Вестник РАН, 2022, T. 92, № 6, стр. 564-571

НАУЧНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЯВЛЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ ГЕОГРАФИИ ПОЧВ

Судя по народным классификациям почв разных стран и континентов [9], люди издревле разделяли продуктивные при земледельческом использовании почвы и разнообразные неудобья, часть которых мы могли бы сегодня отнести к экстремальным. Основоположник генетического почвоведения В.В. Докучаев выделял нормальные (растительно-наземные) и анормальные (наносные) почвы, а также переходные между ними типы [10]. При дальнейшем развитии почвоведения менялись приоритеты классификаций (подробно это изложено в работе [9]), названия классов почв, увеличивалось их число, но до сих пор, например, в отечественной классификации сохранилось разделение на большой ствол постлитогенных почв и малый ствол органогенных почв, в который, собственно, и входят все “нормальные”, по Докучаеву, почвы, а также меньшие стволы синлитогенных и слаборазвитых почв [9], к которым относится бóльшая часть почв, которые сегодня можно причислить к экстремальным.

В последней четверти прошлого века появилась серия работ, в которых предпринималась попытка определить понятие “почва”, объекты почвоведения и классифицировать почвы. В.М. Фридланд предложил включить в классификацию почв “парапочвы (почвоподобные тела)”, то есть тела на поверхности Земли, “способные обеспечивать развитие зелёных растений” [11]. К ним были отнесены рыхлые горные породы, переотложенные и сконструированные почвогрунты, а также “подводные донные образования, находящиеся на небольшой глубине”. Параллельно с В.М. Фридландом тему классификации почв и объектов почвоведения развивал И.А. Соколов [12]. В качестве объектов почвоведения он предлагал выделять: почвы – “самостоятельные субаэральные естественно-исторические тела, образующиеся на месте в результате преобразования под влиянием биоты и климата исходных почвообразующих минеральных пород”; “полупочвы – тела, формирующиеся под влиянием процессов почвообразования и иных процессов и исполняющие основную экологическую функцию почв” (сюда отнесены аллювиальные, вулканические, органогенные, примитивные и другие почвы); “парапочвы – тела, образующие экзосферу Земли (геодерму) и выполняющие экологическую функцию почв, но почвами не являющиеся (полупочвы и обладающие плодородием непочвенные образования)”; “экопочвы – тела, выполняющие биосферную экологическую роль почв (почвы и парапочвы)”.

В.О. Таргульян [13] также предложил расширить теоретическую базу почвоведения, включая внеземные тела, в которых происходит взаимодействие в системе “среда–субстрат”. Вместе с аналогичными телами они представляют собой “экзоны”, которые подразделяются на “ситоны, трансоны и трансситоны”, обозначающие: тела, в которых продукты взаимодействия остаются на месте; тела, в которых они переносятся; переходный вариант.

Ю.С. Толчельников предложил весь массив почв и близких к ним тел, обладающих способностью поддерживать жизнь растений, разделить на экологически скореллированные (целинные и подводные почвы) и на экологически нескореллированные (“молодые, агротехнически и мелиоративно преобразованные, органо-минеральные массы отдельных почвенных горизонтов, перемещённые на другие участки, в том числе в закрытые помещения”, “искусственные вещества, используемые для выращивания растений” и т.д.) [14, с. 57].

Е.А. Дмитриев на основе работ В.О. Таргульяна предложил в понятие экзона включать почвы и почвоподобные тела, среди которых могут быть введены классы “организационно” (абиотичные экзоны с горизонтным строением), “функционально” (обладающие плодородием) и “хорологически” (занимающие место почв, например, каменистые россыпи) почвоподобных тел. При этом “границы между почвами и непочвами… всегда будут иметь договорной характер” [15, с. 310]. К почвоподобным телам он отнёс также коры выветривания и донные отложения.

В XXI в. объём информации о почвах и почвоподобных телах значительно расширился. Активно велись работы по почвам Антарктиды, развивались исследования органо-минерального взаимодействия на поверхности и внутри плотных пород – эпилитного и эндолитного выветривания [5, 16]. Существенным образом продвинулось изучение подводных и маршевых почв, в том числе и российскими учёными [17], а также почв, сформированных на субстратах со своеобразным химико-минералогическим составом [18]. Появились обобщения по почвам жарких пустынь [19], лавинообразно увеличивается количество данных по техногенным почвам и субстратам [20]. Кроме того, кардинальным образом изменились инструментальные возможности изучения детальных свойств вещества на микро- и наноуровне [21].

