На правах рукописи

Вагапов Ильдар Махмудович

МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ

ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПОЧВ,

ОБУСЛОВЛЕННОЙ ПАЛЕОЭКОЛОГИЧЕСКИМИ ФАКТОРАМИ

Специальность 03.02.13 – почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва – 2013

Работа выполнена на кафедре экологии почв факультета (учебного центра) почвоведения, экологии и природопользования Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пущинский государственный естественнонаучный институт»

Научный руководитель: доктор биологических наук Алифанов Валерий Михайлович

Официальные оппоненты: Иванов Александр Васильевич, доктор биологических наук, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, ведущий научный сотрудник кафедры географии почв Алексеев Андрей Олегович, доктор биологических наук, Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, заведующий лабораторией геохимии и минералогии почв

Ведущая организация: Институт географии РАН

Защита диссертации состоится «10» декабря 2013 г. в 15 час. 30 мин. в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.

1, стр. 12, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «» ноября 2013 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения. Факс: (495) 939-29-47, (495) 939-21-47.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук Алла Сергеевна Никифорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Многочисленные исследования почвенного покрова Восточно-Европейской равнины позволяют говорить о его довольно длительном и сложном историческом развитии (Роде, 1947; Ковда и др., 1966, 1968; Ковда, 1969, 1973; Герасимов, 1973, 1976; Глазовская, 1981; Таргульян, 1982, 2008; Гугалинская, 1982; Александровский, 1983, 2008; Соколов, 1984;

Шоба, 2007; Алифанов и др., 2010; Величко, 2012 и др.). Почвообразующие породы обширной территории центра Восточно-Европейской равнины в процессе накопления прошли криогенные этапы, которые в современном почвенном покрове проявляются в виде реликтового криогенного микрорельефа (Марков, 1959, 1986; Герасимов, Глазовская, 1960; Величко, 1964, 1965, 1973; Бердников, 1976; Алифанов, Гугалинская, 1993; 2006).

Реликтовый криогенный микрорельеф обусловил значительную пространственную вариабельность почвенных свойств на разных уровнях их структурной организации (Алифанов, 1992, 1995; Величко и др., 1996;

Овчинников, 2009; Алифанов и др., 2010; Козлова, 2011; Макеев, 2012 и др.).

Поскольку понимание процессов развития и функционирования почв возможно только при всестороннем изучении такой вариабельности, выявление закономерностей и механизмов ее формирования на сегодня приобретает все большую актуальность как для решения проблем историко-генетического почвоведения, так и для теоретических основ природопользования.

Для того чтобы более обоснованно судить о степени пространственного варьирования почвенных свойств, необходимо применение инструментальных методов непосредственно в полевых условиях, бесконтактно или без какоголибо воздействия на образец. Одним из немногих показателей, позволяющих приблизиться к пониманию процессов, формирующих пространственную изменчивость почвенных свойств, является показатель магнитной восприимчивости (МВ) почв. Несмотря на то, что магнитные соединения железа в почвах имеют различное происхождение, в природных ландшафтах величина МВ определяется, в основном, присутствием ферримагнитных минералов педогенного, литогенного и частично космогенного происхождения даже при их очень незначительном содержании, что позволяет судить об интенсивности протекания ряда элементарных почвенных процессов и палеоэкологических условиях, в целом (Le Borgne, 1960; Вадюнина, Бабанин, 1972; Mullins, 1977; Водяницкий, 1989, 2003, 2008; Иванов, Бабанин, 1993;

Бабанин и др., 1995; Иванов, 2003 и др.). Показатель МВ почвы определяется в полевых условиях без какой-либо специальной подготовки образца, что дает возможность проводить массовые исследования и получать картину, соответствующую природной (Алексеев и др., 1988, 2012).

Цель работы: выявить закономерности и механизмы формирования структуры пространственной неоднородности почвенных свойств и почвенного покрова, обусловленной палеоэкологическими факторами, на основе показателя магнитной восприимчивости.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать пространственную и профильную изменчивость величин МВ в голоценовых (дневных) и погребенных почвах центра ВосточноЕвропейской равнины.

2. Выявить закономерности структуры варьирования МВ, показателей физико-химического и гранулометрического состояния в профилях почв, сформированных на разных элементах палеокриогенного микрорельефа.

3. Оценить и соотнести роль древних и современных природных процессов в формировании пространственной изменчивости почвенных свойств.

Научная новизна. Впервые выявлены закономерности пространственной изменчивости показателя МВ в почвах разных элементов палеокриогенного микрорельефа. Полученные семивариограммы и топоизоплеты МВ позволили выявить характерные размеры неоднородностей, обусловленных палеокриогенным микрорельефом и его структурообразующими элементами.

Пространственное распределение МВ, обусловленное палеокриогенным микрорельефом, имеет вид кольцеобразных, ритмически повторяющихся структур. Показано, что влияние палеокриогенного микрорельефа на формирование сильномагнитных железистых минералов изменяется со сменой зональных условий: в районах с избыточным увлажнением процессы, приводящие к росту педогенной МВ, интенсивнее протекают в почвах блочных повышений, тогда как в районах неустойчивого увлажнения аналогичные процессы усиливаются в межблочных понижениях. Впервые удалось уточнить представления о формировании палеокриоморфных почв на основе показателя МВ.

