Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Почвенные катены карстовых воронок

ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Почвенные катены карстовых воронок"

На правах рукописи

СМИРНОВА МАРИЯ АНДРЕЕВНА

ПОЧВЕННЫЕ КАТЕНЫ КАРСТОВЫХ ВОРОНОК

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов'

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

11 МАР 2015

005560333

Москва-2015

005560333

Работа выполнена на кафедре геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор географических наук,

профессор

Геннадиев Александр Николаевич

Официальные оппоненты: Апарин Борис Федорович, доктор

сельскохозяйственных наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет, заведующий кафедрой почвоведения и экологии почв

Конюшков Дмитрий Евгеньевич,

кандидат географических наук, Почвенный институт им. В.В. Докучаева, ведущий научный сотрудник отдела генезиса, географии, классификации и цифровой картографии почв

Ведущая организация: Институт географии РАН

Защита состоится «23» апреля 2015 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.13 на базе Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, 18-й этаж, аудитория 1807.

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д.27, А8 и на сайте Интеллектуальной Системы Тематического Исследования Научно-технической информации (ИСТИНА МГУ), http://istina.msu.ru, автореферат также размещен на официальном сайте ВАК (http://vvww.vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан «Лй » февраля 2015г.

Ученый секретарь —-/"""— , У Горбунова

диссертационного совета ' И? Ирина Алдаровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Почвенный покров карстовых областей весьма своеобразен и представляет большой интерес с географо-генетической точки зрения. На этих территориях наблюдается резкая и зачастую контрастная смена почв, обусловленная большим разнообразием почвообразующих пород и высокой интенсивностью геодинамических процессов. Специфичность почвенного покрова карстовых районов изучалась многими исследователями, однако основное внимание при этом уделялось почвам автономных позиций, формирующихся на разных почвообразующих породах, и выявлению значения литологического фактора в развитии почв. Почвы склонов и днищ воронок, несмотря на то, что воронки являются наиболее распространенными поверхностными формами рельефа карстовых областей, остаются практически неизученными. Имеются лишь единичные работы, посвященные изменению почв в пределах катен воронок некоторых северотаежных и сухостепных ландшафтов. Почвы карстовых воронок других ландшафтных областей не исследовались. В формировании почвенных катен карстовых воронок важную роль играют эрозионные процессы, однако количественная оценка темпов механической миграции вещества на склонах не производилась. Между тем данные о строении и характеристиках почвенных катен карстовых воронок представляются важными для развития общей теории почвообразования, ландшафтно-геохимических представлений и крупномасштабных почвенных съемок. Они могут быть востребованы при инженерно-географических изысканиях и разработке прогнозов экологического состояния территории.

Целью настоящей работы явилось выявление особенностей состава и формирования почвенных катен карстовых воронок в различных физико-географических условиях и их региональной специфичности. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Установить морфологические, химические, физические и физико-химические свойства почв катен и определить их классификационное положение.

2. Охарактеризовать изменения свойств почв в пределах катен и провести анализ их латеральной и радиальной дифференциации.

3. Провести сопоставление почвенных катен карстовых воронок, развивающихся в разных литолого-геоморфологических и биоклиматических условиях и выявить факторы, определяющие степень гетерогенности состава почвенных катен.

4. Оценить скорости и объемы латеральной миграции твердофазного вещества почв в пределах склонов карстовых воронок.

Материалы и методы исследования. В основу работы положено изучение 24 почвенных катен карстовых воронок (86 почвенных разрезов) на 8 ключевых участках. Объектами исследования служили почвенные катены карстовых воронок северотаежных ландшафтов юго-восточной оконечности Беломорско-Кулойского плато (участки «Придорожный», «Филипповский», «Голубино» и «Супесчаный»), широколиственно-лесных ландшафтов Среднего Приуралья и западного макросклона Южного Урала (участки «Камаи» и «Капова»), лесостепных ландшафтов Среднего Приуралья (участок «Кунгур») и сухостепных ландшафтов Южного Приуралья (ключевой участок «Луговской»), Основными методами исследования являлись сравнительно-географический метод, комплекс химико-аналитических методов и статистический метод. Оценка латеральной механической миграции твердофазного вещества почв проводилась методом магнитного трассера.

