В рамках совместной экспедиции РГО и Минобороны «Восточный бастион — Курильская гряда» группа ученых в течение месяца изучала Симушир, необитаемый остров в составе средней группы Большой гряды Курильских островов. Об исследованиях почвоведов рассказываем в нашем материале.
— Почву называют книгой природы, страницы которой местами стерты, иногда утеряны или переписаны по-новому, — отмечает старший научный сотрудник отдела географии, генезиса, классификации и цифровой картографии почв Почвенного института имени В. В. Докучаева Сергей Хохлов. — Задача почвоведа — прочесть и понять эту книгу. Мир почв довольно разнообразен и увлекателен, если погрузиться в него. Очень интересно, как формируются те или иные почвы, как они эволюционируют, когда приходят в равновесное состояние с факторами среды (оно называется почвенным климаксом), и что с ними происходит в дальнейшем. Характер почвообразования может меняться во времени. Причем следы предыдущего почвообразования частично сохраняются.
Симушир расположен между островом Кетой и островами Черные Братья, от первого его отделяет пролив Дианы, от второго — пролив Буссоль. Остров вытянут на 59 км в длину и от 4 до 15 км в ширину
Почвоведы исследовали на Симушире область кальдеры и вулкана Уратман в северо-восточной оконечности острова и перешеек Косточко, расположенный между вулканом Мильна и кальдерой Заварицкого.
Лагерь экспедиции на перешейке Косточко. Фото: Сергей Хохлов
По словам Сергея Хохлова, спецификой почв в районах действующих вулканов является частое выпадение на поверхность вулканического пепла и более грубых частиц, выбрасываемых вулканом на большую высоту при извержениях. Они «хоронят» уже сформированные слои почвы под новыми слоями пепла, на которых вновь возобновляется почвообразование. Так почвы постепенно растут вверх, формируется довольно мощный слой, называемый почвенно-пирокластическим чехлом.
Ученые исследовали его на различных структурных поверхностях — на внешнем склоне вершины кальдеры, подножье вулкана Уратман на высоких мысах и в бухте Броутона.
Почвенно-пирокластический чехл под слоем шлаков. Фото: Сергей Хохлов
Темный, а зачастую просто черный цвет слоя, или, как говорят почвоведы, горизонта в разрезе (в яме с вертикальными стенками), говорит о том, что он формировался в наиболее теплое время, когда росли луговые травы, под которыми накапливалось достаточно гумуса. Если цвет слоев в разрезе от темного меняется к светлому, значит, было холодно, или это погребенные почвы, то есть перекрытые более молодыми отложениями.
В бухте Броутона специалисты также изучили влияние различной растительности под пологом каменно-березового леса на свойства поверхностного горизонта, температуру и влажность почв. Заложив три разреза под зарослями тиса, папоротника и бамбучника, специалисты измерили температуру и влажность с шагом 5 см на глубину 140 см.
Перешеек Косточко, вид на вулкан Мильна. Фото: Сергей Хохлов
Ранее подобный эксперимент был поставлен на побережье — на высоком мысу под шикшей, разнотравным лугом и мелкой порослью ольхового стланика. Почва под шикшей была холоднее и наиболее влажная, а под травами, наоборот, наиболее прогретая и сухая. Под ольхой все параметры были средними. Такой же эксперимент почвоведы провели на перешейке Косточко, только там измерения проводились на мощных отложениях вулканических шлаков под ивняком, термопсисом и мхом.
Растительный покров отражает солнечную радиацию, делает поверхность шероховатой, создавая тем самым препятствие воздушным потокам в приземном слое. В дополнение к этому прошлогодний опад, то есть отмершие части растений (листья, плоды, ветки, цветки и т. д.), создает теплоизолирующий эффект, изменяя теплопроводность на границе воздух — почва. Все эти факторы влияют на температуру почв, что, в свою очередь, определяет скорость химических реакций и условия существования в ней различных микроорганизмов.
Почвенно-пирокластический чехол, монолиты для микроморфологии. Фото: Сергей Хохлов
Любое растительное сообщество имеет свои, отличные от других, особенности испарения влаги с поверхности листьев (транспирация) и/или накопления влаги в подстилке, формируемой из опада растительных остатков. И это все влияет на уровень влажности поверхностных горизонтов и запасы воды в почвенном профиле. Каждый горизонт имеет свои особенности к удержанию влаги, определяя гидрологический профиль почв.
Таким образом, различные растительные сообщества в зависимости от природных условий осваивают пространства, оказывая заметное влияние на температуру и влажность почвы, что влияет на качество почвообразующих процессов и их скорость.
