Почвоведение, 2022, № 4, стр. 405-414

ВВЕДЕНИЕ

Геохимические условия формирования почв на Камчатке очень контрастны, поскольку продукты извержений разных вулканов могут существенно отличаться по химическому и минералогическому составу. Это позволяет изучать разнообразие процессов формирования почв на вулканических продуктах разного химического состава. Исследованием специфики почв, формирующихся в условиях активного вулканизма занимались многие отечественные ученые: Ливеровский, Ильина, Зонн, Соколов, Маречек, Белоусова, Тонконогов, Карпачевский, Геннадиев, Захарихина и др. [1, 5, 8, 10, 11, 17–19, 23]. За рубежом формирование почв в условиях вулканизма также изучали и раньше [37], данное исследование было основано на сравнении вулканических почв, расположенных на разных континентах, в разных климатических условиях. Многие зарубежные исследователи [33, 35, 36] описывают вулканические почвы, расположенные в условиях теплого климата. Однако исследования исландских ученых [29, 30, 34] посвящены изучению почв, формирующихся в условиях подобных камчатским (холодный гумидный климат).

На небольшой территории исследования (около 12 км²) наблюдается разнообразие подстилающих продуктов прежних извержений (лавы), рельефа и других факторов почвообразования (неравномерность развития растительного покрова и др.). В связи с этим исследование закономерностей влияния эколого-геохимических особенностей материнских пород Толбачинского дола на формирование почв и растительности является актуальной задачей. Ранее подобные взаимосвязи на плато Толбачинский дол не изучались, а характеристика элементного состава верхних горизонтов почв (тефры) дана лишь для южного участка плато [3].

Цель работы – изучение геохимических особенностей формирующихся почв вулканического плато Толбачинский дол близ лавовых потоков Клешня и Алаид, анализ взаимосвязи химического состава верхних горизонтов почв (тефры) с характером растительных сообществ.

Задачи исследования: определить элементный состав проб верхнего горизонта почвы на всей изучаемой территории, включая участки выходов на поверхность разных по составу лавовых потоков Клешня и Алаид, выявить закономерности распределения валового содержания определенных элементов; проанализировать различие геохимических особенностей почв и растительных сообществ на двух разных лавовых потоках (Клешня и Алаид) и выявить факторы, определяющие данное различие; охарактеризовать взаимосвязь элементного состава верхнего горизонта почвы на участках лавовых потоков и погребенной лавы с характером растительных сообществ.

ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Территория исследования расположена в центральной части Толбачинского дола, которую занимают обширные пеплово-шлаковые поля и лавовые потоки разных возрастов, на которых медленно идет процесс образования первичной растительной сукцессии и первичного почвообразования.

Геология. Основной почвообразующей породой на территории исследования является рыхлый пирокластический осадок – тефра [6], с Северного прорыва Большого трещинного Толбачинского извержения 1975–1976 гг. (БТТИ), однако местами на дневную поверхность выходят продукты более древних извержений других конусов: лавовые потоки Клешня и Алаид.

На склонах системы Толбачинских вулканов в течение последних 10 тыс. лет активно работает трещинная зона моногенных шлаковых и шлако-лавовых конусов, извергающих лавы различного химического состава [2].

Конусы состоят в основном из шлака, но часто формируют лавовые потоки длиной до 10 км. В течение 2–10 тыс. лет назад в зоне извергались только субщелочные высокоглиноземистые базальты [26]. Около 2 тыс. лет назад начался “контрастный” период извержений, в течение которого извергались как высокоглиноземистые, так и высокомагнезиальные базальты [2]. В этот период были извержены исследованные лавовые потоки Клешня и Алаид.

В работе Чуриковой с соавт. [27] все базальты моногенных конусов Толбачинского массива разделены по величине отношения MgO/Al₂O₃ на четыре типа. Исследуемые лавовые потоки относятся к разным типам: Алаид – I тип (магнезиальные, умеренной щелочности, со средним содержанием K), Клешня – III тип (субщелочные глиноземистые, высоким содержанием K трахибазальты) [27, 28].