Новизна работы. В работе решена важная для географии почв и геохимии ландшафтов задача - выявлены особенности состава и формирования почвенных катен карстовых воронок в различных физико-географических условиях. Впервые освещен характер изменения свойств почв в пределах катен карстовых воронок широколиственно-лесных, лесостепных и сухостепных

ландшафтов. Проведено ранжирование почвенных катен карстовых воронок, формирующихся в различных биоклиматических и топо-литологических условиях, по гетерогенности их состава и геохимической контрастности. Дана оценка темпов и объемов латеральной механической миграции твердофазного вещества почв на склонах карстовых воронок.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке цели и задач исследования, организации и проведении полевых работ. Автором выполнены все химико-аналитические определения (около 1600 определений), проведена статистическая обработка данных и интерпретация полученных результатов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Почвенные катены карстовых воронок исследованных северотаежных, широколиственно-лесных, лесостепных и сухостепных ландшафтов характеризуются выраженной сменой почв на коротких расстояниях. Разнообразие почв в пределах катен обусловливается главным образом особенностями почвообразующих пород, неравномерностью локального увлажнения и не зависит от размеров карстовых воронок. В условиях одного биоклиматического потенциала может наблюдаться разная степень выраженности гетерогенности состава почвенных катен.

2. Наиболее профильно-дифференцированными почвами в карстовых воронках исследованных северотаежных и широколиственно-лесных ландшафтов являются почвы автономных позиций (подзолистые, подзолы, серые метаморфические, дерново-подзолистые, серые), в лесостепных -автономных и транзитных позиций (карболитоземы темногумусовые метаморфизованные), в сухостепных - почвы транзитных позиций (светлогумусовые миграционно-мицелярные). Наименее профильно-дифференцированными во всех случаях являются почвы подчиненных позиций (стратифицированные подтипы подзолистых почв, дерново-подзолистых почв, грубогумусовые, серогумусовые почвы, псаммоземы, стратоземы).

3. При изучении почв карстовых воронок в различных биоклиматических и топо-литологических условиях выявлен полиэкоморфизм почв, то есть приуроченность почв одного и того же классификационного положения к различным сочетаниям факторов почвообразования.

4. На основе применения метода магнитного трассера установлено, что карстовые воронки являются преимущественно денудационными системами, аккумуляция твердофазного вещества почв происходит только в нижних частях склонов карстовых воронок, в их днищах и подземных полостях. Средние скорости механической миграции вещества составляют около 11 т/га в год на склонах крутизной порядка 25° и 15 т/га в год на склонах крутизной около 30°.

Практическая значимость. Полученные данные о почвах карстовых воронок могут быть использованы при инженерно-географических изысканиях, разработке экологических прогнозов, оценке потенциала самоочищения почв. Они могут быть полезны для крупномасштабного почвенного картографирования, в том числе цифрового. Выявленные в ходе работы представления об особенностях формирования почв в пределах склонов карстовых воронок включены в учебные курсы по географии почв. Результаты исследований внедрены в отчеты по грантам РФФИ 14-05-31507-мола «Почвенные катены на склонах карстовых воронок» и 13-05-00098-а «Факторы и темпы латеральной миграции твердофазного вещества продуктов почвообразования и ее влияние на состояние почвенного покрова (метод магнитного трассера)».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на заседаниях кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова; результаты исследований были представлены в докладах на следующих конференциях, съездах и форумах: Международном молодежном научном форуме «ЛОМОНОСОВ-2010» (Москва, 2010), Докучаевских молодежных чтениях (Санкт-Петербург, 2011, 2012), Научной конференции «Геохимия ландшафтов

и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской)» (Москва, 2012), VI Международной конференции EUROSOIL (Бари, Италия, 2012), 32™ Международном географическом конгрессе (Кельн, Германия, 2012), Молодежной школе-семинаре «Природно-антропогенные геосистемы: мировой и региональный опыт исследований» (Курск, 2012).

Публикации. Материалы исследований изложены в 15 печатных работах, в том числе 4 статьях в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, состоящего из 174 источников, в том числе 59 на иностранных языках и приложения. Содержательная часть работы изложена на 146 страницах текста, иллюстрирована 20 рисунками, включает 6 таблиц и приложение на 24 страницах.