— Знакомясь с территорией острова Симушир до поездки в экспедицию, я думал, что перешеек Косточко будет наиболее удобной местностью для исследования почвенно-пирокластического чехла, — говорит Сергей Хохлов. — В действительности вся территория перешейка засыпана мощными (2–4 м) отложениями шлаков от извержения вулкана Заварицкий 800-летней давности. Если сравнивать Симушир с островами Итуруп и Уруп, то здесь доля участия бамбучника в растительном покрове заметно меньше. А вот профиль почвенно-пирокластического чехла на острове довольно пестрый и в пределах двухметровой толщи, в основании которой отложения кальдерообразующего извержения вулкана Заварицкий, включает до 26 прослоев. Для примера, на острове Уруп в профиле мощностью тоже 2 м насчитывалось 15 горизонтов.
Бухта Броутона. Фото: Сергей Хохлов
Почвы на вулканических островах состоят из чередующихся слоев собственно почвы и вулканического пепла. Это своего рода слоеный пирог, и чем чаще вулкан покрывает продуктами своего извержения поверхность, тем чаще прерывается почвообразование, тем больше будет слоев в этом «пироге».
Извержения вулканов не только влияют на растительность и почвы, но и способны изменить рельеф местности. Все зависит от деятельности вулкана — от качества пирокластического материала и толщины выпавшего слоя.
Морская терраса на перешейке Косточко. Фото: Сергей Хохлов
— Личных наблюдений за этим мало, поэтому не могу сказать точно, но по моему опыту пепел, который выпадает слоем не более 5 см, растительность не уничтожает, — делится Сергей Хохлов. — Возможно, в каких-то случаях он может улучшить питание растений, а в каких-то, наоборот, ухудшить.
В случае с перешейком Косточко, по словам ученых, определенно можно говорить о полном уничтожении былой растительности, засыпанной толстым слоем пепла или грубых шлаков. Поэтому современная почва, сформированная в верхней части этого слоя и последующих отложений пеплового материала, имеет возраст не более 800 лет.
Специалисты отмечают, что почвы в местах вулканических извержений молодые. Далеко не все процессы преобразования породы успевают достигнуть «равновесного состояния» со средой, что осложняет их изучение.
Свойства вулканических почв сильно зависят от размера выпадающих частиц пирокластического материала. Чем меньше размер, тем заметнее и быстрее это влияние. Изменяются некоторые химические показатели почв, такие как кислотность, содержание обменных катионов, но через пять лет обычно все приходит в равновесие.
Вулканическое стекло с вкраплениями. На Курильских островах, сплошные массы вулканического стекла отсутствуют, здесь распространенны вспененные модификации. Темные вспененные вулканические стекла называют шлаками, светлые - пемзы. Фото: Сергей Хохлов
Почвы Курильских островов отличаются от почв на континенте. Они развиваются и функционируют в условиях островного почвообразования с сильными различиями в погоде и климате, которые формируются под влиянием холодных вод Тихого океана с восточной стороны и теплых течений Охотского моря с западной стороны. На Симушире очень часты туманы, особенно на тихоокеанской стороне, зима мягче, а лето холоднее, чем на аналогичной широте на континенте. Еще одно отличие — в факторе почвообразующей (ее еще называют материнской) породы. Все почвы развиваются на вулканических породах.
Образец пемзы, взятый с фумарольного поля вулкана Сноу на острове Чирпой. Фото: Сергей Хохлов
Почвы, образованные на вулканических отложениях, обладают многими свойствами, отличными от почв, формируемых на других отложениях. Эти отличительные свойства во многом обусловлены некристаллическими веществами, образование которых напрямую связано со свойствами исходного вулканического материала, а именно с быстрым выветриванием стеклообразных частиц. Под стеклообразными частицами подразумеваются фрагменты нераскристаллизовавшейся магматической породы. Чем быстрее из глубин поднимается и остывает расплавленная магма, тем меньше времени для образования кристаллов в породе. Быстро отвердевшую нераскристаллизованную магматическую породу называют вулканическим стеклом, или закаленной породой. Вулканическое стекло — это твердый однородный раствор, химический состав которого соответствует какой-либо полнокристаллической породе, например базальту, андезиту, дациту и др. При быстром остывании оно неустойчиво и скоро выветривается. Так как физические свойства его одинаковы во всех направлениях, это свойство используется при исследовании почвенных шлифов. По количеству вулканического стекла и степени его трансформации в почвенном горизонте определяют, насколько выражены и в какой стадии находятся процессы почвообразования на вулканическом материале.
Губчатая структура вулканического стекла в образце пемзы. Фото: Сергей Хохлов
Почва — прекрасный природный биофильтр: например, мы используем отфильтрованную ею колодезную воду для питья. Вулканические почвы являются хранилищами углерода — они поглощают, накапливают и сохраняют его в виде органического вещества. Причем их потенциальная возможность накапливать углерод очень высока. Вулканические почвы, занимая 0,7% территории планеты, накапливают по сравнению со всеми другими почвами 1% углерода.
Исследования почв на вулканических островах расширяют наши знания о почвах и их свойствах, которые являются основой для инвентаризации почвенных (и в целом природных) ресурсов, а значит, и для планирования всей деятельности по их использованию и охране.