Экосистемы значительной части Камчатки развиваются под постоянным воздействием вулканизма. На полуострове в настоящее время насчитывают около 30 действующих вулканов [4] и сотни вулканических образований, проявлявших активность в голоцене. Склоны и подножия активных вулканов на площади в десятки и сотни квадратных километров покрыты продуктами извержений. На мощных, зачастую многометровых толщах вулканических отложений начинается первичная сукцессия, которая на рыхлых вулканитах может длиться сотни лет, а на лаве даже тысячи лет [2]. Столь высокая длительность связана не только с суровыми климатическими условиями северной части бореальной зоны, но и с внешними воздействиями в ходе сукцессий.
В последние годы на Камчатке Л.В. Захарихиной [3] проведено изучение формирования почв на рыхлой вулканической тефре (тефра – отложения пеплопадов: совокупность вулканического пепла, песка, лапилли и бомб), а также формирование мощного профиля слоисто-пепловых почв на лавовых потоках в районах интенсивных пеплопадов [5, 6, 7]. Однако в последнем случае процесс формирования почв нарушался многочисленными пеплопадами умеренной мощности, в результате чего формирующиеся почвы превращались в погребенные, а цикл образования гумусового горизонта начинался заново. При этом в ходе нарастания мощного, зачастую многометрового почвенно-пирокластического профиля терялась связь с материнской породой (лавой).
Таким образом, особенности формирования почв на лаве в «чистом» виде, без внесения тефры периодических пеплопадов, остаются неизученными на Камчатке.
Основной целью работы явилось выявление особенностей начальных этапов формирования почв на молодых лавовых потоках (возраст – десятки лет) и продвинутых стадиях сукцессии (возраст потоков – первые сотни лет).
Материалы и методы исследований
Исследования проведены на вулкане Ключевская сопка (лавовый поток Апахончич (1946 г.), Пийпа (1966 г.) Псевдотуйла (~300 лет) и на вулкане Толбачик – прорыв Северный 1975 г. и Южный 1975–1976 гг., лавовый поток Звезда (~ 270 лет), старый лавовый поток (~1000 лет). Оба вулкана принадлежат к Ключевской группе вулканов (центральная Камчатка) – гигантскому массиву, состоящему из 12 крупных и особо крупных вулканов. Лавовые потоки Апахончич и Псевдотуйла были исследованы в 2006 г., остальные потоки – в 2012–2013 гг.
Определение общего углерода проведено на анализаторе Flash 2000, актуальную и потенциальную кислотность почв исследовали потенциаметрически, содержание органического углерода исследовали общепринятыми методами (Аринушкина, 1970), элементный состав почв определен с помощью рентгенфлюоресцентного анализатора Shimadzu EDX-800.
Результаты исследований и их обсуждение
Мощность и другие морфологические особенности изученных почв определялись в первую очередь возрастом лавовых потоков, на которых они сформировались.
Так, на лавовом потоке Апахончич (60 лет на момент изучения), лавовом потоке Пийпа (47 лет) и лавовых потоках вулкана Толбачик (Южный, Северный прорывы 36–37 лет) почвообразование находится лишь в инициальной стадии. Потоки представляют собой нагромождение лавовых глыб, в понижениях между которыми идет аккумуляция мелкозема. Поверхностный слой мелкозема в таких понижениях на лавовом потоке Пийпа составляет от 0 до 2 см, по бортам потока достигает 4 см. Глыбы лав сплошь покрыты лишайником, в понижениях между глыбами селится мох, выбирая более увлажненные места. Лишайники вносят существенный вклад в процессы почвообразования. Они являются «пионерами», т.е. первыми организмами, заселяющими субстрат в процессе первичной сукцессии. Как известно, лишайники выделяют кислоты, способствующие разрушению субстрата, и тем самым участвуют в процессах выветривания. Наши наблюдения показали, что под лишайниками самый поверхностный слой лав становится более рыхлым, рассыпается на мелкие отдельности.
