Методы изучения эволюции и возраста палеопочв

Для понимания эволюции почв и почвенного покрова важную роль играют исследования погребенных почв, реликтовых признаков почвенных горизонтов и почв в целом. Изучение ископаемых почв (палеопочв) дает очень ценный материал для суждения о географической обстановке минувших эпох. Ископаемые почвы существуют почти везде, где происходили изменения в осадконакоплении, связанные с тектонической деятельностью, оледенением, миграциями пойм, дельт и т. д.

Прошлые эпохи почвообразования в почвенном профиле диагностируют так называемые реликтовые признаки современных почв. Реликтовые признаки почв — это все свойства современной почвы, не соответствующие современным условиям почвообразования, например, железисто-марганцевые конкреции в хорошо аэрируемых почвах, запасы гумуса и фракционный состав гумуса, присутствие железистых, карбонатных и других аккумулятивных горизонтов в почвах, наличие кротовин несовременного происхождения и т. д. Наиболее часто реликтовые признаки свидетельствуют о сменах гидрологического режима (палеогидроморфизм) обычно под влиянием смены климата.

К реликтам гидроморфизма можно отнести следующие признаки: 1) прослои гальки, гравия, песка в почвах, особенно часто встречающиеся на пролювиальных равнинах; 2) слоистость; 3) оглеенные горизонты в средней и нижней частях профиля; 4) горизонты аккумуляции гипса и легкорастворимых солей в почвах (если они развиты на первоначально незаселенных породах).

В зависимости от соотношения скоростей аккумуляции и денудации твердого материала на поверхности почвы и скоростей почвообразования и выветривания выделяют три основных тренда почвообразования.

• 1. Автохтонный, или нормальный. Почвообразование идет при фиксированном объеме и конечном запасе веществ исходной породы на стабильной дневной поверхности, почва «растет» в глубь породы. В стабильных условиях почвообразовательный процесс направлен на формирование «климаксной» почвы равновесной со средой. На это указывали В. В. Докучаев, А. А. Роде, Г. Пенни и др.
• 2. Аллохтонно-аккумулятивный. Почвообразование происходит при регулярном поступлении на дневную поверхность твердого материала извне (эолового, аэрально-вулканического, флюанального). Почва как бы «скользит» вверх по растущей толще породы, оставляя в глубине погребенные профили. В таких условиях образование «климаксной» почвы маловероятно.
• 3. Денудационный. Почвообразование идет при регулярном удалении твердого материала с дневной поверхности. В результате образуются постепенно срезаемые денудацией и «прирастающие» снизу омолаживаемые почвы, которые не только растут в глубь, но и как бы «скользят» в глубь породы всем профилем. Образование «климаксного» профиля невозможно. Кроме трех основных выделяются также турбационный, в котором происходит процесс направленных зоотурбаций с выносом материала на поверхность почв и гидрогенно-аккумулятивный, в котором наблюдается саморазвитие почв при заболачивании.

В каждом из указанных трендов саморазвитие почв существенно отличается. В автохтонном тренде идет непрерывное саморазвитие, т. е. образование почвы во времени при стабильном состоянии абиогенных факторов среды и развитии биотических факторов. Саморазвитие обычно подразделяют на два последовательных этапа:

• 1. Развитие от нульмомента (неизменной материнской породы) до образования зрелого профиля, в какой-то мере равновесного со средой (начальный период саморазвития по А. А. Роде, малый цикл жизни почвы по А. Г. Розанову, направленное саморазвитие по В. О. Таргульяну и А.Л. Александровскому).
• 2. Квазиравновесное или равновесное существование зрелого профиля. При этом состоянии характеристики почвы не меняются или колеблются около среднего значения.

Эволюция почв (по В. О. Таргульяну и А.Л. Александровскому) — это развитие, при котором почва претерпевает более чем один период саморазвития. При этом почва трансформируется вслед за изменениями факторов почвообразования. Почвы, пережившие одно состояние (один период саморазвития), считают моногенетичными, несколько состояний — полигенетичными. Различают также почвы погребенные, т. е. перекрытые наносами. В противоположность им почвы непогребенные иногда именуют экспонированными, или дневными.

Методы, используемые для изучения эволюции почв. Первая группа методов — профильные, заключающиеся в реконструкции последовательности изменения почв путем изучения статичных состояний профилей. Во вторую группу входят методы межпрофильных сравнений: сравнение почвенных профилей в пространстве (сравнительно-географические методы) и сравнение во времени (сравнительно-хронологические, или метод хронорядов почв). Третью группу методов изучения эволюции почв составляют палеогеографические методы, которые заключаются в реконструкции трансформации почвообразования по данным палеогеографии об изменениях природной среды (спорово-пыльцевой, фитолитный и др.). Четвертая группа — комплексные методы: исторический, почвенно-археологический и биогеоценотический.

