Sarykul paleosols of the Miass quarry (Southern Urals) from the standpoint of paleopedology.pdf Введение Изучение древних почв необходимо для реконструкции ретроспективных трендов изменений климата, проблема состояния которого остается на сегодня одной из самых актуальных. Данная проблема требует привлечения региональных материалов, обобщение которых в конечном итоге будет способствовать выявлению естественной и антропогенной составляющих глобального изменения климата. Одним из регионов, выделяющихся специфичностью природных условий формирования почв в плейстоцене, является Урал, который представляет собой своеобразную меридионально ориентированную горную страну, выступающую в качестве климатического барьера. В связи с этим плейстоценовые почвы Южного Урала являются интересным объектом с позиций диагностики условий их формирования. Использование палеопочв этого геологического времени в качестве источника информации о природной среде их формирования в мировой литературе распространено достаточно широко. Чаще всего исследователи изучают морфологические, литологические и магнитные характеристики отложений [1-4]. Как правило, рассматриваются такие палеопочвенные показатели, как макро- и микроморфология, гранулометрический состав, величина магнитной восприимчивости, содержание и состав органического вещества, карбонатов и железа, а также другие характеристики [5-13]. Изучению органической составляющей плейстоценовых палеопочв уделяется меньше внимания, хотя показано, что гумусовые вещества имеют специфичный состав, отвечающий условиям формирования палеопочв, который сохраняется во времени [14-17]. Слабое влияние возраста палеопочв на состав гумино-вых и фульвокислот отмечалось также в работе [18]. Гуминовые кислоты и их соотношение с другими компонентами гумуса сохраняются в диагенезе, их показатели, как правило, не выходят за типовые особенности, присущие соответствующим типам почв [15]. Таким образом, при диагностике и реконструкции палеоприродной среды могут применяться устойчивые во времени характеристики гумуса и его компонентов. Для Уральского региона уже есть рецентные материалы, которые позволяют воссоздать особенности палеопроиродной среды плейстоцена, используя метод актуализма [19-23]. На Южном Урале в последние годы начато изучение палеопочв, венчающих Сарыкульскую свиту, приуроченных к границе между нижним и средним плейстоценом [24]. Они были вскрыты несколькими разрезами в отложениях бортов Миасского карьера. Полученные новые данные явились побудительным мотивом, чтобы вернуться к поднятой нами ранее проблеме [25]. Цель настоящей публикации: показать своеобразие Сарыкульских палеопочв Южного Урала с позиций палеопедологии для дальнейшего встраивания их в систему разновозрастных почв Урала. Материалы и методики исследования Объекты исследований - палеопочвы отложений, вскрытых разрезами в бортах Миасского карьера на Южном Урале. Административно карьер находится в Челябинской области (55°04'38" с.ш., 60°07'47" в.д.). Он приурочен к провинции восточных предгорий Уральского хребта, Кундравинско-Уча-линскому району сосново-березовых лесов сосново-лесной зоны Урала [26]. Абсолютная высота лежит в пределах 376-380 м над ур. м. Среднегодовая температура воздуха в районе исследования составляет +1,8°С, средняя температура января колеблется около -16,2°С, июля - +18,8°С. За год выпадает около 560 мм осадков [27]. Глубина снежного покрова не превышает 60-90 см, глубина промерзания почв варьирует от 50 до 80 ем. Таким образом, современные континентальные климатические условия способствуют формированию на изучаемой предгорной территории лесных сообществ. Палеопочвы, перекрывающие Сарыкульский горизонт, близки по морфологии, поэтому на данном этапе аналитическим исследованиям подвергнуты палеопочвы двух разрезов (2-013 и 9-014), для которых определены основные физико-химические характеристики, а также состав, соотношение гумусовых веществ и их спектральные свойства. Сарыкульские палеопочвы, приуроченные к подошве двадцатиметровых вскрытых карьером отложений, представляющих собой делювиальные суглинки хлорит-серицит-кварцевых сланцев [24], в момент отбора образцов были перекрыты сверху суглинками мощностью до 210 см. Образцы палеопочв отбирались с учетом границ генетических горизонтов сплошной колонкой с шагом не более 5-10 см. Удельная магнитная восприимчивость (МВ) определялась на каппаметре Kappabrig KLY-2 (Чехословакия). Гранулометрический состав изучался пипеточным методом, актуальная кислотность - с использованием рН-метра «Анион 4100» (Россия), карбонаты - ацидиметрически, обменные кальций и магний - по Иванову [28-30]. Общий органический углерод определен по Тюрину, состав гумуса - по Пономаревой-Плотниковой (модификация метода 1968 г.) [31]. Гу-миновые кислоты (ГК) выделялись 0,1н NaOH из предварительно декальци-рованных палеопочв и осаждались из щелочных растворов 2н HCl, повторно растворялись в щелочи и переосаждались. Традиционной жесткой очистки препаратов гуминовых кислот 6н HCl или смесью HF и HCl не проводилось. Элементный состав гуминовых кислот определялся на автоматическом элементном CHNS-O анализаторе EURO EA-3000 (Италия) и дублировался по Преглю. Спектральные характеристики гуминовых кислот получены с помощью спектрофотометра UV-1650 (Япония) и флуоресцентного спектрофотометра Cary Eclipse (США). Коэффициенты цветности (Е4:Е6) определялись по Вельте [32]. Для количественной характеристики флуоресцентных свойств гуминовых кислот использовали три показателя: длина волны положения максимума спектра (^max), первый момент (Mj), представляющий собой средневзвешенное значение частоты контура флуоресценции, и коэффициент (а) - соотношение интегральных интенсивностей при длинах волн в областях максимальной интенсивности флуоресценции в синей и красной частях спектра. Статистическая обработка данных проводилась с помощью программы StatSoft STATISTICA 8.0. Результаты исследования и обсуждение Морфологически в Сарыкульских палеопочвах выделяется хорошо развитый горизонт [А] и меньшей мощности горизонт [В]. Каждый из этих горизонтов имеет близкие характеристики в рассматриваемых почвах. Зачистка 2-013 вскрывает палеопочву общей мощностью 90 см, в которой четко выделяются два горизонта [A] и [В]. Горизонт [А] (0-69(72) см) имеет темно-серую окраску; это плотный, непрочной пластинчато-комковатой структуры, суглинистого гранулометрического состава, с присутствием карбонатного псевдомицелия и Fe-Mn примазками, вскипающий от 10% HCl горизонт, нижняя граница которого имеет волнистый характер и ясный по окраске переход в горизонт [В]. В почве этого разреза вскрыто только 20 см горизонта [В], который характеризуется как палевый, менее плотный, пластинчато-комковато-пылева-тый, с единичными Fe-Mn конкрециями, не вскипающий от HCl, имеющий более легкий по сравнению с предыдущим горизонтом гранулометрический состав. Почва, вскрытая разрезом 9-014, сходна по морфологическим признакам, имеет близкую мощность гумусированной толщи, не превышающую 78 см, и горизонт [В] - около 30 см, который, как и в предыдущей почве, не вскипает от HCl. Структура, состав, плотность, карбонатные и Fe-Mn новообразования также позволяют говорить о близости этих почв по морфологии. Для корреляции рассматриваемых почв использовалась также удельная магнитная восприимчивость почвенной массы, которая, как показано во многих работах, очень устойчива во времени, интегрально отражает спе-цифику состава и условия формирования осадка или почв и может успешно применяться при ближних корреляциях объектов [11, 33-36]. Сравнение изученных палеопочв по величине магнитной восприимчивости (рис. 1) показало их близость. Так, верхняя 40-сантиметровая толща отличается величиной магнитной восприимчивости, лежащей в обеих почвах в диапазоне 1,3-1,610-6/г и увеличивающейся книзу как в пределах этой верхней толщи, так и в следующих 30 сантиметрах (1,9-2,6 10-6/г). Существенные различия величин удельной магнитной восприимчивости выявлены только в горизонтах [В], где в пале-опочве разреза 2-013 она выше почти на единицу, чем в разрезе 9-014 (2,8-2,910-6/г и 1,8-1,910-6/г соответственно). Таким образом, сравниваемые гумусовые горизонты палеопочв близки по одному из интегральных показателей почвообразования - магнитной восприимчивости, величина которой связана с процессами накопления магнитных минералов (в частности, ферромагнетиков) и процессом гумусообразо-вания [33, 34]. Анализ гранулометрического состава палеопочв, который рассматривается на примере разреза 9-014 (рис. 2), показал преобладание фракций мелкого песка (более 55% от массы почвы) и ила (10-17%). Верхняя часть гумусового горизонта до глубины 30 см имеет легкосуглинистый состав, а нижняя часть и горизонт [В] - супесчаный. Перераспределения илистой фракции по почвенному профилю не выявлено. Пределы изменения MB [The limits of MS