В прошлом почвы на Толбачинском доле были погребены в ходе БТТИ [27]. Мощный пеплопад погубил растительность дола на площади около 400 км², а местность превратилась в безжизненную шлаково-пепловую пустыню [24]. Пирокластический материал БТТИ отличается большим разнообразием формы и размеров обломков при общем уменьшении размеров частиц пепла от 2 до 0.5 мм по мере удаления от центра извержения [25, 31]. Шлак и другие продукты данного извержения являются (суб)афировыми базальтами с единичными кристаллами оливина, плагиоклаза, клинопироксена [25]. Пеплы представлены преимущественно вулканическим стеклом, шлаковидными обломками базальтов, измененными обломками базальтов красно-бурого цвета и единичными обломками кристаллов плагиоклаза и темноцветных минералов. Состав пеплов в пределах 20 км от центра извержения, куда входит территория исследования, не дифференцирован [25].

Растительность Толбачинского дола весьма гетерогенна, что связано с вулканическими образованиями, образующими поверхность дола: лавовые потоки разного возраста (от раннеголоценовых до современных), поля аккумуляции тефры, шлаковые конусы [7], местами погребенные органогенные горизонты.

На всей исследуемой территории растительность представляет собой травяные и мохово-лишайниковые группировки. Проективное покрытие сосудистых растений на пробных площадях лавовых потоков Клешня и Алаид варьирует от 0 до 4%. Проективное покрытие мхов и лишайников – от 0.5 до 20%. Большинство (10) сообществ находятся на первой стадии сукцессии (первичная колонизация – разреженные моховолишайниковые и травяные группировки), 6 – на второй стадии сукцессии (моховолишайниковые и травяные группировки сомкнутостью >5%, моховые и злаковые (Leymus interior) сообщества, закрепление субстрата) по [14].

На сегодняшний день растительные сообщества Толбачинского дола отличаются от сообществ фоновых местообитаний значительной степенью вулканогенной трансформации, которая выражается в изменении структуры сообществ, существенных отличиях во флористическом составе, количественных соотношениях видов-доминантов, содоминантов и подчиненных видов и в нарушении соотношения различных экологических групп видов по сравнению с сообществами, не подверженными сильному влиянию вулканизма. В сообществах присутствуют виды, обычные для начальных стадий зарастания вулканических отложений [13].

Почвы. Территория исследования относится к восточному району Северной почвенной провинции Камчатки [18]. Поскольку на Толбачинском доле почвы подвержены постоянному поступлению пирокластики, почвообразование имеет синлитогенный характер [3]. Такие слаборазвитые почвы на свежих вулканических выбросах по классификации почв России 2004 г. относятся к типу слоисто-пепловых (Vitric Andosols [12]).

Аналогичные почвы (почвоподобные тела – экопочвы, выполняющие экологические и биосферные функции молодых инициальных почв, Vitric Andosols) Толбачинского дола описаны Гришиным и Шляховым [7]. На исследуемой территории профили почв представляют собой набор слоев пирокластических отложений, лишь часть из которых затронута педогенными процессами, но в небольшой степени.

В местах распространения почв данной группы еще до БТТИ лиственничные леса отсутствовали, так как под поверхностным слоем шлака (от 10 до 50 см и более) не обнаруживается хорошо развитого гумусово-аккумулятивного горизонта. Его место занимает горизонт АС, представляющий собой коричнево-темно-серый песок, содержащий небольшое количество хорошо разложившегося органического вещества [7]. Других следов процесса почвообразования не прослеживается.

Для данной группы почв характерна актуальная кислотность среды от слабокислой до близкой к нейтральной (pH 5.9–6.9) [7]. Чем ближе к дневной поверхности находится погребенный горизонт, тем больше значения его актуальной кислотности. Наибольшими значениями актуальной кислотности pH (6.4–8.5) характеризуется верхний слой (тефра) БТТИ [7].