Благодарности. Автор глубоко признателен научному руководителю -доктору географических наук, профессору А.Н. Геннадиеву за консультации и всестороннюю помощь на каждом этапе работы; доктору географических наук C.B. Горячкину, доктору биологических наук, профессору М.И. Герасимовой за обсуждение материалов диссертации. Автор выражает благодарность заведующему кафедрой геохимии ландшафтов и географии почв, академику РАН Н.С. Касимову и коллективу кафедры за внимательное отношение и конструктивные замечания к работе. Автор признателен М.П. Завадской, С.Н. Жевненко, И.Н. Семенкову, Т.С. Кошовскому, сотрудникам «Пинежского» заповедника и заповедника «Шульган-Таш» за помощь в проведении полевых исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Существующие представления о почвообразовании в карстовых

районах

Специфичность формирования почв в районах с широким развитием поверхностного карста рассмотрена в работах (Строганова, Урусевская, 1975; Гвоздецкий, 1981; Горячкин, 1987, 2010; Kufmann, 2003; Bautiste et al., 2011) и

связана со следующими особенностями факторов почвообразования: 1) наличием широкого спектра карстующихся пород и перекрывающих их наносов; 2) преобладанием склоновых поверхностей с большими углами наклона, где возрастает роль латеральной механической миграции вещества и внутрипочвенного стока; 3) наличием экспозиционных различий; 4) повышенным дренажем; 5) разной продолжительностью процессов почвообразования и омоложением субстратов; 6) резкой и зачастую контрастной сменой факторов почвообразования на коротких расстояниях.

Несмотря на высокую степень расчленения рельефа карстовых областей, основное внимание исследователей уделено почвам выровненных пространств, занимающих небольшие площади в карстовых районах (Гагарина и соавт, 1965; Rutherford, 1971; Маряхина и соавт., 2009; Bautiste et al., 2011). Кроме того, подробно исследованы почвы, формирующиеся на дочетвертичных почвообразующих породах (Verges, 1985; Лесовая, 2006; Спиридонова, 2007). Почвам склонов карстовых форм рельефа, в том числе воронок - наиболее распространенных поверхностных карстовых форм рельефа, посвящены единичные исследования. C.B. Горячкиным (2010) раскрыты основные механизмы дифференциации почв катен на склонах воронок северотаежных ландшафтов и приведены данные о морфологических и химико-аналитических свойствах некоторых из этих почв. В сухостепных ландшафтах А. И. Климентьевым с соавт. (2007) исследованы морфологические и химико-аналитические свойства двух типов почв, формирующихся на склонах воронок, и указано на их уникальность. Почвы карстовых воронок других ландшафтов не исследовались. Согласно литературным данным в формировании почв карстовых воронок важную роль играют эрозионные процессы (Kufmann, 2003; Beach et al., 2006; Горячкин, 2010; Bautiste et al., 2011), однако, оценка характера латеральной механической миграции почвенного вещества и ее темпов не производилась. Не выявлены общие и специфические особенности

почвообразования в пределах катен карстовых воронок в условиях различных биоклиматических и литолого-геоморфологических обстаиовках.

Глава 2. Методологические основы и методика исследовании

Работа в целом основана на методологии сравнителыю-почвенно-географических и ландшафтно-геохимических исследований. В качестве критериев оценки гетерогенности состава почвенных катен были использованы индекс Шенпопа (Shannon, Weaver, 1949), рассчитанный для классификационного уровня - типов почв. и формула геохимического сопряжения (Касимов и соавт., 1989). Индекс Шеннона отражает разнообразие почв в пределах катен и рассчитывается согласно формуле 1, где р— часть катены, занятая типом почв i, выраженная в долях от единицы, п- количество почв в катене. Чем больше значение индекса Шеннона, тем больше разнообразие почв. В случае отсутствия смены почв индекс Шеннона равен нулю.

п

SHDI = ^ Pf ■ Inpi i= 1

Формула геохимического сопряжения отражает степень латеральной и радиальной дифференциации катен и записывается в виде: R(antngn)Ln, где R -радиальная дифференциация в катене, а - в автономной элементарной ландшафтно-геохимической системе (ЭЛГС), t - в транзитной ЭЛГС, g - в гетерономной ЭЛГС, L - латеральная дифференциация, п - степень дифференциации (от 1 до 4 баллов), определяемая согласно таблице 1.

