В четвертом сезоне долгосрочной совместной комплексной экспедиции РГО и Минобороны РФ «Восточный бастион — Курильская гряда» ученые продолжили изучение Курильских островов. Рассказываем, как исследовали почвенный покров и для чего это нужно.
«Зачем земля, когда есть небо?» — возможно, многие согласятся с этими словами чилийского поэта Пабло Неруды. Но только не участники экспедиции «Восточный бастион — Курильская гряда», особенно почвоведы — специалисты, занимающиеся изучением почвенного покрова Земли.
Жизнь всех живых существ на суше планеты связана с почвой. Тысячи лет люди ходят по ней, собирают растения — дикоросы, выращивают нужные культуры на полях и в теплицах, строят дома и дороги, копают колодцы и убежища. Сейчас в это трудно поверить, но ученые долгое время не могли не только понять, почему почва отличается в различных местах, но и вообще объяснить, что она такое.
Впервые определение почвы дал русский ученый-геолог Василий Докучаев во второй половине XIX века. Он рассматривал почву как особое природное тело, являющееся продуктом взаимодействия горной материнской породы, климата и растительности (живых организмов) в определенных условиях рельефа в течение времени.
Как менялась изначальная материнская порода на Курильских островах во время взаимодействия с живыми организмами, то есть в ходе почвообразования, и выясняли почвоведы в ходе экспедиции РГО.
— В 2017 году мы исследовали остров Матуа — это центральные Курилы, — вспоминает старший научный сотрудник отдела географии, генезиса, классификации и цифровой картографии почв Почвенного института имени В. В. Докучаева Сергей Хохлов. — Я никогда не испытывал трудности в диагностике почв, а тут выкопал разрез и растерялся! Проигнорировать его и идти исследовать дальше не видел смысла — и три дня сидел и пытался понять, что я вижу. Стопка из множества разноцветных горизонтов различной мощности, состава — и как это назвать? Через какое-то время появились идеи, и я объяснил для себя, как это все произошло в ретроспективе, и определил название почвам. Общение с вулканологами помогло понять, как те или иные горизонты в почвенно-пирокластическом чехле образовались и многое другое. Тогда я понял, что нужно исследовать почвы Курильских островов, так как сведения и знания о них практически отсутствуют. Созданные ранее почвенные карты Курильских островов отражают в основном теоретические представления о почвенном покрове этой территории.
Почвенно-пирокластический чехол (ППЧ) и график кривой влажности горизонтов этого профиля. Фото: Сергей Хохлов
Перед экспедицией ученые изучили литературные и картографические материалы. Их интересовали данные о климате, геоморфологии (рельефе и его происхождении), геологии и растительности, определяющие разнообразие условий формирования почв. На основании этих данных они наметили территории с определенным набором природных условий, которые будут исследовать.
— Исследования почв включают обязательное обнажение толщи, для чего выкапывается яма, — объясняет Сергей Хохлов. — У нас это называется разрез, потому что, в отличие от ямы, стенки разреза делаются вертикальными, чтобы удобно было изучать слои, которые слагают почвенный профиль. 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.
Остров Итуруп. Фото: Дарья Шатова
У каждого вулкана свой состав выбрасываемых пеплов и каменистого материала. Изучая почвенно-пирокластический чехол в разных местах, выясняя его состав, вулканологи узнают историю извержений вулканов, в том числе в далеком прошлом, о котором нет никаких письменных свидетельств. Также важно изучение собственно почв, наличия в них различных остатков былой растительности, свойств органического вещества (плодородного гумуса), особенностей выветривания (преобразования) минерального вещества выпавших когда-то на поверхность продуктов вулканических извержений. Исследуя их, почвоведы смогут выяснить историю извержений, климата и растительности островов, лучше понять их природу и, следовательно, научиться правильно использовать ее потенциальное богатство.
— Я выбираю место заложения почвенного разреза, описываю местные условия: рельеф, растительность, возможное влияние человеческой деятельности, — делится Сергей Хохлов. — Затем берусь за лопату. Обычно разрезы бывают глубиной 1–2 м, но иногда приходится копать глубже, чтобы вскрыть все слои почвенно-пирокластического чехла. Помимо разрезов изучаются и обнажения этого чехла на речных обрывах, морских террасах. Но главный материал добывается в разрезе. После того как разрез выкопан, изучаю его и делаю записи о составе горизонтов, слагающих профиль, их толщине и свойствах.
Почвенный профиль с погребенной почвой. В колонках по сторонам от профиля - фото образцов горизонтов, на периферии - три пластинки шлифов, сделанные из монолитов отобранных в указанном месте на фото профиля. Фото: Сергей Хохлов
На основе полевых наблюдений специалисты дают предварительную оценку процессам почвообразования, степени их выраженности и определяют название почвы. Затем отбирают образцы для лабораторных исследований. В итоге, обследовав территорию на различных участках, на разных позициях рельефа, под различной растительностью, они обобщают полученную информацию и получают представление о степени влияния того или иного фактора на формирование почв и их свойств.