Содержание С_орг в данных почвах очень низкое: в слоях основных пирокластических отложений до 1.8%, в горизонтах AC до 1.2% [7]. В поверхностном слое пирокластического материала БТТИ содержание С_орг составляет всего 0–0.3%, но в верхних 1–2-сантиметровых корочках – не менее 0.3%, может достигать 3.5%.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Отбор 16-ти образцов базальтов с двух лавовых потоков (Клешня и Алаид) проводили в 2018–2019 гг. (рис. 1). На каждой точке выполняли геоботаническое описание сообществ. Кроме участков на лавовых потоках, исследовали 46 проб верхнего горизонта почвы (тефры) со шлаковых полей. Все пробы отобрали методом конверта по 250–500 г.

Рис. 1.

Карта фактического материала: 1 – точки на лавовом плато, 2 – точки на шлаковом плато, 3 – контур лавовых потоков – контур лавовых потоков.

Элементный состав определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) на приборе EDX-8000P базе ресурсного центра “Методы анализа состава вещества” СПбГУ.

Коэффициенты концентраций для элементов, исследуемых методом РФА (Si, Al, Fe, Ca, Ti, K, Mn, Sr, Zr, Cu, Cr), рассчитывали по формуле: K_c = K_i/K_b, где K_i – концентрация конкретного элемента в данной пробе, K_b – региональный фон данного элемента в почвах восточного района северной провинции Камчатки (по [9]).

Для общей характеристики геохимических особенностей верхнего горизонта почвы вулканического плато Толбачинский дол рассчитывали суммарный геохимический показатель Zc по формуле: Zc = ∑K_c – (n – 1), где n – количество элементов, превышающих региональный фон в пробе, более чем в 1.1 раза (по [4, 9, 22]). Для расчета показателя учитывали элементы, коэффициент концентрации которых был >1.

Для более подробного анализа верхнего горизонта почвы с участков на разных лавовых потоках (16 проб) исключили элементы, не отражающие различие состава тефры (Fe, Si, Al, Ti, K, Sr, Zr), в анализ включили микроэлементы, которые не удалось зафиксировать методом РФА (исследовали Mn, Ca, Cu, Cr, Co, V, Ni, Li, Zn, P). Для этого воспользовали метод ICP-AES, как более чувствительный и точный. Измерения проводили на приборе ICP-9000 на базе ресурсного центра “Химия” СПбГУ. Для этого навески проб переводили в жидкую фазу стандартным методом кислотного разложения проб с использованием микроволновой печи [20].

Статистическую обработку данных проводили с помощью Microsoft Excel, пакета Statistica 7 и в программной среде R. Использовали корреляционный анализ (с применением коэффициента корреляции Пирсона).

Для сравнения элементного состава верхнего горизонта почвы (тефры) участков, находящихся на разных лавовых потоках, и определения влияния разного состава подстилающих базальтов на различия элементного состава тефры, более подробно рассматривали точки наблюдения, расположенные на участках лавовых потоков Клешня и Алаид. Методом анализа главных компонент (principal component analysis, далее PCA) изучили распределение элементного состава верхнего горизонта почвы и отдельно элементного состава погребенных базальтов.

Для описания различий между растительными сообществами на участках лавовых потоков Алаид и Клешня использовали алгоритм неметрического многомерного шкалирования (NMS, nonmetric multidimensional scaling [15, 32]) в двух осях при уровне стресса p < 0.08. Ординация построена по родовому составу и проективному покрытию видов с вычислением коэффициента расстояния Брея-Кертиса. Затем вычисляли коэффициент детерминации R² между координатами точек описаний на осях NMS и характеристиками среды. В качестве характеристик среды учитывали общее проективное покрытие растительности, в отдельности покрытие мохово-лишайникового и травяно-кустарничкового ярусов, обилие видов, расстояние до источников семян (уцелевших тундровых сообществ), микрорельеф точки наблюдения, размер обломков выходов лавы (что важно для мхов и лишайников, поскольку на подвижной тефре им сложнее закрепиться), абсолютную высоту точек наблюдения и др. Кроме того, в качестве факторов элементного состава почв использовали координаты первых двух осей PCA, полученных при анализе химического состава верхнего горизонта почв.