На основании обобщения изложенного выше теоретического и эмпирического материала была сформулирована концепция почвоведения и географии почв экстремальных условий [21, 22], которая развивается в данной работе.

ОБЪЕКТЫ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ ГЕОГРАФИИ ПОЧВ

Определяя критерии, по которым те или иные почвенные тела могут быть отнесены к почвам экстремальных условий, мы основываемся на педоцентрическом подходе, то есть оцениваем существующую и потенциальную степень развития профиля, а также, в качестве дополнительного признака, напряжённость потоков вещества и энергии данной почвы. Предлагается выделять почвы экстремальных условий среды, которые в дальнейшем будем называть экстремальными почвами (отдавая себе отчёт в том, что это жаргонизм).

В последние десятилетия получен значительный материал по минералогии и геохимии поверхностных тел атмосферных (в основном Марс) и безвоздушных (Луна, астероиды, кометы) космических объектов [7, 8]. Для них в англоязычной литературе активно используется термин “soil” (Martian soil, Lunar soil), под которым понимается просто рыхлый неконсолидированный субстрат – реголит. Он возникает под действием таких факторов, как огромная амплитуда температур, метеоритная бомбардировка, солнечный ветер, космическое излучение [8]. Однако, как представляется, научное докучаевское определение почвы нельзя расширять до полностью абиогенных объектов, поэтому нами предложен термин “солоид” в качестве аналога термина “почвоподобное тело” [7]. На основе данных, изложенных в предыдущем разделе, а также информации о продуктах взаимодействия среды и породы в космическом пространстве была составлена шкала глубин взаимодействия в системе “среда–субстрат” на земных и внеземных объектах и определено место почв на ней (рис. 1). Как видим, взаимодействия осуществляются в весьма широком диапазоне – от десятков нанометров до первых десятков метров. Однако мы считаем, что самостоятельные, то есть расположенные на границе “среда–субстрат”, а не внутри других объектов природные результаты взаимодействия с глубиной менее 1 мм и невидимые невооружённым глазом, не являются объектами почвоведения, даже имеющего дело с экстремальными условиями. Поэтому к объектам нашей науки мы предлагаем относить тела с определёнными ограничениями.

Рис. 1.

Шкала глубин взаимодействия в системе “среда–субстрат” на земных и внеземных объектах

Для почвы, в том числе экстремальной, необходимо наличие следующих признаков: рыхлый дисперсный (размер частиц <2 мм) минеральный и/или органический материал, мощностью > n см; горизонтная стратификация in situ, хотя бы на микроуровне и хотя бы на фоне седиментационной слоистости на глубину n см; наличие (микро)биоты; наличие органического вещества, хотя бы в следовых количествах; преимущественно субаэральный или субаквальный режим под слоем воды ≤2 м.

Солоиды отличаются такими признаками: рыхлый дисперсный (размер частиц <2 мм) минеральный и/или органический материал, хотя бы в следовых количествах; (микро)горизонтная стратификация in situ, хотя бы и на фоне седиментационной слоистости на глубину > n мм; контакт со средой, представляющей собой вакуум, газообразную или жидкую фазу. При этом наличие биоты и органического вещества не обязательно.

Критерии отнесения объектов почвоведения к экстремальным предусматривают развитие почв и солоидов в экстремальных условиях Земли и землеподобных планет как при недостатке ресурсов (вещества и энергии), так и при его избытке (рис. 2). Экстремальность, связанная с дефицитом или избытком ресурсов, определяется по отношению к “докучаевским” почвам нормальных/оптимальных условий, то есть природным телам, для которых разработаны методология исследования и классификационные системы современного почвоведения. Экстремальность, обусловленная дефицитом ресурсов, традиционна для экологии и биологии. Однако анализ показал, что для генезиса и географии почв имеет смысл выделять и экстремальные объекты почвоведения при избытке ресурсов, так как и в этом случае образуются тела, например, коры выветривания и формирующиеся на них ферраллитные почвы, сильно отличающиеся от основных объектов почвоведения. Они требуют особых подходов, например, в силу низкой поглощающей активности глин, очень высокой доли обменного алюминия и сильнокислой в связи с этим реакцией среды.