Таблица 1. Геохимическая контрастность катен (по Касимову и соавт., 1989)

Степень контрастности Вид контрастности

Слабая (1 балл) Биогенная

Слабая-средняя (1-2 балла) Биогенная в сочетании с текстурной или испарительной

Средняя (2 балла) Щелочно-кислотная

Сильная (3 балла) Окислительно-восстановительная кислородно-глеевая

Очень сильная (4 балла) Окислительно-восстановительная кислородно-сульфидная

В ходе полевых исследований в соответствии с размерами воронок были выделены малые воронки с диаметром менее 10 метров, средние воронки с диаметром от 10 до 20 метров, и большие воронки с диаметром более 20 метров. В пределах каждого ключевого участка были, как правило, исследованы три катены, приуроченные к склонам восточной экспозиции малой, средней и большой воронок.

В образцах почв определялись значения рН и магнитной восприимчивости, содержание органического углерода, валовой химический и гранулометрический состав. В ряде образцов определялся групповой состав гумуса, содержание железа в вытяжке реактивом Тамма, содержание карбонатов, Са2+, Mg2+, S042" в водной вытяжке и ее электропроводность. Оценка механической миграции вещества производилась методом магнитного трассера (Геннадиев и соавт., 2004). Магнитная фракция почв кроме того исследовалась методом сканирующей электронной микроскопии с помощью микроскопа фирмы JEOL с приставкой для микрорентгеноспектрального анализа Oxford Instruments. Всего было выполнено более 1600 определений.

Глава 3. Объекты исследования и их физико-географическая характеристика

В соответствии с целью и задачами настоящей работы были выбраны 24 почвенных катены карстовых воронок на 8 ключевых участках (рис. 1) в северотаежных, широколиственно-лесных, лесостепных и сухостепных ландшафтах. Исследуемые районы характеризуются близким к поверхности залеганием (менее 10 м от поверхности) карстующихся пород пермского возраста: карбонатных и сульфатных пород в северной тайге, лесостепи и сухой степи, карбонатных пород - в широколиственно-лесных ландшафтах.

Карстовые воронки представляют собой конусовидные образования с ровными, иногда слабоволнистыми склонами, сходящимися к центру. Днища некоторых воронок осложнены понором - вертикальным каналом,

связывающим воронку с подземной полостью. Отличительной особенностью воронок участка «Придорожный» является заполнение их днищ водой.

Протяженность склонов

исследуемых воронок варьировала от 3 до 24 метров, средняя крутизна склонов изменялась от 25 до 34 градусов. Для катен карстовых воронок, в отличие от катен других форм рельефа, характерно концентрирующее слияние

миграционных потоков по направлению от автономных позиций к подчиненным, большие углы наклона склонов, часто «закрытость» систем (в случае воронок с закольматированным понором). В таблице 2 приведена краткая характеристика почвообразующих пород и растительности ключевых участков.

Таблица 2. Почвообразующие породы и растительные ассоциации на ключевых участках___

Участок Почвообразующие породы Растительные ассоциации

межвороночных пространств склонов воронок

«Супесчаный» Супесчаные моренные сосняки чернично-зеленомошные чернично-зеленомошные и зеленомошные ассоциации

«Голубино» Двучленные моренные супеси-легкие суглинки, подстилаемые на глубине 20 см тяжелыми суглинками лиственнично- осиновый с примесью ели и сосны чернично-зеленомошный лес чернично-зеленомошные и чернично-бруснично -зеленомошные

«Придорожный» супеси-легкие суглинки, подстилаемые на глубине 50 см средним-тяжелым суглинком

Рис. 1. Расположение районов исследования. 1- заповедник

«Пинежский», участки «Супесчаный», «Голубино», «Придорожный»,

«Филипповский»; 2- памятник природы «Ледяная гора», участок «Кунгур»;3-заказник «Предуралье», участок «Камаи»; 4- заповедник «Шульган-Таш», участок «Капова»; 5- Кзыладырское карстовое поле, участок «Луговской»

«Филипповский» Суглинистые дериваты красноцветных пород пермского возраста ельник с осиной и лиственницей чернично-брусничный майниково-кисличный чернично-майниково-папоротниковые, чернично-зеленомошные и чернично-бруснично -зеленомошные ассоциации

«Камаи» Суглинистый элювий и элюво-делювий красноцветных пород пермского возраста липово-еловый с примесью березы и осины аконитово-снытево-кисличный лес аконитово-снытево-кисличные и снытево-кисличные ассоциации

«Капов а» Суглинистый элювий и элюво-делювий глинистых сланцев пермского возраста дубово-еловый с примесью осины и березы папоротниково - злаково-разнотравный лес папоротниково -злаково-разнотравные излаково-разнотравные ассоциации