Все карты распределения элементов построены с помощью программы ArcGIS 10.1. Для построения карт распределения коэффициентов концентраций элементов Kc и суммарного геохимического показателя Zc использовали модуль Spatial Analyst. Для интерполяции данных (построения непрерывной поверхности) – метод обратно взвешенных расстояний [16].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Краткая характеристика почв исследуемой территории. Мощность тефры БТТИ на исследуемых точках наблюдения варьирует от 3 до >100 см. В районе выхода на дневную поверхность лавового потока Алаид средняя мощность тефры составляет 20 см (от 3 до 47 см). В районе лавового потока Клешня – от 17 до 100 см, средняя мощность тефры 40 см.

В большей степени поверхностный слой пирокластических отложений (С) характеризуется комковатой и ореховато-комковатой структурой, темной окраской (10YR 4/2, 7.5YR 3/2). Гранулометрический состав, определенный в поле органолептически, – преимущественно супесь, размер частиц до 10 см. Образцы погребенного грубогумусового горизонта (2AO) характеризуются непрочнокомковатой структурой, слабой сцементированностью (предположительно, за счет растительного детрита), наличием корней, еще более темной окраской (10YR 3/2, 2.5 Y3/3). Гранулометрический состав супесчаный, однако размер частиц не превышает 5 см.

Геохимическая характеристика верхнего горизонта формирующейся почвы исследуемой территории. Почвенный профиль на участках лавовых потоков сформирован следующим образом: на поверхности залегает слой тефры БТТИ, составляющий от 3 до 100 см (в среднем 20 см по 18 наблюдениям). Под ней в 14 точках наблюдения находится погребенный переходный горизонт AC мощностью от 5 до 20 см, сформированный на более древней тефре (2C), в свою очередь залегающей на базальтовых потоках (D). В остальных точках наблюдения под слоем тефры БТТИ находятся более древние слои тефры, мощностью более 100 см.

Для верхнего горизонта почвы исследуемой территории наибольшие концентрации характерны для Si (медиана) 18%, Fe (7.8%), Ca (7.5%) и Al (7%), наименьшие наблюдаются у Zr (113), Cu (98 мг/кг).

Концентрации Al и Mn в 75–90% проб меньше регионального фона (табл. S1 ). Содержание K, Sr и Zr по всей исследуемой территории варьирует на уровне регионального фона. Повышенные концентрации K связаны с участками, где залегают лавовые потоки Клешня и Алаид, и с близлежащими к ним понижениями в микрорельефе.

Концентрации Fe, Ca и Ti по всей изучаемой территории превышают региональный фон примерно в 1.5 раза. Вероятно, повышенные концентрации данных элементов обусловлены тем, что они относятся к типоморфным для основных вулканитов и андезитовых приповерхностных пеплов исследуемой территории [27]. Пониженные концентрации данных элементов отмечены только в нескольких точках и, видимо, связаны с локальными превышениями микрорельефа и миграцией их по рельефу (на исследуемой территории элементы вымываются с повышенных участков и накапливаются в понижениях).

Значения показателя Zc (рис. 2) увеличиваются от бóльших абсолютных высот к меньшим, вероятно, это связано с особенностями рельефа и миграцией элементов в локальные понижения. Участки на юге исследуемой территории, где показатель принимает пониженные значения, в основном связаны с локальными превышениями микрорельефа. Также наблюдается отрицательная корреляционная связь концентраций отдельных элементов с абсолютной высотой точек наблюдения (для Zn r = –0.71). Для исследуемых участков значение показателя Zc не превышает 16, следовательно, данная территория характеризуется допустимым уровнем содержания данных элементов [21].

Рис. 2.

Интегральная геохимическая карта распределения исследуемых элементов в верхнем горизонте почв вулканического плато Толбачинский дол: 1 – точка наблюдения, 2 – контур лавовых потоков, входящих на дневную поверхность.

Наибольший вклад в изменение показателя Zc вносят Cr, Cu, тогда как содержание элементов с бóльшими концентрациями (Fe, Si, Al, Ti) изменяется не так значительно, поскольку они являются наиболее характерными и типичными для данных пород.