variation] [А] 100 20 40 60 я I S ю а ЛВ] 80 а b Рис. 1. Корреляция палеопочв в отложениях Миасского карьера по магнитной восприимчивости: a - разрез 2-013; b - разрез 9-014. Значения МВ даны в %-10-6/г СГСЕ [Fig. 1. Correlation of paleosols in the sediments of the Miass quarry according to magnetic susceptibility: a - Section 2-013; b - Section 9-014. The values of MV are given in X'10-6/g SGSE] Рис. 2. Гранулометрический состав палеопочвы, вскрытой разрезом 9-014 [Fig. 2. Soil texture in Section 9-014] Для рассматриваемых почв характерны также близкие показатели реакции среды, содержания обменных оснований с преобладанием в них кальция над магнием при высокой доле последнего, а также относительно высокое содержание аморфного железа (табл. 1). Т а б л и ц а 1 [Table 1] Средневзвешенные характеристики вещественного состава горизонтов Сарыкульских палеопочв [Weighted average characteristics of the material composition of Sarykul paleosol horizons] Число повтор-ностей (n) [Number of replications] Са2+ Mg2+ Fe.O, по С , % орг [TOC, %] %Т0-6/г СГСЕ [X-10-6 /g SGSE] СаСО3, % рнн2О мг-экв/100 г [mmol/kg] Тамму, мг/100 г ^3 by Tamm, mg / 100g] Разрез 2-013, горизонт [А] [Section 2-013, Horizon [A]] n = 7 0,77 1,75 4,1 7,60-7,84 15,3 10,3 53,1 Разрез 2-013, горизонт [В] [Section 2-013, Horizon [B]] n = 2 0,09 2,84 0 7,00-7,10 7,2 6,6 22,0 Разрез 9-014, горизонт [А] [Section 9-014, Horizon [A]] n = 8 0,54 1,88 1,7 7,62-7,88 15,4 11,9 94,3 Разрез 9-014, горизонт [В] [Section 9-014, Horizon [B]] n = 3 0,08 1,90 0 7,70-7,83 13,4 12,3 47,4 Судя по данным, отражающим закономерности содержания общего органического углерода в почвах разного возраста [14], изученные палеопочвы содержат относительно высокое количество общего органического углерода по сравнению с почвами аналогичного возраста других территорий. Горизонты [В], в отличие от горизонтов [А], характеризуются отсутствием карбонатов, практически на порядок меньшим содержанием гумуса и в 2 раза меньшим - аморфного железа. Несмотря на близость по абсолютным средневзвешенным показателям, изменение их по профилю не идентично, хотя и имеет общий характер (рис. 3). Непараллельное изменение магнитной восприимчивости и содержания общего органического углерода с глубиной в обеих палеопочвах позволяет думать, что почвы прошли стадию относительно повышенного увлажнения [11]. Возможно, с этим связано невысокое содержание карбонатов и даже их отсутствие в горизонтах [В], а также относительно высокое содержание аморфного железа, наличие которого обычно связывают с сезонным или постоянным увлажнением [37]. Вероятно, формирование гумусового горизонта происходило в меняющихся условиях. В основу диагностики и реконструкции палеоприродной среды в период формирования Сарыкульских палеопочв нами положены характеристики гумуса и гуминовых кислот, составляющие память почв [15]. Анализ гумусовых профилеграмм (рис. 4, A, B) показал, что в групповом составе гумуса Сарыкульских палеопочв преобладают гуминовые кислоты, доля которых в гумусовых горизонтах достигает 50%. Негидролизуемые формы гумуса составляют менее 30%. Среди гуминовых кислот существенно преобладают гуматы кальция. Фракция ГК, связанная с глинистыми частицами, представлена незначительной долей, бурые ГК - в следовых количествах. СГСЕ/i [SGSM/g] с,% О 0.2 0,4 0,6 0.S 1 4-'-1-г^ Т|',0,. мг/100 г [mgfl&O g] О 40 So 120 \ / \ Ч / - 40 Ъ бо a Х-10-e СТСХ'г [SGSM/g] с,% О 0.2 0.4 О.б 0,8 1 ГегОз, мг/100 г Jmg/100 g] О 40 SO 120 ' ) b Рис. 3. Профильный ход изменения некоторых характеристик палеопочв: a - разрез 2-013; b - разрез 9-014 [Fig. 3. The profile variation of some characteristics of paleosols: a - Section 2-013; b - Section 9-014] В целом групповой состав гумуса палеопочв обладает характерными для современных черноземных почв лесостепных условий формирования признаками: гуминовые кислоты, среди которых наибольшую долю составляют гуматы кальция, преобладают в его составе над фульвокислотами. Это проявляется в величинах отношений углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот, которые в горизонтах [A] превышают 1,5 и соответствуют гу-матному составу гумуса (табл. 2). В горизонтах [В] содержание гуминовых кислот снижается, что влечет уменьшение абсолютных величин интегрального показателя СГК:СФК. Новые данные, характеризующие элементный состав гуминовых кислот и их спектральные характеристики горизонта А разреза 9-014, свидетельствуют