«Кунгур» Суглинистый элювий и элюво-делювий известняков пермского возраста типчаково-ковыльная степь типчаково-ковыльные ассоциации

«Луговской» Суглинистый элювий и элюво-делювий карбонатных конгломератов пермского возраста типчаково-ковыльно-полынная степь типчаково-ковыльно-полынные ассоциации

Глава 4. Почвенные катены карстовых воронок

В настоящей главе последовательно рассмотрены состав и особенности формирования почвенных катен карстовых воронок в различных природных условиях (рис. 2). Проведенные исследования не позволяют говорить о наличии связи между размерами воронок и составом почвенных катен. Вне зависимости от протяженности катен исследованных карстовых воронок при сходстве остальных факторов почвообразования в латеральном направлении наблюдается одна и та же смена почв.

В северной тайге на супесчаных моренных отложениях в состав почвенных катен входят подзолы и псаммоземы. На дериватах красноцветных пород, в зависимости от соотношения материала красноцветных пород и моренного суглинка, серые почвы межвороночных пространств сменяются буроземами или элювиземами в средних частях склонов и органо-

аккумулятивными почвами в нижних частях склонов воронок. На двучленных моренных отложениях в карстовых воронках с обводненным днищем в состав почвенных катен входят подзолы, органо-аккумулятивные почвы и глееземы. В случае воронок с сухим днищем катены на двучленных моренных отложениях образованы подзолистыми почвами или подзолами и дерново-подзолистыми почвами. Таким образом, в исследованных северотаежных ландшафтах на склонах карстовых воронок формируются не только слаборазвитые и эродированные почвы (C.B. Горячкин, 2010), но и полнопрофильные почвы, близкие по своим свойствам к почвам межвороночных пространств.

Северотаежные ландшафты

R(ait|gi)L|

U'W j ..fe. Г !В!Ш:

Подзолы - псаммоземы/псаммоземы гумусовые

ш

F-2-

R(ai-2ti-a3>g3)L:

З^ЛВТ-ВЕЦШ^ ^ ВШ -ВГ;>5т.:

а

ZjEs'SSsr

аты

Подзолы - грубогумусовые почвы -глееземы

EL III:!

■Щ ÂV

«Î EL

(• -Дв _ВХ*Л.!_ .

-•С BT

l't'-

л Y ; „

bel L

AYI......

G fsSVi

BEL BTC

Подзолы - дерново-подзолистые почвы

ТШ иг.....

• во

R(a,.2t].2(3!g3)L2

втон

•»«И «И».***

т» • ........BF

BEL '

^ 1 1 • BTCg/BT ■

C(»<ca) . ]

;—О.......1

........—:4- ia

ВЕЩ „ ! BEL '

Ы ВТСо

Подзолистые почвы

Рис. 2. Почвенные катены карстовых воронок

Продолжение рисунка 2

Шк

вм

.....ВСЮ

Сг^са

:: ах.1: з

т>

ВСш |!

-ДХ.. ЛИ.

Х'Г^.

; ВСеГ *

\ С '

/ /Г"" цу- \\...............'

:* 1 * 1)6 ■

ау

¿Щ-вм

ЛУ 4а

Сгада]^ 1 ВСга

ЯГ--

л У 4 'пст(г)"!

се

Серые метаморфические почвы -элювиземы - грубогумусовые почвы

Серые метаморфические почвы - буроземы -серогумусовые почвы

Широколиственно-лесные ландшафты

тл

АУ _»

/ /

К-(а!-212ё1-2>1<

АУС|

АУ

лш .

ВМ(Й) -

Сго

'П

1«У

iBCm.ro,са—Н -m.ro ~Н

Дерново-подзолистые почвы- серые метаморфические почвы- буроземы-стратоземы серогумусовые

Лесостепные ландшафты

Ща,^,)!..,

ВСт,са. Сса 1»

Сса

й

ди

ЙЛС1 £еа_г»

Сса

ли

-«ОТ Сса

Карболитоземы темногугумусовые -стратоземы темногумусовые

411

АУ АЕЦЬЬ) ВЕЦЬЩ

ВТ

втс

I АУ

] АЕ1_ ВЫ ы, I ВТ

втс

АУ | АРХ

|ВЕЦ,1, «

1 ВТС

¡0 Ш^ии!