Профильные методы изучения погребённых почв. Суть метода заключается в детальном изучении почвенного профиля в морфологическом, химическом и прочих аспектах, а также генетико-эволюционной интерпретации полученных результатов. При этом необходимо учитывать разновременность и синхронность процессов, происходящих в почвенном профиле, разные скорость и интенсивность почвообразования, неоднозначность роли в формировании почвенного профиля тех или иных внутригенетических почвенных горизонтов. Наряду с морфологическим широко применяется также и микроморфологическое изучение почвенного профиля. При этом выявление реликтовых микропризнаков, имеющихся в почвенных горизонтах, может дать дополнительный материал для анализа условий почвообразования. К ним можно отнести степень выветренности минералов или запасы гумуса, не соответствующие современной продуктивности фитоценозов, фракционный состав гумуса, наличие железистых, карбонатных и других горизонтов почв там, где в ходе современных процессов такие аккумуляции не могут создаваться. Для территорий с мощным покровом мелкоземистых отложений немаловажную роль играет также глубокопочвенные исследования до глубины 5−7 м. Они имеют значение для установления процессов палеогидроморфизма, аллоктонности гипса или карбонатов, встречающихся в почвенном разрезе и не соответствующих современным условиям.

Методы межпрофильных сравнений. Суть этой группы методов заключается в сопоставлении особенностей строения и свойств почв с факторами почвообразования. Сопоставляются почвы различных ландшафтов для нахождения корреляции и генетических связей между ними или наоборот для установления различий между ними. Для геологических исследований большое значение имеет метод сопоставления одновозрастных погребённых почв. Погребённые почвы как объект изучения имеют ряд особенностей. Самым главным является прекращение нормального процесса почвообразования и биологического круговорота вещества. Почва как бы «консервируется», и в ней длительное время сохраняются индивидуальные особенности почв, характерные для неё до момента погребения. Исходными (первичными, диагностическими) признаками погребённых почв являются общее строение вертикального почвенного профиля, некоторая дифференциация его генетических горизонтов, особенности микроструктуры, гранулометрический состав почв, наличие плотных новообразований типа карбонатных конкреций, полуторных окислов и т. д.

Палеогеографический метод изучения почв заключается в реконструкции изменений почвообразования по данным палеогеографии, касающихся изменений природной среды (климат, биота, тектонические движения). В основе изучения лежат объекты и методы палеоботаники, палеозоологии, палеоклиматологии и др. Палеогеографический метод в общем виде выступает как палеоландшафтный с включением литолого-геохимического, палеогидрогеологического, палеоботанического и других методов изучения природной среды. Здесь особое значение имеет спорово-пыльцевой метод, дающий основную информацию об истории растительности и климата изучаемых эпох. По процентному соотношению содержания пыльцы и спор растений можно реконструировать характер растительного покрова и климатических условий разных эпох четвертичного периода.

Применение почвенно-археологического метода связано с изучением почв археологических памятников, стоянок древнего человека. При этом изучаются почвы насыпей, выемок и погребённые почвы. Почвы современной поверхности служат фоном для сопоставления с вышеперечисленными. Археологическим методом можно установить время погребения почвы, начало почвообразования на насыпях и выемках. Путем сопоставления погребённых почв друг с другом и с современной фоновой почвой можно выявить этапы и проследить изменение скорости почвообразования. Погребённые почвы в меньшей степени изменены в результате антропогенного воздействия и поэтому они могут служить эталоном незагрязнённой среды данной местности. В результате изучения погребённых почв возможна реконструкция природных условий различных временных отрезков четвертичного периода.

Методы определения возраста почв. Возраст почв — основа современных исследований эволюции почв. В настоящее время недостаточно определения простой последовательности почвенных событий, необходимо знать их точные хронологические рамки. Только на точной хронологической основе данные об эволюции почв могут использоваться для реконструкции геологической обстановки прошлых эпох, оценки скорости почвообразовательных процессов и в прогнозных целях. Различают абсолютный и относительный возраст почв.

Абсолютный возраст почв — длительность образования и существования почв в единицах времени. Относительный или сравнительный возраст почв означает принадлежность почв к определённым ступеням развития (юность, молодость, зрелость и т. д.), т. е. сравнительную оценку возраста различных почв по принципу старше-моложе. Кроме того, следует различать два основных понятия «возраста почвы»: а) возраст как продолжительность формирования почвы от нуль-момента до времени наблюдения, погребения почвы или завершения определенной стадии её формирования (подобное понимание возраста на сегодняшний день преобладает в почвоведении) и б) возраст как давность, древность почвы, почвенного события, т. е. их положения на шкале геологического времени, называемое геологическим возрастом почвы.