Мелкозем на лавовом потоке Пийпа представляет собой серый (при высыхании светло-серый) мелкий песок. Содержание органического углерода в мелкоземе не превышает 0,25 %, величина актуальной кислотности (рНвод.) составляет 6,5 и характеризуется как нейтральная, величина обменной кислотности (рНсол.) – 5,2 (среднекислая).
На молодом лавовом потоке Апахончич, аккумулирующийся в понижениях между лавами мелкозем имеет мощность от 0 до 7 см. С поверхности (2–3 см) мелкозем представлен серым (при высыхании – светло-серым) мелким песком, ниже – желтовато-палевой супесью. Растительность здесь весьма разреженная, в виде отдельных растений или небольших куртин, представлена ивой арктической, злаками, бобовыми, разнотравьем, есть отдельные ивы высотой до 2 м. Почти повсюду на поверхности моховой покров разной степени плотности, на глыбах лавы – лишайники. В мелкоземе определено содержание общего углерода, которое соответствует очень низким значениям до 0,15 %. Согласно показателям рН водной вытяжки мелкозем имеет нейтральную реакцию среды. По данным рН солевой вытяжки отмечена среднекислая реакция среды (рН 5–5,1).
На изученных лавовых потоках Южного и Северного прорывов (вулкан Толбачик) растительность единична, формируется в понижениях, где идет аккумуляция мелкозема и представлена в основном моховым и лишайниковым покровом. Мощность мелкозема в таких понижениях не превышает 5 см (часто от 0,5 до 1,5 см). На лавовом потоке Южного прорыва единично встречается лиственница, ива (высота не более 20–30 см). На некоторых участках лав Северного прорыва отмечается молодой ольховый стланик (до 40 см в высоту), иван-чай, злаки. Мелкозем представлен темно-серым до черного мелким песком. Минимальное содержание органического углерода обнаруживается на глыбах лав под лишайниками (не более 0,1 %), в понижениях между лавами накапливается мелкозем, содержащий от 0,2 до 0,5 % органического углерода. Согласно показателям рН водной вытяжки, мелкозем имеет нейтральную реакцию среды (6,5–6,7 на лавах Южного прорыва и 6,7–7,0 – на лавах Северного), что в свою очередь благоприятно для развития растительности. По данным рН солевой вытяжки отмечена слабокислая реакция среды (рН 5,7–6,1) на лавовом потоке Северного прорыва и среднекислая (5,1–5,3) на лавах Южного прорыва.
Исследован также элементный состав мелкозема на лавовых потоках. В целях сравнения были выбраны 2 лавовых потока: Апахончич (вулкан Ключевская сопка) и лавовый поток 1975 г. (Южный прорыв, вулкан Толбачик). Изученные образцы имели некоторые отличия и по элементному составу. Установлено, что в мелкоземе на молодом лавовом потоке вулкана Толбачик содержание бария и меди выше, чем на лавовом потоке Апахончич в 1,5 и 3 раза соответственно. По остальным элементам (Fe, S, Cr, Ni, Zn, Ga, Y, Zr, Pb) особых различий не наблюдалось (таблица).
Содержание элементов и оксидов металлов в образцах тефры с лавовых потоков Южного прорыва (Толбачик) и Апахончич (Ключевская сопка)
|
Средние значения содержания элементов, % |
|||||||||
|
Лавовый поток |
F |
S |
Cr |
Cu |
Zn |
Ga |
Y |
Zr |
Ba |
|
Южный прорыв |
0,032 |
0,026 |
0,0105 |
0,0195 |
0,0055 |
0,001 |
0,002 |
0,0165 |
0,0705 |
|
Апахончич |
0,03 |
0,027 |
0,009 |
0,006 |
0,004 |
0,001 |
0,001 |
0,01 |
0,04 |
|
Средние значения содержания оксидов металлов, % |
|||||||||
|
MgO |
Al2O3 |
SiO2 |
P2O5 |
K2O |
CaO |
TiO2 |
MnO |
Fe2O3 |
|
|
Южный прорыв |
6,84 |
22,97 |
63,36 |
0,65 |
1,79 |
4,42 |
1,37 |
0,12 |
7,55 |
|
Апахончич |
4,57 |
28,80 |
89,28 |
0,27 |
1,57 |
5,70 |
0,64 |
0,10 |
5,11 |
По содержанию оксидов металлов на лавовом потоке Апахончич отмечается более высокое содержание оксидов Al и Са. Содержание оксидов Mg, P, Ti, Fe, напротив, несколько ниже, чем на молодом лавовом потоке вулкана Толбачик.