Защищаемые положения:

1. Пространственная и профильная изменчивость величин магнитной восприимчивости в современных (дневных) и погребенных почвах центра Восточно-Европейской равнины во многом определяется процессами поздневалдайского криогенеза.

2. Влияние палеокриогенного микрорельефа на формирование сильномагнитных железистых минералов изменяется в зональном направлении и выражается в дифференциации водно-воздушных режимов, характер варьирования которых обуславливает неоднородность свойств почв на уровне подтипа.

3. Структурообразующие элементы палеокриогенного микрорельефа (крупные клиновидные грунтовые структуры) определяют формирование в поверхностных горизонтах черноземов и серых лесных почв областей повышенного содержания ферримагнетиков, в плане оконтуривающих блочные повышения. Таким образом, как и структура почвенного покрова, картина распределения МВ в пространстве имеет вид кольцеобразных, ритмически повторяющихся структур и свидетельствует о преобладании в них циклов умеренного периодического переувлажнения на фоне устойчивого господства окислительных процессов на блоках.

4. Показатель магнитной восприимчивости является объективным критерием оценки условий формирования современных и погребенных почв, их морфогенетических особенностей, что позволяет использовать этот показатель в комплексных палеопочвенных исследованиях.

Практическая значимость. Результаты исследования влияния палеокриогенного микрорельефа на изменчивость параметра магнитной восприимчивости почв могут быть использованы при моделировании факторов, обуславливающих пространственную неоднородность почв, при изучении структуры почвенного покрова и его картографировании, мониторинге почвенных характеристик в связи с развитием технологий точного земледелия.

Результаты работы должны учитываться при организации опытно-деляночных исследований в смежных науках.

Апробация работы. Материалы и основные положения диссертации докладывались автором на Всероссийских школах «Экология и почвы»

(Пущино, 2009, 2011), на конференции, посвященной 200-летию экспедиции МОИП в Подмосковье (2009), на Всероссийской конференции «Биосферные функции почвенного покрова» (Пущино, 2010), на Международных конференциях «Ломоносов» (Москва, 2010, 2011, 2012, 2013), на Международных Пущинских школах-конференциях «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2010, 2011, 2012, 2013), на Всероссийских Докучаевских молодежных чтениях (Санкт-Петербург, 2010, 2011, 2012), на Всероссийских научно-практических конференциях «Актуальные проблемы использования и охраны природных ресурсов России» (Самара, 2010, 2011, 2012), на 4-й молодежной конференции «Природно-антропогенные геосистемы: мировой и региональный опыт исследований» (Курск, 2012), на Х Международной конференции по мерзлотоведению «Ресурсы и риски регионов с вечной мерзлотой в меняющемся мире» (Салехард, 2012), на VI съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Петрозаводск, 2012).

По теме работы опубликовано 15 научных работ, из них 6 – в рецензируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы страницы машинописного текста, включающего 40 рисунков. Список литературы включает 222 источника, в том числе 24 зарубежных.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.б.н. В.М. Алифанову за постоянную поддержку и продуктивное обсуждение результатов работы, д.б.н. Л.А. Гугалинской за критические замечания и ценные советы, к.б.н. А.Ю. Овчинникову и к.б.н. А.Г.

Кондрашину за содействие и помощь в сборе полевых данных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Пространственное разнообразие почв и почвенного покрова Палеогеографические предпосылки формирования неоднородности современного почвенного покрова. История формирования современного почвенного покрова центра Восточно-Европейской равнины началась с формирования почвообразующих пород, т.е. после максимального похолодания последней ледниковой эпохи (20–18 тыс. л. н.) и продолжалась до начала голоцена, одновременно со стадиальными и фазиальными отступлениями валдайского ледникового покрова (Гугалинская, 1982, 1997; Гугалинская, Алифанов, 2000; Алифанов, 1995; Алифанов, Гугалинская, 1993, 2005, 2009).

Таким образом, одной из предпосылок для формирования современного почвенного покрова является криолитогенно-климатическая изменчивость поздневалдайского времени, обусловившая признаки и свойства почвообразующих пород (Бердников, 1976; Величко, Морозова, 1985; Величко и др., 1987; Алифанов и др., 2010; Величко, 2012). На существование такой связи указывает выявленный авторами факт: современный почвенный покров, развитый в перигляциальной области поздневалдайского оледенения на покровных лессовидных суглинках, в сходных геоморфологических позициях, но в разных природных зонах в пределах центра Восточно-Европейской равнины, имеет много общих особенностей, необъяснимых голоценовыми условиями почвообразования. Существование таких особенностей можно объяснить влиянием палеокриогенных процессов поздневалдайского времени на почвообразующие породы голоценовых почв.

Таким образом, современный почвенный покров отражает сложное сочетание не только современных, но и унаследованных реликтовых элементов, влияние которых проявляется на различных иерархических уровнях. В свою очередь, от уровня рассмотрения почвенных свойств зависит выбор подходов и методов к изучению их неоднородности.