Рис. 2.

Доступность ресурсов и степень экстремальности объектов почвоведения

В экстремальных условиях образуются ортоэкстремальные почвы, то есть “правильные”, настоящие экстремальные, и параэкстремальные почвы (почти экстремальные). Последние представляют переходную форму от экcтремальных к нормальным или оптимальным почвам. В ультраэкстремальных условиях образуются солоиды, которые при недостатке ресурсов формируются на микроуровне (например, в эндолитных системах [5]) – минисолоиды, а при их избытке – на макроуровне (метры и десятки метров) – макси-солоиды, например, многометровые культурные слои, или урбоседименты [23], а также мощные коры выветривания и гигантские подзолы с элювиальным горизонтом в пять и более метров в условиях жаркого и влажного климата, действующего на субстраты в течение сотен тысяч лет.

Критериями ортоэкстремальных почв являются неразвитость профилей и/или стрессовое состояние биоценозов почв, а также, в качестве дополнительного признака, крайне малые напочвенные потоки углерод- и азотсодержащих газов. К ортоэкстремальным мы причисляем почвы с неразвитым гумусовым и подстилочным горизонтом, относящиеся по российской классификации к псаммозёмам, петрозёмам, пелозёмам, некоторым солончакам. В эту же группу мы включаем техногенно “отравленные” почвы, в которых морфоструктурные профили сохранены, а биофункционирование сильно редуцировано и не соответствует морфологическому облику. К параэкстремальным почвам могут быть отнесены, например, почвы ультраконтинентальных областей, в которых профиль полноразвитый, но про которые мы также знаем, что зимой их поверхность охлаждается до –50^оС, но приводит ли это к каким-то отличиям от классических почв и требуют ли эти почвы особых подходов к их исследованию, пока неизвестно. Некоторые почвы, например, песчаные подзолы южной тайги, когда-то находились под селитьбами или пережили периоды распашки и до сих пор не могут восстановить исходные профили, несмотря на то, что на протяжении уже нескольких сотен или даже тысяч лет они пребывают под лесной растительностью [24]. В отличие от большинства почв, которые практически полностью восстанавливают свои профили при выводе из сельскохозяйственного оборота, эти изменённые почвы тоже следует отнести к параэкстремальным.

КЛАССЫ ЭКСТРЕМАЛЬНОСТИ ПОЧВ

Пространственно-временно́й синтез полученных знаний о почвах экстремальных условий позволил выделить следующие классы экстремальности почв и солоидов.

I. Факторная экстремальность почв. Моно- и мультифакторная экстремальность, связанная с особенностями одного или нескольких факторов почвообразования (см. ниже).

II. Надземная экстремальность почв и солоидов. В некоторых случаях почвы и солоиды развиваются на древесном ярусе экосистем при участии эпифитов, задерживающих органические остатки и эоловый мелкозём, – это подвешенные (suspended) почвы [25]. Сюда же можно отнести и ещё не исследованные органо-минеральные образования, формирующиеся на месте заброшенных древесных колоний животных – термитов, птиц.

III. Эктремальность супрагляциальных почв и солоидов. Речь идёт о специфических органо-минеральных образованиях на поверхности ледников и снежников [26]. Эоловое накопление мелкозёма и появление растительности, начиная от водорослей и заканчивая лесом, обусловливают процессы, приводящие к появлению целой серии солоидов и почв: светопоглощающих примесей, криоконитов, “ледовых” почв (накопление разложенных остатков водорослей на поверхности льда, мощностью n см), полноразвитых почв под высшей растительностью, формирующихся на силикатном материале, подстилаемом глыбами мёртвого льда [26, 27].

IV. Режимно-функциональная экстремальность почв связана с формированием в какой-то период (сезон, год) экстремальных для конкретной территории условий, прежде всего погодных. Как правило, это связано с отсутствием или избытком осадков, крайне высокими или крайне низкими для региона температурами, ледяным дождём и т.д. Например, экстремально жаркое и сухое лето 2003 г. в Западной Европе и 2010 г. в России оказало сильное влияние на потоки парниковых газов из почв [28]. Этот класс экстремальности далеко не всегда или даже редко связан с генезисом и географией почв и появлением собственно экстремальных почв.