Различия элементного состава верхнего горизонта почвы на участках лавовых потоков Алаид и Клешня. По результатам РСА (по элементам Si, Al, Fe, Ca, Ti, K, Mn, Sr, Zr, Cu, Cr) образцы базальтов в пределах своих лавовых потоков различаются между собой в большей степени по главной компоненте (Factor 1) – содержанию Si и Al (r = –0.91 и –0.83 соответственно): лавы потока Клешня – глиноземистый базальт, для которого характерно большее содержание Al и Si, чем для магнезиального базальта потока Алаид (рис. 3).

Рис. 3.

Элементный состав образцов лав в плоскости двух главных компонент (по концентрациям Si, Al, Fe, Ca, Ti, K, Mn, Sr, Zr, Cu, Cr, полученным методом РФА). Factor 1 – 1 главная компонента, Factor 2 – 2 главная компонента.

Однако для верхнего горизонта почвы с тех же участков группировки по лавовым потокам несколько более размыты (рис. 4). Кроме того, главные компоненты, характеризующие распределение исследуемых элементов в данных пробах верхнего горизонта почв, не схожи с таковыми компонентами для лав.

Рис. 4.

Элементный состав образцов верхнего горизонта почв, формирующихся на разных лавовых потоках, в плоскости двух главных компонент (по концентрациям Si, Al, Fe, Ca, Ti, K, Mn, Sr, Zr, Cu, Cr, полученным методом РФА). Factor 1 – 1 главная компонента, Factor 2 – 2 главная компонента.

Распределение элементов в верхнем горизонте почвы совершенно иное. Корреляции содержания Si, Ca, Ti, K, Mn, Sr, Fe, Al в тефре и лавах не наблюдается. Содержание Fe в верхнем горизонте почв с участков разных лавовых потоков практически не дифференцировано, в отличие от его содержания в самих лавах. Различие медиан содержания Ca, Ti, Sr гораздо больше для разных лавовых потоков, чем для покрывающей их тефры. Концентрация Cu наоборот более контрастна в верхнем горизонте почвы с разных участков, чем в самих лавах. Кроме того, в лавах в отличие от верхнего горизонта почв на соответствующих точках пробоотбора методом РФА не обнаружен Cr. Данные результаты закономерны, поскольку верхний слой почвы, образованный тефрой, и подстилающие лавы являются продуктами извержений разных конусов и, как упоминается в других исследованиях, могут существенно отличаться по химическому и минералогическому составу [24].

Таким образом, элементный состав верхнего горизонта почвы (тефры) не связан с элементным составом подстилающих лав.

По содержанию Mn, Ca, Cu, Cr, Co, V, Ni, Li, Zn, P, S состав верхнего горизонта почвы с точек наблюдения, находящихся на разных лавовых потоках, сильно различается (рис. 5). В большей степени это связано с главной компонентой, обусловленной содержанием Li, и соответствующей оси PC1 на рис. 5 и 6.

Рис. 5.

Элементный состав образцов верхнего горизонта почв, формирующихся на разных лавовых потоках, в плоскости двух главных компонент PC1 и PC2 (по концентрациям Mn, Ca, Cu, Cr, Co, V, Ni, Li, Zn, P, S, полученным методом ICP-AES) – проекция точек наблюдения на фактор-плоскость.

Рис. 6.

Элементный состав образцов верхнего горизонта почв, формирующихся на разных лавовых потоках, в плоскости двух главных компонент PC1 и PC2 (по концентрациям Mn, Ca, Cu, Cr, Co, V, Ni, Li, Zn, P, S, полученным методом ICP-AES) – проекция переменных на фактор-плоскость.

По второй главной компоненте (PC2) состав верхнего горизонта почвы между участками разных лавовых потоков отличается гораздо меньше. Данная главная компонента обусловлена содержанием таких элементов, как Cr, Ni (имеют положительный вектор), а также P, Cu, Li (имеют отрицательный вектор).