Магнитная восприимчивость как показатель формирования пространственной изменчивости почв, обусловленной палеоэкологическими факторами. В отечественной и иностранной литературе вопросам природы ферримагнетиков посвящены обстоятельные исследования E. Le Borgne (1955), А.Ф. Вадюниной, В.Ф. Бабанина (1972, 1974, 1983 и др.), Л.О. Карпачевского с соавт. (1972), Ю.Н. Водяницкого (1981, 1989, 2003, 2013), И.Н. Глебовой (1984), А.В. Иванова (1983, 2003), А.Н. Геннадиева с соавт. (2004), С.А. Шобы с соавт.

(1987, 2009), В.В. Прониной (2007), Н.В. Можаровой с соавт. (2007), А.М.

Загурского (2008), которые показали, что основной вклад в МВ почв дает магнетит различного происхождения.

Для нашей работы особый интерес представляют сведения об условиях синтеза педогенного и трансформации литогенного магнетита. В целях палеоклиматических реконструкций показатель МВ уже использовался в работах Е.И. Вириной (1972), С.С. Фаустова с соавт. (1986), B.A. Maher, R.M.

Taylor (1988), В.А. Большакова (1996, 2001), А.О. Алексеева с соавт. (1988, 2003, 2012), а для выявления ареалов техногенно-загрязненных почв в работах В.П. Ковриго с соавт. (1998), М.А. Гладышевой (2007), О.А. Страдиной (2008), М.В. Решетникова (2011), М.Н. Строгановой с соавт. (2012) и других.

В целях выявления роли палеоэкологических факторов, в частности, роли палеокриогенеза, в формировании пространственной неоднородности почвенных свойств и оценки ее характерных размеров показатель МВ используется впервые.

Объекты исследования. Объектами исследования являлись почвы, сформированные на разных элементах палеокриогенного микрорельефа и в условиях разных природных зон (рис. 1).

Рис. 1. Карта-схема расположения районов исследования 1 – граница валдайского оледенения (по Величко, 2012), 2 – ключевые участки:

дерново-подзолистые почвы на пашне (1) и под лесом (2) (Грязовецкий р-н Вологодской обл.); серые лесные почвы (3), черноземы выщелоченные и оподзоленные (4, 5) (Веневский р-н Тульской обл.); погребенные криоморфные почвы (6, 7) (Цивильский р-н Республики Чувашия).

Дерново-подзолистые почвы изучались в Грязовецком районе Вологодской области на пахотном участке со скошенными травами и во вторичном елово-березово-осиновом лесу. В геоморфологическом отношении Вологодская область представляет собой увалисто-холмистую равнину, сильно расчлененную на западе, за счет чередования гряд и озер ледникового происхождения (Геология СССР, 1963). Абсолютные отметки участка достигают 150–180 м. Климат умеренно-континентальный, количество осадков достигает 650 мм в год.

Серые лесные почвы и черноземы изучались в Веневском районе Тульской области. Территория представляет собой слабоволнистую равнину, рассеченную глубокими и широкими долинами рек и ручьев с впадающими в них многочисленными балками и оврагами. Площади, занятые лесом расположены преимущественно по долинам рек, ручьев, понижениям и их склонам, водораздельные пространства практически полностью распаханы.

Почвообразующими породами являются покровные лёссовидные суглинки, мощностью 3–6 м, которые подстилаются флювиогляциальными отложениями и днепровской мореной. Климат умеренно-континентальный, количество осадков составляет около 500 мм в год. Абсолютные отметки территории 200– 220 м.

Кроме современных почв разрезы-обнажения вскрывали горизонты погребенных криоморфных почв и многочисленные палеокриогенные образования. Для выявления особенностей проявления палеокриогенеза в восточных районах Восточно-Европейской равнины были исследованы погребенные криоморфные почвы Чувашского плато.

Методы исследования. Как известно, почва является объектом, обладающим высокой пространственной неоднородностью и в то же время характеризуется непрерывностью и постепенностью изменения своих свойств (Дмитриев, 1983). Выбор подходов и методов к изучению их пространственного варьирования зависит от уровня структурной организации почвы, на котором оно рассматривается (Теории и методы…, 2007). В наших целях, для оценки роли палеокриогенеза и его влияния на современное почвообразование, была использована система крупных разрезов-траншей, разработанная В.О. Таргульяном (1974) и Е.А. Дмитриевым (1980). Разрезы с площадью стенок более 20 м2 позволяют увидеть характер изменения границ между горизонтами, количество трещин, морфонов, новообразований в зависимости от положения в микрорельефе.

Выбору места заложения разреза предшествует длительный этап камерального дешифрирования материалов аэрофотосъемок и детальные визуальные наблюдения на местности. Дневная поверхность может быть сглажена, в этом случае, для выявления характерных участков и уточнения элементов палеокриогенного микрорельефа, проводилась детальная нивелирная съемка дневной поверхности (с точностью до 1 см). Нивелирные точки, в зависимости от масштабов съемки, устанавливались через каждые 0,2–4,0 м.

В ходе полевых исследований проводилось определение величин объемной магнитной восприимчивости каппаметром KT-6 по регулярной сетке с размерами ячеек 2020 см. Такая сеть покрывала все основные морфоны профилей почв. В ареале дерново-подзолистых почв, где расстояния между элементами палеокриогенного комплекса составляли от 50 до 200 м, закладывались разрезы небольшого размера, но частота расположения точек опробования в них была больше.