Строение почв на более старых лавовых потоках (первые сотни лет) можно проиллюстрировать следующими разрезами.
Разрез 12–06
N 56,08589 E 160, 48010, h = 897 м.
В 500 м к северо-западу от базы вулканологов на Подкове. Лавовый поток Псевдотуйла (возраст 300 лет). Грядовый рельеф. Глыбы лавы выступают на поверхность, в понижениях между ними наблюдается накопление мелкозема. Растительность низкая, разреженная: ива арктическая, бобовые, злаки, разнотравье. Высота растительности примерно 5 см, редко выше, проективное покрытие – 30 %. На поверхности, лишенной высшей растительности, видны следы поверхностного перемещения мелкозема (водой или ветром). Разрез заложен в верхней части гряды, на сравнительно плоском участке.
Ad 0–3 см. Дернина, состоящая из переплетенных живых корней и отмерших неразложившихся растительных остатков серо-коричневого цвета, в нижней части – присыпка пепельно-серого мелкого песка. Упругий, отделяется от нижележащей толщи, сырой, уплотнен, переход ясный.
А 3–6 см. Окраска более темная, чем в вышележащем горизонте – серо-темно-коричневая, горизонт на 70–80 % состоит из густо переплетенных живых корней, по-видимому, обогащен разложившимся органическим веществом, минеральный мелкозем представлен мелким песком, горизонт сырой, уплотнен, переход ясный.
АС1 6–11 см. Более светлый, чем вышележащий горизонт (предположительно – пепел вулкана Безымянный), серовато-коричневый с палевым оттенком, мелкий песок, густые живые корни, уплотнен, переход ясный.
АС2 11–29 см. Темно-серо-коричневый мелкий песок, по-видимому, в какой-то мере обогащен хорошо разложившимся органическим веществом, занимает промежутки между лавовыми глыбами, слегка уплотнен, сырой, густые живые корни.
Ниже идет сплошной слой лавы.
Максимальное количество органического углерода (Сорг.) обнаруживается в поверхностных горизонтах Аd (0,9 %) и А (1,2 %), вниз по профилю отмечается постепенное снижение углерода: АС (0,53 %) – 2АС1 (0,35 %) – 2АС2 (0,23 %). Поверхностный 10-сантиметровый слой почвы имеет несколько более низкие значения рН, чем нижележащие горизонты, что, по-видимому, связано с накоплением органического вещества на поверхности почвы. В нижних горизонтах реакция среды нейтральная. Подобная картина наблюдается и по показателям рНсол. – реакция среды в верхней 10-сантиметровой почвенной толще – кислая. Вниз по профилю отмечается снижение кислотности до среднекислой и слабокислой.
Разрез 5–13
N 55, 63 404 E 160, 20512, h = 560 м.
В 1 км на юг от конуса Звезда (вулкан Толбачик). Лавовый поток приблизительно 1740 г. (273 года) сверху засыпан тефрой после извержения 1975 г. На поверхности виднеются выходы лавы, на которой селится мох и лишайник. Древесная растительность на лавовом потоке до извержения 1975 г. была в основном представлена кедровым стлаником и лиственницей (судя по сохранившимся сухим стволам деревьев). В настоящее время растительность на тефре представлена тополем и кедровым стлаником. В западинах между глыбами лавы наблюдается аккумуляция лиственного опада мощностью от 1–2 до 7 см. Проективное покрытие растительности 10 %. Разрез заложен на ровном участке, практически без выхода лавы между двумя тополями.