яи

Чса:

Серые почвы - стратоземы темногумусовые

"«с. «ая».! Сса ' * ВС, | ^

Светлогумусовые почвы - стратоземы темногумусовые

-валунные суглинки

'¿Л

Условные обозначения к рисунку 2 Почвообразующие и подстилающие породы - супеси разнозернистые косослоистые с гравием, галькой, мелкими валунами - дериваты красноцветных пород с гравием, галькой -элювий и элюво-

[777

/

делювии глинистых сланцев

- элювии и элюво-делювий карбонатных конгломератов Растительные ассоциации

элювии и элюво-делювии красноцветных пород

- элювий и элюво-делювий известняков

ни

г +

и

-сосняки чернично-зеленомошные

- ельник осиново-лиственничный чернично-брусничный майниково-кисличный

- дубово-еловый с примесью осины и березы папоротниково

- злаково-разнотравный лес -чернично-зеленомошная ассоциация -чернично-майниково-папоротниковая ассоциация -снытево-кисличная ассоциация

-злаково-разнотравная ассоциация

ни

ак»

ш

ш. -<ят -у*

- лиственнично-осиновыи с

примесью ели и сосны чернично-зеленомошный лес

- липово-еловый с примесью березы и осины аконито-снытево-кисличный лес

-чернично-бруснично зеленомошная ассоциация -зеленомошная ассоциация -аконито-снытево-кисличная ассоциация

- папоротниково - злаково-разнотравная ассоциация -типчаково-ковыльная ассоциация -типчаково-ковыльно-полынная ассоциация

Латеральные процессы перемещения вещества в растворах в катенах воронок северотаежных ландшафтов проявляются в увеличении содержания оксалатно-растворимого железа (в катенах на двучленных моренных отложениях, дериватах красноцветных пород) и увеличении содержания органического углерода (в катенах на супесчаных моренных отложениях) по направлению к центру воронок.

В исследованных широколиственно-лесных ландшафтах на склонах малых, средних и больших воронок происходит смена серых метаморфических почв, буроземов (на элювии, элюво-делювии красноцветных пород) или серых почв (на элювии, элюво-делювии глинистых сланцев) стратоземами в нижних частях склонов воронок. Морфологические и аналитические признаки смены окислительно-восстановительного режима в почвах катен отсутствуют. В гумусово-аккумулятивных горизонтах почв наблюдается увеличение

фульватности гумуса по направлению к нижним частям склонов воронок за счет большей подвижности фульвокислот по сравнению с гуминовыми кислотами.

Почвенные катены карстовых воронок исследованных лесостепных ландшафтов представлены карболитоземами темногумусовыми

межвороночных пространств, верхних и средних частей склонов и стратоземами темногумусовыми нижних частей склонов воронок. Латеральные процессы перемещения вещества в растворах обусловливают сужение отношения Сгк/Сфк по направлению к центру воронок.

В сухостепных ландшафтах в состав почвенных катен карстовых воронок, вне зависимости от их размеров, входят свтелогумусовые мицелярно-карбонатные почвы межвороночных пространств, светлогумусовые миграционно-карбонатные почвы верхних и средних частей склонов и стратоземы темногумусовые нижних частей склонов воронок. Сезонные изменения в направленности латеральных потоков почвенных растворов обусловливают наличие лабильных форм карбонатов в почвах верхних и средних частей склонов (отсутствующих в почвах межвороночных пространств и нижних частей склонов воронок), а так же максимальные концентрации СаСОз в почвах этих катенарных позиций.

Глава 5. Твердофазная миграция вещества почв на склонах карстовых воронок

Количественная оценка латерального переноса твердофазного вещества почв в пределах карстовых воронок проводилась на ключевых участках «Камаи» (широколиственные леса) и «Кунгур» (лесостепь) с помощью метода магнитного трассера. Расчет балансов содержания сферических магнитных частиц (маркеров эрозионных процессов) в почвах карстовых воронок широколиственно-лесных и лесостепных ландшафтов свидетельствует о том, что карстовые воронки являются, преимущественно, денудационными системами, а аккумуляция твердофазного вещества почв происходит только в

нижних частях склонов карстовых воронок, в их днищах и подземных полостях. В случае карстовых воронок, осложненных понором, в подземные полости уносится более 40% материала, участвующего в латеральном твердофазном переносе.