В лабораторных условиях измерялись величины удельной магнитной восприимчивости. Каждый растертый и просеянный через сито с отверстиями диаметром 1 мм образец почвы насыпался в пластиковый цилиндр, который ставился на измерительную поверхность каппаметра КТ-6. Для каждого образца рассчитывалась плотность почвы. Путем деления показаний каппаметра на величину плотности определялась удельная МВ.

Отбор образцов на аналитические исследования производился из каждого генетического горизонта и для каждого участка палеокриогенного комплекса.

Анализы выполнялись в Центре коллективного пользования ИФХиБПП РАН под руководством к.б.н. С.Н. Удальцова следующими методами: определение влажности почвы – термостатно-весовым методом; гранулометрический состав почвы – методом пипетки (подготовка почвы – пирофосфатным методом); Сорг – титриметрически по методу Тюрина; СО2 карбонатов – ацидометрическим методом; подвижного фосфора и обменного калия – по Кирсанову (в карбонатных образцах – по Мачигину); рН водной и солевой комплексонометрически, K, Na – пламеннофотометрически (Аринушкина, 1970; Воробьева, 1998; Практикум по агрохимии, 2001; Теории и методы…, 2007). Количество валовых Fe2O3 и TiO2 определялось рентгенфлюоресцентным методом на спектрометре «Спектроскан МАКС-GV».

Все полученные результаты были статистически обработаны в программах Excel и Statistica. Использовались как традиционные методы статистической обработки, так и методы визуализации, позволяющие проводить предварительный анализ и выдвигать гипотезы относительно данных (Burgess, Webster, 1980; Goovaerts, 1999; Самсонова, 2008;

Красильников, 2009; Мешалкина и др., 2010; Сидорова, 2011 и др.). При этом использовался геостатистический метод интерполяции, учитывающий не только удаленность исходных точек от интерполируемых, но и их взаиморасположение. Подбор моделей вариограмм осуществлялся с использованием программных пакетов Surfer 7 и Vesper 1.6, степень соответствия оценивалась по величине среднеквадратической ошибки.

Глава 3. Пространственная и профильная изменчивость величин магнитной восприимчивости в почвах центра Восточно-Европейской равнины, сформированных под влиянием палеокриогенеза Варьирование величин магнитной восприимчивости в дерновоподзолистых почвах на разных элементах палеокриогенного полигональноблочного микрорельефа. Дерново-подзолистые почвы, в которых железо является типоморфным элементом, имеют четко дифференцированный магнитный профиль, что хорошо заметно на участке под лесом (рис. 2).

Наибольшие значения МВ отмечаются в профиле почвы блока, а именно в его иллювиальных горизонтах. Магнитный профиль в межблочье характеризуется более низкими величинами МВ.

В почвах на пашне общие с лесным участком закономерности в распределении МВ сохраняются – на блоке она несколько выше, чем в межблочье. Кроме того, магнитный профиль почвы блока выглядит более однородным и характеризуется средними для дерново-подзолистых почв величинами МВ, за исключением горизонта А2. Такое распределение МВ может быть связано с иссушением пахотного слоя травянистой растительностью.

Рис. 2. Топоизоплеты пространственного распределения МВ (10-5 ед. СИ) в дерново-подзолистых почвах разных элементов палеокриогенного микрорельефа, выявленного на пашне и под лесом (Вологодская область, Грязовецкий район) Картина распределения величин МВ показывает, что в почвах межблочных понижений преобладают восстановительные условия, связанные с продолжительным застоем влаги и развитием оглеения. При этом, в целом повышенные значения МВ в почвах под лесом, по-видимому, связаны с большим потреблением влаги древесной растительностью и преимущественно из нижних горизонтов почвы. Данные об иссушении нижней части профиля древесной растительностью приводятся в работах С.В. Зонна (1954), Н.В.

Дылиса, А.И. Уткина (1969), Ф.Р. Зайдельмана (1974), Л.О. Карпаческого (1977) и др.

Распределение величин магнитной восприимчивости в серых лесных почвах, сформированных на разных элементах палеокриогенного микрорельефа. Район исследований, входящий в ареал серых лесных почв, располагался на северо-восточных окраинах Среднерусской возвышенности.

Серые лесные почвы, в целом, имеют аккумулятивный тип магнитного профиля, при этом максимумы значений МВ приурочены ко второму гумусовому горизонту (ВГГ), имеющему лучшую выраженность на южном склоне блочного повышения (рис. 3, а). Как видно на топоизоплетах (рис. 3, б), область с повышенными значениями МВ образует своеобразный прослой, имеющий языковатую нижнюю границу, достигающую максимальной глубины на участке склона блочного повышения. Повышенная МВ гумусовых горизонтов серой лесной почвы, на фоне низких значений валового Fe (рис. 4), свидетельствует о присутствии незначительных количеств ферримагнетиков.

Рис. 3. Схема разреза-обнажения 1-2011 (а) и топоизоплеты пространственного распределения показателя МВ (10-5 ед. СИ) в серых лесных почвах (б).