Различия между растительными сообществами на участках лавовых потоков Алаид и Клешня. Растительные группировки на участках лавовых потоков Клешня и Алаид различаются в основном по проективному покрытию мхов и лишайников. Именно для участка на потоке Клешня более характерны пионерные виды мхов (Polytrichum piliferum, Polytrichum juniperinum), накипные лишайники и лишайник Stereocaulon sp., что предположительно связано с бóльшим количеством выходов лав на данном участке (на них им проще закрепиться, чем на подвижной тефре).

На рис. 7 приведены результаты анализа методом неметрического многомерного шкалирования, в качестве дополнительных переменных в анализ были добавлены значения главных компонент PC1 и PC2, характеризующих элементный состав верхнего горизонта почвы (сведения об элементном составе в виде двух значений), полученные при анализе распределения Mn, Ca, Cu, Cr, Co, V, Ni, Li, Zn, P, S в тефре. С основным градиентом (ось координат Axis1), который характеризует различие сообществ, положительно коррелирует абсолютная высота местности, увеличение поверхности выходов лавы, и отрицательно – удаленность от уцелевшей тундры. Поскольку сравнивали только участки на лавовых потоках, удаленные друг от друга, распределение сообществ по этой оси можно определить как различия в растительности на данных потоках.

Рис. 7.

Результаты анализа растительных сообществ, произрастающих на участках лавовых потоков Клешня и Алаид, методом неметрического многомерного шкалирования (NMS) с добавлением осей PC1, PC2 и содержания Cu. Векторами показаны наиболее скоррелированные (R² > 0.33, p < 0.05) с составом сообществ характеристик, где DistTund – удаленность от уцелевшей тундры, LavaSize – размер выходов лав, Alt – абсолютная высота, Epicentre – расстояние до эпицентра БТТИ, SR. vascular – число видов сосудистых растений, P. vascular – проективное покрытие сосудистых растений, P. cryptogam – проективное покрытие лишайников и мхов.

Значение компоненты PC1, с которой связано уменьшение концентрации большинства элементов, частично коррелирует с основным градиентом Axis1, что, возможно, вносит вклад в различие растительных сообществ разных лавовых потоков.

Основной градиент Axis2 характеризует различия сообществ внутри группировок по лавам, в меньшей степени связанные с различиями условий между данными участками. Как видно на рис. 7, число видов и проективное покрытие сосудистых растений сильно коррелирует с главной компонентой PC2 (r = –0.99 и –0.96 соответственно).

ВЫВОДЫ

1. На всей исследуемой территории значения суммарного геохимического показателя Zc (рассчитанного по элементам Fe, Ca, Al, Ti, K, Mn, Sr, Zr, Cu, Cr) увеличиваются от бóльших абсолютных высот к меньшим. Максимальное значение (17) данный показатель принимает в точке, приуроченной к локальному понижению рельефа.

2. В верхнем горизонте почв, формирующихся на лавовых потоках Клешня и Алаид, распределение концентраций большинства микроэлементов, вероятно, определяется характером рельефа.

3. Пробные площади, расположенные на разных лавовых потоках, отличаются как по элементному составу верхнего горизонта почвы, так и по растительным сообществам. Однако данные различия не связаны с элементным составом лав, подстилающих тефру. Элементный состав верхнего горизонта почв (тефры) на участке потока Алаид отличается более высоким содержанием Ca, Mn, Co, V, Ni, Zn, S по сравнению с таковым на участке потока Клешня. Для группы растительных сообществ, произрастающих на участке лавового потока Клешня характерно большее проективное покрытие мхов и лишайников, чем для растительных сообществ участка лавового потока Алаид, что связано с более крупными выходами лав на участке потока Клешня. По видовому составу для участка на потоке Клешня более характерны пионерные виды мхов и накипные лишайники, чем для участка на потоке Алаид.

4. Различия между группами растительных сообществ, произрастающих на разных лавовых потоках, связаны больше с размером выходов лав (поскольку на них проще закрепиться лишайникам и мхам) и рельефом изученных территорий, чем с элементным составом верхнего горизонта почвы и подстилающей лавы. Однако прослеживается сильная связь распределения Cu, P, Li, Cr с проективным покрытием и количеством видов сосудистых растений.