В настоящее время существует ряд методов, применяемых при определении возраста почв.

Методы абсолютного датирования. Абсолютный возраст почв определяют этим методом по независимой абсолютной шкале астрономического времени. «Абсолютность» возраста заключается именно в этом, а не в абсолютной точности или истинности. Ошибки метода (в годах, тысячелетиях) могут быть значительными. Изотопно-геохимические и физические методы в наибольшей степени соответствуют абсолютному датированию.

Радиоуглеродный метод является ведущим в ряду рассматриваемых методов, применяемый для определения возраста погребённых почв. Метод основан на том, что удельная активность радиоуглерода (¹⁴С) с момента образования органического вещества — хитина, коллагена костей, раковин, гумуса, карбонатов почв — постепенно снижается (период полураспада 5700 лет). На современном уровне развития техники датирования с помощью радиоуглерода можно определить возраст образцов, древность которых не превышает 60 000 лет. Точность метода при предельных значениях возраста образцов (более 40 000 лет) и нескольких сотен лет невысока. Наиболее точно по ¹⁴С можно датировать образцы голоценового возраста. Радиоуглеродным методом датируются все гумусовые вещества, накопившиеся в образце почвы за все время ее существования. Усредненность радиоуглеродных дат отражает используемое понятие m.r.t. (Middle residence time) СВПУ среднее время пребывания углерода в гумусе почв, определяемое радиометрически (по удельной радиоактивности). Этот термин не дает информации ни о длительности интервала времени, в течение которого образовался этот гумус, ни тем более о длительности формирования почвы, а соответствует какому-то моменту в пределах этого интервала. Большую генетическую нагрузку несет понятие ''радиоуглеродный возраст гумуса почв'', означающий для верхних горизонтов современных почв скорость обновления углерода гумуса (углеродного обмена); для реликтовых горизонтов в профиле современных почв минимальное время существования данного горизонта, в разной степени омоложенного современными процессами; для ископаемых почв минимальное время их погребения (Чичагова, Черкинский, 1983).

Термолюминисцентый метод датирования производится путем измерения светосуммы (в основном кварца) и используется главным образом для датирования событий плейстоцена.

Палеомагнитный метод основан на способности отложений в момент образования приобретать намагниченность по направлению и величине соответствующую магнитному полю данного конкретного отрезка времени. Направление приобретенной намагниченности совпадает с направлением вектора напряженности магнитного поля данного времени в данной точке. Временные интервалы преобладания какой-либо одной полярности получили название геомагнитных эпох, а в их пределах выделяются меньшие по длительности интервалы различной полярности, называемые геомагнитными эпизодами. В истории Земли определены несколько геомагнитных эпох с прямой и обратной полярностью. Современная эпоха «прямой» полярности называется Брюнес, которая началась около 690 тыс. лет тому назад после окончания эпохи обратной полярности Матуяма. В пределах этих эпох выделяют кратковременные геомагнитные события. Например, известное последнее геомагнитное кратковременное отклонение геомагнитного поля в эпохе Брюнес — Гетерборг, который датируется в 12 тыс. лет.

Исторический метод датирования состоит в оценке времени почвенных событий по картам и другим историко-географическим источникам и применим в изучении событий последних двух-трёх столетий.

Археологический метод датирования производится при помощи археологической периодизации, которую по отношению к почвенным и геологическим событиям можно считать археологическим календарем. Археологический календарь основан на системе последовательной смены датированных археологических памятников и выделенных в ходе их изучения археологических культур, эпох. Система эта создана на основе нескольких методов: типологического (сопоставление форм древних предметов, способов орнаментации глинистых сосудов и т. д.), стратиграфического (исследование последовательности залегания слоев, содержащих следы деятельности человека) и других методов датирования — радиуглеродного, палеомагнитного и т. д.

Широко применяются также методы округления возраста почв лихенометрический ? по относительной величине слоев накипных лишайников, аминокислотный ? по уменьшению содержания аминокислот органических остатках, дендрохронологический — по подсчету годовых колец деревьев, варвометрический ? по подсчету годичных слоев озерных отложений и др. методы.

Методы относительного датирования почв. Геолого-геоморфологический метод датирования возраста почв определяется путем датирования поверхности, на которой она находится. Известно, что в поймах почвы моложе, чем на террасах, на водоразделах? древнее, чем на склонах. Вместе с тем следует иметь в виду несовпадение возраста современных почв и геолого-геоморфологических единиц (террас, поверхностей выравнивания), на которой формируются почвы. Разновозрастные террасы могут быть перекрыты одновозрастным покровом отложений; велика роль склоновых, эоловых и других процессов в нивелировании возраста поверхностей и почв. Поэтому определение возраста современных и древних почв, получаемые геолого-геоморфологическим методом, должно корректироваться с помощью других методов.