Для понимания причин формирования неоднородности признаков и свойств современной почвы необходимо рассмотреть особенности, обнаруженные в нижней части разреза-обнажения. Толща, на которой сформировалась голоценовая почва, характеризуется наличием палеокриогенных деформаций, сформировавших крупное микропонижение, которое в последующем привело к активному развитию, в заполнивших его суглинках, процессов оглеения. Последующее просыхание привело к сильному 1980, 1986, 1995), можно предположить, почему горизонт Aha сохранился на «теплом» склоне блочного повышения, а горизонт гумусовых «зеркал» имеет максимальное развитие над центром межблочного понижения. Приуроченность ВГГ к пологим склонам также наблюдали А.А. Хантулев и Э.И. Гагарина (1972).

Для исследования пространственной вариабельности МВ и оценки возможного влияния на современный почвенный покров палеокриогенных структур применялась вариография (Burgess, Webster, 1980; Иванникова, Мироненко, 1988; Гумматов и др., 1992; Самсонова, 2008; Krasilnikov, 2008 и др.). Для каждой горизонтальной линии опробования строилась экспериментальная семивариограмма – график зависимости полудисперсии МВ от расстояния между точками опробования (h). В серой лесной почве на глубине 10 см (рис. 5, а) распределение МВ является близким к случайному («чистый наггет») и лишь на глубине 30 см вид семивариограмм имеет характерные особенности – с ростом шага опробования значения дисперсии сначала увеличиваются, а затем убывают (рис. 5, б). Подобное распределение может быть связано с наличием в почвенном покрове регулярно повторяющихся структурообразующих элементов с шагом около 4,5 м.

Параметры аппроксимации указывают на наличие умеренной пространственной корреляции в пределах 1 м, что может быть связано с дискретным характером распространения ВГГ.

Варьирование величин магнитной восприимчивости в северных подтипах черноземов на разных элементах палеокриогенного полигонального микрорельефа. Разрез-обнажение 1-2009 вскрывал почвенногрунтовую толщу, состоящую из современного выщелоченного и оподзоленного черноземов, серии погребенных почв (ПП) и различных палеокриогенных образований, среди которых крупная клиновидная грунтовая структура (ККГС), выполненная покровным лессовидным суглинком и проникающая в подстилающую их морену. Такие крупные клиновидные Рис. 5. Семивариограммы распределения МВ для глубин 10 и 30 см в серой лесной почве (а, б) и для тех же глубин в черноземе (в, г).

Точки – экспериментальные значения, цифры у точек указывают количество пар, используемых в анализе, пунктирная линия соответствует величине дисперсии, сплошная – результат аппроксимации моделью грунтовые структуры расположены в стенках карьера с повторяемостью в среднем 20 м, что свидетельствует о существовании крупной палеокриогенной полигональной трещинной системы.

Профильное распределение величин МВ носит аккумулятивный характер.

В отличие от дерново-подзолистых и серых лесных почв, максимумы значений МВ приурочены к современным гумусовым горизонтам чернозема.

Семивариограммы распределения МВ в черноземе (рис. 5, в, г), показали наличие умеренных пространственных зависимостей уже с самой поверхности.

Радиус корреляции, в пределах которого существует тесная пространственная связь между точками, показал наличие в гумусовых горизонтах однородных структур размером около 3–4 м. Таким образом, в межблочных понижениях над системой крупных палеокриогенных клиновидных деформаций существуют проникающие вглубь профиля области с повышенной МВ, которые в плане оконтуривают блочные повышения. Формирование данных областей во многом связано с влиянием структурообразующих элементов палеокриогенного микрорельефа, особенно в связи со слабой выраженностью последнего.

Экспериментальная семивариограмма, построенная для глубины 10 см, может быть описана периодической моделью с периодом колебаний около 5–6 м.

Возможно, что такое распределение обусловлено влиянием полигональных трещинных систем меньших генераций.

Топоизоплеты распределения величин МВ (рис. 6, б) показывают, что на глубине 160–220 см, на общем фоне, характеризующемся достаточно однородными величинами МВ, хорошо проявляются области с несколько повышенными значениями, имеющие субгоризонтальное распространение, совпадающие с гумусовыми горизонтами ПП (рис. 6, а).

Профиль разреза-обнажения 1-2010 интересен различными типами палеокриогенных структур. Самая древняя из них – залегающая в морене псевдоморфоза по повторно-жильному льду, ККГС в виде субвертикальных трещин-клиньев и наклонных языков, криотурбационные формы в виде пятенмедальонов и солифлюкционные деформации (рис. 6, в).

Данный разрез так же характеризуется аккумулятивным типом магнитного профиля, а высокая положительная корреляция между распределением МВ и Сорг указывает на присутствие педогенных сильномагнитных оксидов Fe. На это же указывают и профильные кривые содержания валовых форм Fe и Ti (рис. 7), а именно их незначительное содержание в гумусовых горизонтах современного чернозема, а также на глубине 150 см в районе межблочного понижения, где на топоизоплетах была обнаружена область субгоризонтального распространения (рис. 6, г). Данная область, характеризующаяся повышенными значениями МВ и содержанием биофилов, может рассматриваться как самостоятельное элементарное почвенное образование (слабовыраженная погребенная почва), условия формирования которого отличались от таковых в перекрывающем и подстилающем его материале. Резкое увеличение содержания валового железа в морене свидетельствует о литогенном происхождении ее высокой МВ, как за счет крупных гранулометрических фракций, так и за счет парамагнитных глинистых минералов (Бабанин и др., 1995).