С 0–15 см – Тефра, темно-серого, почти черного цвета, преобладающий диаметр частиц 0,2–0,4 см, мах. до 1 см, встречаются растительные остатки в виде мелких корешков, фрагментов мха.
2А 15–17 см – Темно-коричневого цвета погребенный горизонт, максимальная мощность достигает 2 см, тонкодисперсный с примесью тефры (10 %), влажность 21–23 %, много растительных остатков в виде корешков.
Ниже идет сплошной слой лавы.
Содержание органического углерода в тефре составляет 0,1 %, в погребенном гумусовом горизонте достигает 1 %. Тефра, согласно данным актуальной кислотности, имеет нейтральную реакцию среды (рНвод. 6,3), погребенный гумусовый горизонт – слабокислую (6,0). Согласно данным обменной кислотности реакция среды в поверхностном слое и погребенном горизонте кислая (рНсол. 4,7–5,0).
Таким образом, аккумулирующаяся в понижениях между глыбами лавы тефра имеет нейтральную реакцию среды. С развитием почвообразовательных процессов и накоплением некоторого количества гумуса реакция среды сдвигается в строну слабокислой и кислой.
Для сравнения отобраны образцы на лавовом потоке, имеющем возраст около 1000 лет.
Разрез 12–13
N 55,7428 E 160,18941, h = 667 м
Старый лавовый поток (приблизительно 1000 лет) засыпан тефрой 1975 г. (вулкан Толбачик). Небольшой молодой березовый лес с ольхой, подростом рябины, смородины, вейником.
О 0–2 см – подстилка, состоящая в осносном из лиственного опада.
АС 2–6 см – мелкий шлак (тефра), переплетенный корнями, темный с коричневым оттенком, песчаный, задернован, отделяется от нижележащей толщи.
С1 6–15 см – крупный шлак темно-серого цвета, преобладающий диаметр частиц 7–8 мм.
С2 15–24 см – мелкий темно-серый шлак диаметром 1–2 мм.
2А. 24–26 см. – погребенная почва, опесчаненный легкий суглинок, темно-бурого цвета, влажный
Ниже идет слой лавы.
Определено содержание органического углерода в поверхностном горизонте АС, которое составляет 1,1 % и в погребенном гумусовом горизонте – 4,1 %. По данным актуальной кислотности (рН вод.) поверхностный горизонт имеет нейтральную реакцию среды (6,1), погребенный – слабокислую (5,5). Обменная кислотность составляет 4,7 в поверхностном горизонте АС, что соответствует кислой реакции среды. В погребенном горизонте отмечена сильнокислая реакция среды (рНсол. 4,3).
Заключение
Стоит отметить, что аккумуляция первичного рыхлого материала на молодой лаве (первые десятилетия) главным образом происходит не за счет выветривания лавы, а за счет поступлений извне (тефра). При перекрывании или частичном перекрывании лавовых потоков рыхлыми продуктами последующих извержений теряется связь с материнской породой (лавой). Такая специфика почвообразования перестает соответствовать развитию почвенного покрова на лавовом субстрате и начинает быть сходной с формированием почв на рыхлой тефре. При этом процессы почвообразования на таких территориях проходят гораздо интенсивнее, чем на лаве без внесения тефры.
Формирование маломощного гумусового горизонта (1–3 см) с содержанием гумуса более 1 % на свежих лавах происходит не менее чем через 200 лет.
В образцах тефры и мелкозема, собранных с молодых лавовых потоков, отмечена нейтральная реакция среды (рН водный 6,5–7). По мере развития почвообразовательных процессов реакция среды сдвигается в сторону слабокислой.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-04-32031 мол_а.
Рецензенты:Пуртова Л.Н., д.б.н., зав. сектором органического вещества почв Биолого-почвенного института ДВО РАН, г. Владивосток;
Костенков Н.М., д.б.н., профессор, зав. сектором почвоведения и экологии почв БПИ ДВО РАН, г. Владивосток.
Работа поступила в редакцию 17.10.2013.