Стратиграфический метод тоже используется с давних времен для датирования погребённых почв четвертичного периода. Суть метода заключается в том, что вверх по стратиграфической колонке должны залегать молодые погребенные почвы. С помощью этого метода осуществляют хронологическую корреляцию палеопочв. Этот метод включает частные лито-, биои почвенностратиграфические методы датирования.

Тефрохронология ? один из методов датирования с помощью реперных горизонтов, в основном прослоек вулканического пепла (тефр), широко применяется в районах с интенсивной вулканической деятельностью (Камчатка, Япония, Новая Зеландия).

Метод морфотипов. Определение возраста почв проводится на основе диагностических (морфотипных) признаков древних эпох почвообразования. На основании диагностических признаков почв разного возраста лёссовых отложений Узбекистана можно широко использовать данный метод.

Споро-пыльцевой метод определения возраста почв основан на сопоставлении споро-пыльцевых спектров датируемых объектов с эталонным региональным спектром отдельных геологических этапов. Этот метод широко применяется в регионах с наличием торфяных или других горизонтов с органическими остатками, к сожалению, для условий Узбекистана из-за отсутствия таких горизонтов применение данного метода весьма ограничено. Однако проведённые исследования показывают, что данный метод может дать богатый материал для палеогеографических построений.

Почвенные методы датирования. Существует принципиальная возможность датирования по собственно почвенным признакам и свойствам. Возраст почв на качественном уровне можно оценить, основываясь на степени развития (зрелости) почвенного профиля. Почва может находиться на стадиях саморазвития: предпочва, первичная почва, развивающаяся (рост почвенного профиля вглубь) и климаксная. При наличии данных по абсолютному и относительному датированию стадий возможна количественная или качественная оценка возраста почв. Определение возраста почв и почвенных признаков основано на оценке скорости протекания процессов (десятки лет на режимных и полевых экспериментах; сотни, тысячи лет — при сопоставлении параметров разновозрастных погребенных почв) и характере ее изменения. Делается предположение, что скорость процесса за экстраполируемый период времени оставалась неизменной или изменялась по определенному закону.

Возраст почвы или ее отдельных признаков рассчитывается по приращению показателей. Ограничение метода заключается в неизученности закона изменения скорости процесса. В научной литературе приведены следующие оценки возраста почв: серозем? 4000 лет (по скорости накопления фосфора в верхнем горизонте), солончак Голодной степи? 50−500 лет (по накоплению гипса). Возраст лугово-черноземных почв (по накоплению CaCO₃) с известковистым горизонтом мощностью 1 м по скорости его накопления определен 1000 лет, горизонт карбонатной аккумуляции чернозема 3500−7000 лет. Усредненная скорость приращения гумусового горизонта чернозема 0,06−0,08 мм/год.

В целом можно отметить, что дальнейшие исследования в этом направлении дадут возможность создать почвенный календарь (шкалу) четвертичного периода. Наиболее важными почвенными показателями для составления такой шкалы будет мощность гумусовых горизонтов и почвенного профиля в целом, формы и размеры новообразований, структура почвенного профиля разновозрастных почв и др.

На основе вышеизложенного обзора можно утверждать, что в настоящее время имеются разнообразные методы изучения возраста палеопочв. Особое место в этом ряду занимает группа палеопочвенных методов, позволяющих изучать историю развития почвенного покрова в теснейшей связи с эволюцией физико-географических и геологических условий соответствующих территорий.

Вопросы для самоконтроля

• 1. Что называют почвой?
• 2. Какие почвенные горизонты выделяют по степени развития?
• 3. На какие две группы можно разделить органическое вещество почвы?
• 4. Как подразделяются почвенные биологические процессы?
• 5. Какие существуют характерные внешние признаки у почв?
• 6. От чего зависит цвет почвы, приведите примеры?
• 7. Каковы основные типы структур почв?
• 8. Что понимают под сложением почвы?
• 9. На что указывают новообразования у почв?
• 10. Что такое карбонатные выделения у палеопочв, приведите примеры?
• 11. Какие морфологические особенности можно выделить у палеопочв?
• 12. Что такое биогенный, биогеоморфологический и биоклиматический циклы развития почв?
• 13. Какие признаки можно отнести к реликтам гидроморфизма у почв?
• 14. Назовите основные тренды почвообразования?
• 15. Что подразумевают под эволюцией почвы?
• 16. Какими методами изучаются ископаемые почвы?
• 17. В чем отличие профильного метода изучения палеопочв от метода межпрофильных сравнений?
• 18. Какие методы определяют абсолютный возраст почв?
• 19. Какие методы определяют относительный возраст почв?
• 20. Какое значение имеет археологический метод датирования палеопочв?
• 21. Какова особенность почвенного метода датирования?