На глубине около 250 см между горизонтами [А1] и [А1В] ПП было выявлено резкое увеличение МВ до значений, характерных для гумусовых горизонтов современных почв. Этот факт может свидетельствовать о наличии между указанными горизонтами литологической границы. Следовательно, горизонт [А1В] является самостоятельной ПП, сформировавшейся в автоморфной позиции при относительно теплых климатических условиях, сезонном иссушении и преобладании окислительных условий над восстановительными.

Рис. 6. Схемы разрезов-обнажений 1-2009 (а) и 1-2010 (в) и топоизоплеты пространственного распределения в них МВ (10-5 ед. СИ) (б, г).

Черноземы северной лесостепи (Тульская область, Веневский район) для деятельности железоредуцирующих бактерий (Lovley, 1991; Заварзина и др., 2003 и др.).

Другой особенностью является то, что в черноземах области с максимальными значениями МВ проникают до глубины 100–160 см, тогда как в серых лесных почвах эти области сосредоточены в верхних 50 см (рис. 8).

Рис. 8. Профильное распределение МВ (10-5 ед. СИ) в дерново-подзолистых почвах, серых лесных почвах и черноземах, сформированных на разных элементах палеокриогенного микрорельефа (нормировано по черноземам) Особенности варьирования показателя магнитной восприимчивости в сложных профилях палеокриоморфных погребенных почв восточных районов Восточно-Европейской равнины. Исследования почв Чувашского плато, расположенного на северо-восточных окраинах Приволжской возвышенности, показывают, что ПП здесь отличаются ярким криоморфизмом и хорошей сохранностью.

Наличие крупных трехслойных трещин свидетельствует о том, что их формирование было растянутым во времени и протекало стадийно, при этом каждая последующая стадия криогенного трещинообразования развивалась по более древним морозобойным трещинам.

Морфологические и аналитические особенности сложной криоморфной ПП, названной нами шолмской (Гугалинская и др., 2010), и толщи, на которой она сформировалась, показывают сложное строение почвообразующих пород, состоящих из нескольких литологических слоев, что также свидетельствует о стадийном их накоплении. Наиболее вероятным временем формирования горизонтов ПП, контакт между которыми отчетливо фиксируется с помощью измерений МВ, могут быть потепления бёллинг и аллерёд (13–11 тыс. лет назад). На этот возраст указывают и кремневые артефакты, обнаруженные в культурном слое археологической стоянки Шолма-I (Березина и др., 2009).

В целом, по величинам МВ погребенные почвы имеют сходства со своими западными аналогами в районе Среднерусской возвышенности, а несколько повышенные значения МВ в ПП Чувашского плато, по-видимому, свидетельствуют о менее суровых условиях почвообразования вследствие его большего отдаления от края поздневалдайского ледникового покрова.

Глава 4. Изменения магнитной восприимчивости, показателей физикохимического и гранулометрического состояния почв в связи с морфогенетическими особенностями их профилей Исследования почв, сформированных на разных элементах палеокриогенного микрорельефа, показали, что они отличаются по ряду как морфологических, так и аналитических свойств. Так, в ареале дерновоподзолистых почв, гумусовый горизонт почвы межблочного понижения содержит большее количество Сорг, подвижных форм фосфора и калия, а почва блочного повышения характеризуется дифференциацией профиля по илу и карбонатам, в отличие от почвы межблочья, профиль которой большей частью оглеен (за исключением горизонтов Aд и Апах).

В дерново-подзолистых почвах, сформированных под лесом, некоторая дифференциация по содержанию обменного Ca2+ и Mg2+ сохраняется в профиле межблочья, что, по литературным данным, связано с переносом этих элементов поверхностными водами с повышенных элементов рельефа и их аккумуляцией в почвах депрессий (Зайдельман, 1974; Карпачевский, Строганова, 1981). При этом концентрация кальция увеличивается с нарастанием степени оглеения, ярким проявлением которого является обильное скопление железистомарганцевых конкреций, обнаруженных в подзолистом горизонте почвы межблочного понижения. Наличие таких признаков согласуется с результатами, полученными нами на основе показателя МВ, о систематически возникающих восстановительных условиях.

Различия между почвами данных участков определяются, главным образом, влиянием водно-физического режима на интенсивность и направленность процессов выщелачивания, оглеения, оподзоливания и гумусонакопления, изменяющих магнетизм соединений железа. Таким образом, максимумы значений МВ приурочены к более дренированным блочным повышениям, при этом наиболее высокие значения отмечаются на участке под лесом. Низкие значения МВ в почвах межблочий обусловлены продолжительным застоем влаги, падением окислительно-восстановительного потенциала и развитием анаэробиоза.