о формировании Сарыкульской палеопочвы в условиях лесостепи (табл. 2). Так, параметры соотношения основных структурообразующих элементов -H:C - лежат в пределах, установленных для лесостепных почв [21-22]. Кроме того, они показывают, что формирование гумусового горизонта этой почвы происходило в меняющихся от более сухих и теплых условий к более влажным и затем снова к относительно более сухим, поскольку величина отношения Н:С увеличивается от подошвы горизонта к средней его части и затем вновь уменьшается к его кровле. Доля гуминовых кислот в составе гумуса, их соотношение с фульвокислотами, а также все спектральные характеристики гуминовых кислот в целом подтверждают эти изменения (см. табл. 2). Рис. 4. Гумусовый профиль палеопочв: А - разрез 2-013, В - разрез 9-014. Обозначения: a - общий органический углерод, % к почве; содержание углерода групп и фракций гумусовых веществ, % к общему органическому углероду; b - сумма гуминовых кислот (ГК); c - сумма фульвокислот (ФК); d - негидролизуемые формы гумуса; e - ГК фр.1; f - ГК фр. 2; g - ГК фр. 3; h - ФК фр. 1а; i - С^:^ [Fig. 4. Humus profile of paleosols: A - Section 2-013, В - Section 9-014. a - Total organic carbon, % of the soil; carbon content of groups and fractions of humic substances, % of total organic carbon: b - Humic acids (HA); c - Fulvic acids (FA); d - Nonhydrolyzable forms of humus, e - HA fractions 1; f - HA fractions 2; g - HA fractions 3; h - FA 1a fractions; i - CHA:CFA] Т а б л и ц а 2 [Table 2] Характеристики гумусовой составляющей Сарыкульской палеопочвы [Characteristics of humus component of Sarykul paleosols] Глубина, см [Depth, cm] Доля ГК в составе гумуса [HA share in humus content] С :С ГК' ФК PhaCJ H:C Е4:Е6 I max Mi а 0-10 47,8 1,90 0,89 3,45 490 501 0,89 10-20 50,6 1,86 0,92 3,49 504 501 0,97 20-30 53,2 1,93 0,95 3,52 482 493 0,91 40-50 52,2 1,88 0,96 3,44 495 502 0,87 50-60 46,2 1,71 0,90 3,45 497 500 0,79 60-70 47,9 1,52 0,86 3,42 497 499 1,10 moment-weighted average rate of fluorescence contour; (а) - coefficient -ratio of integral intensities at wavelengths in the regions of the maximum intensity of fluorescence in blue and red parts of the spectrum. На основании установленной М.И. Дергачевой связи между соотношением структурообразующих элементов (Н:С) и периодом биологической активности (ПБА) [15, 22] выявлено, что полученные показатели соотношения величин Н:С гуминовых кислот палеопочв лежат в области значений периода биологической активности, характерных для современных лесостепных условий с черноземами выщелоченными (рис. 4). 1 !:С 1.8 0.41-,-,-,-,-V^-i-,-■- 40 60 SO 100 120 140 160 180 ПБЛ, дни [PBA, days] Рис. 5. Определение периода биологической активности по соотношению величин Н:С гуминовых кислот палеопочв. Обозначения: ГК горизонта [А] палеопочвы: глубина, см: 1 - 60-70; 2 - 50-60; 3 - 40-50; 4 - 20-30; 5 - 10-20; 6 - 0-10 [Fig. 5. Determination of the period of biological activity (PBA) by the ratio of H: C in humic acids of paleosols. Legend: HA of paleosol horizon [A]: depth, cm: 1 - 60-70; 2 - 50-60; 3 - 40-50; 4 - 20-30; 5 - 10-20; 6 - 0-10] Заключение Сарыкульские палеопочвы в отложениях Миасского карьера отличаются значительной мощностью гумусового горизонта и относительно высоким для плейстоценовых почв содержанием общего органического углерода. Особенности изменения с глубиной магнитной восприимчивости, содержания карбонатов и аморфного железа позволяют предполагать прохождение палеопочвами стадии относительно повышенного увлажнения. Соотношение основных компонентов гумуса Сарыкульских палеопочв лежит в пределах, характерных для черноземных почв, формирующихся в современных лесостепных условиях. Показатели элементного состава гуминовых кислот и их спектральные характеристики близки к таковым в современных черноземах выщелоченных, хотя свидетельствуют о возможности формирования гумусового горизонта в условиях меняющегося увлажнения. Проведенная диагностика экологических условий формирования Са-рыкульских палеопочв позволяет заключить, что климатические условия на границе раннего-среднего плейстоцена в пределах современной лесной зоны на Южном Урале были относительно теплыми, соответствующими лесостепным условиям. Представленные материалы могут способствовать установлению закономерностей изменения климата локальных территорий в контексте глобальных климатических трендов.

Скачать электронную версию публикации