V. Хорологическая (внеареальная) экстремальность типа почвообразования связана с появлением почв, которые обычно характерны для других территорий с иным климатом. Например, немецкими почвоведами на побережье Восточной Антарктиды были найдены почвы, по всем критериям международной системы WRB соответствующие подзолам (Podzols) [29], которые типичны для лесов и тундр. Другой пример был обнаружен с нашим участием для вертисолей (Vertisols по WRB). Вертисоли в большинстве своём относятся к глинистым почвам тропиков и субтропиков с чередованием сухого и влажного периодов. Однако недавно вертисоли были найдены и описаны в мерзлотной области Центральной Бурятии [30].

VI. Возрастная экстремальность почв стоит особняком по отношению к предыдущим классам. Сюда относятся очень молодые или, наоборот, очень древние почвы нормальных условий почвообразования. Первые через сотни или тысячи лет превратятся в нормальные оптимальные почвы, а вторые были таковыми миллионы лет назад. Однако подходы к исследованию первичных [31] и очень древних почв [32] во многом близки к экстремальной географии почв (электронная микроскопия, томография и др.), так как рутинные методы почвоведения оказываются недостаточно аккуратными по отношению к этим хрупким объектам.

Отдельно рассмотрим наиболее распространённую факторную экстремальность почв. Можно выделить следующие её разновидности.

Климатически экстремальные почвы (климаэкстремальные) – недостаточно обеспеченные теплом (регионы высоких широт) или влагой (засушливые регионы), территории с резкими колебаниями климатических условий [16, 19].

Почвы, экстремальные в связи с рельефом (топоэкстремальные), неполноразвитость которых связана с местными условиями рельефа (пещеры, отвесные скалы и т.д.) [33 и др.].

Почвы, лимитированные по биоте (биоэкстремальные), например, почвоподобные тела пещер, где полностью отсутствуют фотосинтезирующие организмы, или почвы под бескорневой растительностью [33, 16].

Почвы, экстремальные в связи с субстратом (литоэкстремальные), например, развивающиеся в токсичной среде или на крайне бедной основе, что не обеспечивает в должной мере благоприятные свойства и запас питательных веществ для развития биоты [18], а также экстремальные в связи с крайне неблагоприятными физическими свойствами, например, высокой каменистостью и практическим отсутствием мелкозёма.

Почвы, развитие которых лимитировано современным формированием отложений (седименто- или седиэкстремальные) – эоловым, флювиальным, вулканическим и т.д., что было известно ещё в додокучаевский период.

Почвы, сформировавшиеся под активным влиянием современных или прошлых эндогенных процессов (эндогенно экстремальные) [34], а также биокосные образования в гидротермальных условиях.

Почвы, сильно подверженные действию поверхностных вод на днищах мелких водоёмов, которые, согласно Мировой реферативной базе почвенных ресурсов [29], относятся к почвам и классифицируются как почвы (субаквоэкстремальные) [17].

Почвы, подверженные сильному воздействию грунтовых, в том числе засолённых, вод (гидроэкстремальные).

Почвы, сильно изменённые или сформированные в связи с деятельностью человека (антропогенно-экстремальные), – почвы на культурных слоях, токсичных отходах и т.д.

Весьма часто приходится иметь дело с мультифакторной экстремальностью. Как правило, климаэкстремальные почвы одновременно являются литоэкстремальными из-за выноса мелкозёма сильными ветрами или седиэкстремальными в связи с эоловым привносом. Топоэкстремальность часто сочетается с литоэкстремальностью почв.