По словам Сергея Хохлова, сначала ученые проводят гранулометрический анализ — определяют размеры частиц в образцах почв, отобранных с разных глубин. Условно частицы различных размеров разделяются на три группы (фракции): песок, пыль и ил. Обычно в ходе почвообразования более крупные частицы выветриваются, их размер уменьшается, и в почве накапливаются более тонкие фракции. Но в агрессивных условиях, при высокой кислотности или щелочности, самые тонкие частицы могут полностью раствориться или быть вымыты вниз по профилю почвы и накопиться на некоторой глубине. Возможен и обратный процесс: тонкие частицы склеиваются друг с другом, коагулируют, цементируются различными аморфными веществами, образуют прочные агрегаты более крупного размера. Последнее характерно для вулканических почв.
Вид острова Итуруп. Фото: Дарья Шатова
Эти процессы зависят не только от условий почвенной среды, но и от свойств минералов, находящихся в той или иной размерной фракции. Для этого необходимо узнать их состав, провести минералогический анализ. Вулканические почвы богаты легко выветривающимися минералами, различными аморфными окислами. Выявив, как изменяется гранулометрический и минералогический состав почвенного материала в разных условиях, специалисты могут сделать предварительные выводы об интенсивности почвообразования.
Для более точной оценки надо знать, какова масса почвы (и слагающих ее веществ) в определенном объеме. В нем есть не только твердые частицы, но и вода и воздух, находящиеся в порах почвы. Это очень важный показатель — от него зависит, сколько воды может удержать, впитать в себя почва и как долго сможет снабжать ею растения.
— Я провожу измерения объемной плотности почвы — отбираю образец строго определенного объема с помощью металлического кольца, а затем взвешиваю его, — объясняет Сергей Хохлов. — Обычно вулканические почвы рыхлые, их объемный вес — менее 0,9 г на 1 куб. см. Этот показатель является диагностическим для вулканических почв. Из химических методов — во всех образцах определяется показатель кислотности (pH), содержание органического вещества, емкость катионного обмена, обменный алюминий, кальций, магний, калий и натрий. Эти данные показывают химические свойства почв и пород, в каких условиях среды протекают химические процессы и как изменяются показатели определяемых элементов.
Почвенный профиль с погребенными почвами. По бокам в первых колонках - изображения почвенных частичек, в колонках на периферии показаны кристаллы и камешки, которые содержатся в этих горизонтах. Снизу - гистограмма распределения частичек по размерам. Чем выше столбик, тем больше содержание частичек. Фото: Сергей Хохлов
На острове Итуруп ученые провели комплексные исследования одного из профилей в центральной части острова с погребенными почвами.
Были выполнены гранулометрический, минералогический, микроморфологический и химический анализы горизонтов профиля.
Гранулометрический и минералогический анализы горизонтов показали различный состав гранулометрических фракций и литологическую неоднородность горизонтов.
Проводимый под петрографическим микроскопом микроморфологический анализ шлифов горизонтов профиля показал различия в микроструктуре горизонтов, изменение цвета, размеров и формы микроагрегатов, а также изменение состава минералов и частиц породы в горизонтах профиля. Данные микроморфологического анализа согласуются с результатами гранулометрического и минералогического анализов и данными химического анализа содержания количества органического углерода в образцах.
Так выглядят фитолиты. Фото: Сергей Хохлов
Шлифы представляют собой «просвечивающий» тонкий срез (около 30 микрон) ненарушенного образца горизонта, пропитанного специальной прозрачной смолой, не позволяющей почвенным частицам «разбежаться» при резке и шлифовании, сохраняющей их естественное взаимное расположение.
В процессе проведения минералогического и микроморфологического анализов неожиданно обнаружено присутствие в почвенном материале всех горизонтов большого количества «биогенных опалов» по всему профилю. Эти новообразования в почве еще называют фитолитами. Они образуются при жизни растительной клетки, и чем дольше живет клетка, тем крупнее и наилучшим образом оформлен фитолит. Фитолиты разных растений имеют разную форму. После гибели клетки фитолиты долгое время сохраняются в почве. Изучая их, можно выяснить состав произраставшей в прошлом растительности, реконструировать ландшафты прошлых эпох.
По результатам исследования разрез представляет собой полигенетический профиль, где современный гумусовый горизонт подстилается горизонтами погребенных почв, которые сформировались в различных условиях природной среды и имеют характерные черты былого почвообразования с присущими им морфотипическими признаками.