На рисунке 9 приведены некоторые показатели биологического, физического и физико-химического состояния черноземов, сформированных на разных элементах палеокриогенного микрорельефа. Почва в межблочье имеет Рис. 9. Распределение удельной МВ, некоторых показателей биологического, физического и физико-химического состояния черноземов, сформированных на разных элементах палеокриогенного микрорельефа несколько вытянутый гумусовый профиль, который отличается высокими значениями углерода органического вещества, углерода микробной биомассы и низким содержанием обменных катионов, не содержит карбонатов, обладает низкими значениями pH и, как следствие, более оподзолен, в отличие от профиля почвы блока. Такие различия в свойствах современных почв, разделенных небольшим расстоянием (около 10 м), обусловлены наличием крупной клиновидной грунтовой структуры и сформировавшегося над ней межблочного понижения, которое дифференцирует почвенный покров на уровне подтипа: на блочных повышениях формируются черноземы глинистоиллювиальные типичные, а в межблочных понижениях – черноземы глинистоиллювиальные оподзоленные (Классификация…, 2004).

Глава 5. Магнитная восприимчивость как показатель формирования пространственной изменчивости почв, обусловленной Результаты исследования пространственно-временной изменчивости физических и физико-химических свойств почв, обусловленной палеоэкологическими факторами, показали, что роль палеокриогенного микрорельефа в формировании сильномагнитных железистых минералов изменяется в зональном направлении и выражается в дифференциации водновоздушных условий, характер варьирования которых обуславливает неоднородность свойств почв на уровне подтипа. Почвенный покров в ареале дерново-подзолистых почв представляет собой комплексы, состоящие из языковатых подтипов на блоках и глееватых – в межблочных понижениях. В серых лесных почвах типичные подтипы приурочены к блокам, а подтипы со вторым гумусовым горизонтом – к межблочьям. В зоне черноземов северной лесостепи на блоках сформировались черноземы глинисто-иллювиальные типичные, а в оконтуривающих их межблочных понижениях – оподзоленные (Овчинников, Алифанов, Вагапов и др., 2013).

Анализ построенных топоизоплет и вариограмм показал, что структурообразующие элементы палеокриогенного микрорельефа способствуют формированию в поверхностных горизонтах черноземов областей повышенного содержания ферримагнетиков, оконтуривающих блочные повышения. Таким образом, как и структура почвенного покрова, картина распределения МВ в пространстве имеет вид кольцеобразных, ритмически повторяющихся структур (Вагапов и др., 2013).

Неодинаковость условий почвообразования, обусловленная палеокриогенезом, проявляется в интенсивности и направленности протекания современных элементарных почвенных процессов и выражается как на показателе МВ, так и на морфологических и физико-химических характеристиках почв. При этом, в районах с избыточным увлажнением и ярко выраженными формами реликтового криогенного микрорельефа процессы, приводящие к росту педогенной МВ, более интенсивно протекают в почвах блочных повышений, тогда как в районах с неустойчивым увлажнением и слабо выраженным полигональным микрорельефом аналогичные процессы усиливаются в межблочных понижениях. Последний факт особенно подчеркивает роль поздневалдайского криогенеза в современном почвообразовании и дифференциации почвенного покрова.

Как известно, интенсивность и направленность процессов почвообразования в голоцене во многом зависели от истории формирования почвообразующих пород, особенностей их строения и свойств.

Обнаруженные в морфологически однородной толще с помощью каппаметрии элементарные почвенные образования (слабовыраженные погребенные почвы) и две наложенные друг на друга погребенные почвы предполагают, что поздневалдайские покровные лессовидные суглинки центра Восточно-Европейской равнины не являются однородными и монолитогенными. Они представляют собой сложно построенную толщу, состоящую из наложенных друг на друга гумусово-аккумулятивных горизонтов погребенных почв.

Таким образом, закономерности пространственного варьирования показателя магнитной восприимчивости свидетельствуют, что структуру голоценового почвенного покрова во многом определяют признаки палеокриогенеза и перигляциального почвообразования.

1. Впервые выявлены закономерности распределения МВ в почвах разных элементов палеокриогенного микрорельефа. Роль палеокриогенного микрорельефа в формировании сильномагнитных железистых минералов сопоставима с влиянием зональных условий почвообразования.

2. Методом каппаметрии установлено, что палеокриогенный микрорельеф во многом обуславливает протекание современных элементарных почвенных процессов, определяя их интенсивность и направленность: в районах с избыточным увлажнением (дерново-подзолистые почвы) процессы, приводящие к росту педогенной МВ, интенсивнее протекают в почвах блочных повышений, тогда как в районах неустойчивого увлажнения (серые лесные почвы и черноземы) аналогичные процессы усиливаются в межблочных понижениях.

3. По результатам вариографии определены характерные размеры неоднородностей распределения МВ, обусловленных палеокриогенным микрорельефом. Структурообразующие элементы палеокриогенного микрорельефа формируют в гумусовых горизонтах черноземов области повышенного содержания ферримагнетиков шириной около 3-4 м, которые в плане оконтуривают блочные повышения. В серых лесных почвах подобные области имеют размеры не более 1-2 м и приурочены ко второму гумусовому горизонту.

4. На основе показателя МВ в морфологически однородной толще суглинков, на которой сформированы исследованные черноземы, были выделены элементарные почвенные образования (слабовыраженные погребенные почвы). Таким образом, почвообразующие породы исследованных почв являются сложно построенными многослойными образованиями.