ГЕОГРАФИЯ ПОЧВ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

Исходя из изложенных выше сведений о разнообразии экстремальных почв и солоидов, может создаться впечатление, что такие почвы преобладают на поверхности Земли. Но это не совсем так. Оценить общую площадь экстремальных почв для всего мира можно по подсчётам, сделанным в Таксономии почв США [35] на основании прилагаемой к ней карты “Global Soil Regions”, в свою очередь созданной по данным Почвенной карты мира Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединённых Наций (ФАО). Использовать единицы Таксономии почв для интерпретации их потенциальной экстремальности оказалось эффективнее, чем элементы легенды Почвенной карты ФАО–ЮНЕСКО. К возможным ареалам солоидов следует отнести скалисто-каменистые выходы (~10% свободной ото льда суши) и с большой степенью условности движущиеся пески (~4%). К ареалам экстремальных почв – площади, занимаемые практически всеми энтисолями – слаборазвитыми почвами (~16%). В совокупности они составляют 30% внеледниковой площади суши. Но если добавить к ним ещё около пятой части от 7% площади, занимаемой оксисолями (недифференцированными тропическими почвами на корах выветривания), а также некоторую часть гелисолей (мерзлотных почв), то общую долю экстремальных почв и солоидов в покрове Земли, по расчётам, основанным на американской Таксономии почв, можно оценить в 35–40%.

Однако это очень приблизительная и, на наш взгляд, сильно завышенная оценка, так как на карте “Global Soil Regions” к выходам скал отнесён весь пояс гор Северо-Восточной и Южной Сибири, Тибет, Среднесибирское плоскогорье. Видимо, более точный подсчёт площадей экстремальных почв на Земле ещё только предстоит произвести, но сегодня оценка в 20–25% общей площади внеледниковой суши представляется наиболее вероятной.

Основные ареалы экстремальных почв – это аридные пустыни: Сахара, Аравийская, Большая Австралийская, Калахари, а также наиболее сухие и холодные горные массивы в Азии, Арктике. Наибольшие ареалы экстремальных почв с избытком ресурсов расположены в бассейнах экваториальных рек Амазонки и Конго. Самые крупные ареалы относятся к клима-, седи- и литоэкстремальным почвам.

В отдельных макрорегионах распространения экстремальных почв, например, в полярных областях Земли, законы глобальной географии почв, прежде всего их широтная зональность, нарушаются из-за воздействия ледников. Почвенный покров приобретает островное строение (острова почв среди морского и наземного льда), а его характер зависит в большей мере от локальных причин (близость к леднику и его размеры, наветренное или подветренное положение, экспозиция, наличие или отсутствие птичьих базаров и стоков с них и т.д.), чем от широты местности. В связи с этим близкие к полюсам почвы могут быть более плодородными – это явление можно назвать гляциогенной инверсией зональности почвенных свойств и процессов. В целом же географические закономерности высокоширотных областей предлагается назвать мозаично-островным географическим распространением почв.

* * *

В настоящее время многие географы-почвоведы осознают, что объектами их науки являются не только нормальные почвы, для которых разработан методологический и методический аппарат исследований и классификация, но и природные тела, которые занимают место этих почв в почвенном покрове, но иногда довольно сильно от них отличаются. В основном это связано с особенностями факторов почвообразования. Однако в качестве некоего единства эти специфические объекты ранее не рассматривались. Именно поэтому представляется важным оформить новое научное направление – генезис и география почв экстремальных условий. Его объектами являются почвы и солоиды (почвоподобные тела), которые развиваются в экстремальных (крайних, необычных для нормальных почв) условиях, как при недостатке, так и при избытке ресурсов.

Предлагается выделять различные классы экстремальности почв и солоидов – факторный, надземный, супрагляциальный, режимно-функциональный, хорологический (внеареальный) и возрастной. Среди класса факторной экстремальности определены клима-, топо-, био-, лито-, эндогенно-, седименто-, субакво-, гидро- и антропогенноэкстремальные почвы и солоиды.

Почвы, которые можно отнести к экстремальным, по нашей оценке, составляют ~20–25% площади внеледниковой суши. Это области наиболее аридных пустынь, гор с холодным и/или очень сухим климатом, а также некоторые почвы в тропическом поясе. В областях Высокой Арктики и в Антарктике для почвенного покрова характерна не широтная зональность, а мозаично-островное географическое распространение почв.

Осознание экстремальности значительного числа объектов географии почв и их дальнейшее адекватное изучение будет способствовать развитию теоретического и методического направлений нашей науки, что положительно скажется и на изучении основных, неэкстремальных, почв Земли.