. А., Курачев В. М. Принципы оценки почвенно-экологического состояния техногенных ландшафтов // Сибирский экологический журнал. 2009, № 2. С. 165-169.

23. Арчегова И. Б. Рекультивация земель (теория и практика) // Тез. докл. III съезда Докучаевск. об-ва почвоведов: в 3 кн. М.: Почвенный ин-т им. В. В. Докучаева РАСХН, 2000. Кн. 2. С. 283-284.

24. Арчегова И. Б. Состав гумуса в почве техногенных участков таежной зоны Европейской части России в процессе самовосстановительной сукцессии // Тез. докл. II Междунар. конф. «Гу-миновые вещества в биосфере». М.; СПб., 2003. С. 11.

25. Голеусов П. В., Лисецкий Ф. Н. Воспроизводство почв в антропогенно нарушенных ландшафтах лесостепи. М.: ГЕОС, 2009. 209 с.

26. Капелькина Л. П. Учет и прогноз экологических условий при рекультивации земель // Тез. докл. II Съезда об-ва почвоведов: в 2 кн. СПб., 1996. Кн. 2. С. 278-279.

27. Клевенская И.Л. Эволюция микробоценозов и их функции // Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1992. С. 149-199.

28. Пономарева В. В. Условия водно-минерального питания растений как главный фактор фитоценогенеза и почвообразования // Почвоведение. 1984. № 8. С. 29-38.

29. Пономарева В. В., Плотникова Т. А. Гумус и почвообразование: методы и результаты изучения. Л.: Наука. 1980. 222 с.

30. Пономаренко С. В. Развитие профиля на начальных стадиях почвообразования: автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 1986. 18 с.

31. Трегубов Г. А. Рекультивация отвалов Райчихского буроугольного месторождения // Почвоведение. 1974. № 1. С. 121-124.

32. Ужегова И. А., Махонина Г. И. Начальные процессы почвообразования на отвалах Первоуральского месторождения железных руд // Почвоведение. 1984. № 11. С. 14-21.

33. Хитров Н. Б. Подход к ретроспективной оценке изменения состояния почв во времени // Почвоведение. 2008, № 8. С. 899-912.

34. Хитров Н. Б. Солонцовый процесс в постагрогенных и постмелиоративных условиях каменной степи // Почвоведение. 2009. № 11. С. 1383-1392.

35. Goleusov P V. Soil minerals-humus biocomponents interactions in young ecosystems // Proceed. III Interanational Symposium of the working Group MO “ISMOM” “Soil Mineral-Oragnic matter — Microorganisms Interactions and Ecosystems Health”, Naples III Interanational Symposium of the working Group MO “ISMOM” Capri, 2000. Р. 218.

36. Mokma D. L. Yli-Halla M., Linfqvist K. Podzol formation in sandy soils of Finland // Geoderma. 2004. Vol. 120. Р. 259-272.

37. Reintam L., Elmar K., Rooma I. Development of soil organic matter under pine on quarry detritus of open-cast oil-shale mining // Forest Ecol. and Manag. 2002. Vol. 171. Р. 191-198.

38. Tercen T., Shay D. Comparison of some soil properties on natural and reclaimed hillslopes // Soil Sci. Soc. Amer. J. 1987. N 4. Р. 264-277.

39. Sauer D., Wagner S., Brukner H. Soil development on marine terraces near Metaponto (Gulf of Taranto, southern Italy) // Quaternary international. 2010. Vol. 222. Р. 48-63.

40. Wardenaar E. C. P., Sevink J. A comparative study of soil formation in primary stands of Scots pine (planted) and poplar (natural) on calcareous dune sands in the Netherlands // Plant Soil Nutr. 1992. Vol. 140. Р. 109-120.

41. Wilson K. The time factor in the development of dune soils at South Haven Peninsula, Dorset // J. Ecol. 1960. Vol. 48. Р. 341-359.

Статья поступила в редакцию 17 марта 2011 г.