5. Использование показателя МВ в комплексных палеопочвенных исследованиях способствует более полному выявлению признаков почвообразования, которые не всегда могут быть выявлены традиционными методами.

СПИСОК РАБОТ,

ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Алифанов В.М., Гугалинская Л.А., Вагапов И.М. Анализ величин магнитной восприимчивости и цветовых характеристик профиля чернозема // Бюллетень МОИП. – Отд. биол. – 2009. – Т. 114. – Вып. 3. – С. 7-10.

2. Алифанов В.М., Вагапов И.М., Гугалинская Л.А., Иванникова Л.А., Кондрашин А.Г., Овчинников А.Ю., Попов Д.А., Рапацкая К.М. Использование каппаметрии для выявления элементов палеокриогенного микрорельефа // Известия Самарского НЦ РАН. – 2010. – Т. 12(33). – № 1(4). – С. 980-983.

3. Алифанов В.М., Вагапов И.М., Гугалинская Л.А., Овчинников А.Ю.

Палеокриогенез и закономерности пространственного варьирования магнитной восприимчивости черноземов центра Восточно-Европейской равнины // Известия Самарского НЦ РАН. – 2011. – Т. 13. – № 1(5). – С. 1171-1175.

4. Алифанов В.М., Вагапов И.М., Гугалинская Л.А. Распределение магнитной восприимчивости в профилях сложных палеокриоморфных почв // Известия Самарского НЦ РАН. – 2012. – Т. 14. – № 1(8). – С. 2028-2031.

5. Вагапов И.М., Гугалинская Л.А., Алифанов В.М. Закономерности варьирования магнитной восприимчивости в профилях палеокриоморфных почв // Почвоведение. – 2013. – № 3. – С. 322-327.

6. Овчинников А.Ю., Алифанов В.М., Вагапов И.М., Гугалинская Л.А., Рюмшин А.Н. Формирование пространственно-временной изменчивости физических и физико-химических свойств дерново-подзолистых почв Европейской России, обусловленной палеоэкологическими факторами // Проблемы региональной экологии. – 2013. – № 4. – С. 26-32.

1. Гугалинская Л.А., Алифанов В.М., Березина Н.С., Березин А.Ю., Хисяметдинова А.А., Попов Д.А., Вагапов И.М., Овчинников А.Ю., Кондрашин А.Г. Шолмская погребенная почва на финальнопалеолитическом поселении Шолма-I (Приволжская возвышенность, Чувашское плато) // Бюллетень комиссии по изучению четвертичного периода. – 2010. – № 70. – С.

45-58.

Инструментальные методы в исследованиях палеокриоморфных почв // Материалы по изучению Русских почв. – Вып. 7(34). – СПб.: Изд-во С.-Петерб.

ун-та, 2012. – С. 29-32.

3. Вагапов И.М., Алифанов В.М., Гугалинская Л.А., Овчинников А.Ю., Кондрашин А.Г. Закономерности варьирования магнитной восприимчивости в профилях палеокриоморфных почв // VI съезд Общества почвоведов им. В.В.

Докучаева: Материалы докладов (Петрозаводск, 13-18 августа 2012 г.). – Петрозаводск, Москва, 2012. – Кн. 3. – С. 158-159.

4. Vagapov I.M., Ovchinnikov A.Yu., Alifanov V.M. Paleocryomorphic soils of the center of the East European Plain as archives of paleoecological natural events // Resources and risks of permafrost areas in a changing world: Extended abstracts of the X International conference on permafrost (Salekhard, June 25-29, 2012). – Tyumen, Ekaterinburg: The Fort Dialog-Iset Publisher, 2012. – V. 4/2. – P. 609-610.

5. Вагапов И.М., Гугалинская Л.А., Алифанов В.М. Реконструкции условий почвообразования на основе магнитных свойств и пигментирующей способности минералов железа // Органо-минеральная матрица почв:

Материалы Всероссийской научной конференции XIII Докучаевские молодежные чтения / Под ред. Б.Ф. Апарина. – СПб.: СПбГУ, 2010. – С. 8-9.

6. Вагапов И.М., Алифанов В.М., Гугалинская Л.А. Исследование структуры пространственной неоднородности величин магнитной восприимчивости в профилях палеокриогенного комплекса // Биосферные функции почвенного покрова: Материалы Всероссийской научной конференции. – Пущино: Synchrobook, 2010. – С. 61-63.

7. Вагапов И.М. Пространственная вариабельность магнитной восприимчивости черноземов центра Восточно-Европейской равнины // Ломоносов – 2011: Тезисы докладов XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – М.: МАКС Пресс, 2010. – С. 8-9.

8. Вагапов И.М. Распределение магнитной восприимчивости в профилях сложных палеокриоморфных почв // Ломоносов – 2012: Тезисы докладов XIX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Москва, 9-13 апреля 2012 г.). – М.: МАКС Пресс, 2012. – С. 36-37.

9. Vagapov I.M. The role of the Late Pleistocene cryogenesis in spatial variation of soil properties // Биология – наука ХХI века: Сборник тезисов 17-й Международной Пущинской школы-конференции молодых ученых (Пущино, 21-26 апреля 2013 г.). – Пущино, 2013. – С. 314.