Средние скорости латеральной механической миграции вещества на склонах исследованных воронок составили 11 т/га в год в широколиственно-лесных ландшафтах (участок «Камаи») и 15 т/га в лесостепных (участок «Кунгур»). В пределах склонов карстовых воронок максимальная скорость выноса может наблюдаться как в средних частях склонов, так и в верхних частях склонов и достигать 27 т/га в год. Скорость аккумуляции вещества почв в пределах нижних частей склонов карстовых воронок с закольматированным понором возрастает от карстовой воронки с наименьшими размерами до карстовой воронки с наибольшими размерами и, соответственно, составляет от 14 до 60 т/га в год.

Глава 6. Сравнительная характеристика почвенных катен карстовых воронок, формирующихся в различных литолого-геоморфологических и биоклиматических условиях

Анализ латеральной дифференциации почвенных катен карстовых воронок показывает, что факторами, обусловливающими гетерогенность их состава, являются главным образом неравномерность локального увлажнения и особенности почвообразующих пород. В условиях одного биоклиматического потенциала может наблюдаться разная степень латеральной геохимической контрастности почв (табл. 3) и разная степень гетерогенности их состава (табл. 4).

Почвенные катены, формирующиеся на маломощных, щебнистых почвообразующих породах отличаются слабой выраженностью гетерогенности их состава. Смена почв в этих катенах происходит только в пределах нижних частей склонов воронок. Почвенные катены, формирующиеся на мощных рыхлых отложениях, могут характеризоваться как слабой, так и сильной

Таблица 3. Ранжирование почвенных катен карстовых воронок по степени

латеральной геохимической контрастности

Степень латеральной геохимической контрастности Катены*

Слабая (1 балл) СТ-8и1, СТ-8и2, СТ-ЯиЗ, СС-1л1, СС-Ьи2, СС-Ьи-3, ЛС-Ки-1, ЛС-Ки-2, ЛС-Ки-3,

Слабая-средняя (1-2 балла) СТ-воЗ, ШЛ-Кр1, ШЛ-Кр2, ШЛ-КрЗ

Средняя (2 балла) СТ-Оо1, СТ-Со2, СТ-Н1, СТ-Н2, СТ-КЗ, ШЛ-Кт1, ШЛ-Кт2

Сильная (3 балла) СТ-Рг1, СТ-Рг2, СТ-РгЗ

Очень сильная (4 балла) -

*В индексах катен русскими буквами указана ландшафтная приуроченность катен: СТ-северная тайга, ШЛ-широколиственные леса, ЛС-лесостепь, СС- сухая степь; латинскими буквами указан ключевой участок- Би- «Супесчаный», во - «Голубино», -

«Филипповский», Рг- «Придорожный», Кр- «Капова», Кш - «Камаи», Ки- «Кунгур», Ьи-«Луговской»; цифрами - размер воронки: 1- малая, 2- средняя, 3 - большая

Таблица 4. Ранжирование почвенных катен карстовых воронок по степени

гетерогенности их состава

Индекс Шеннона Катены

<0.3 СТ-Со1, СТ-Оо2

0.3-0.6 СТ-5иЗ, СТ-воЗ, ШЛ-КрЗ, ЛС-Ки2, ЛС-КиЗ, СС-ЬиЗ

0.6-0.9 СТ-5и1, СТ-5и2, СТ-Рг1, ШЛ-Кр1, ШЛ-Кр2, ЛС-Ки1, СС-Ьи1, СС-Ьи2

0.9-1.2 СТ-Рг2, СТ-РгЗ, СТ-К1, СТ-К2, СТ-КЗ, ШЛ-Кш1

>1.2 ШЛ-Кт2

гетерогенностью их состава. Наибольшим разнообразием почв, формирующих сопряжения, характеризуются катены на силикатных красноцветных породах. В северной тайге на этих породах катены образуются почвами, относящимися к трем разным типам (индекс Шеннона достигает 1.1), в широколиственных лесах - почвами, относящимися к четырем разным типам (индекс Шеннона достигает 1.4). Катены, формирующиеся на кислых силикатных породах в сходных биоклиматических условиях, характеризуются менее выраженной сменой почв; почвы, образующие катены, относятся к одному или, чаще, двум разным типам (индекс Шеннона не превышает 0.7).

Для ряда исследованных катен карстовых воронок характерно колебание уровня залегания карбонатов, способствующее формированию щелочно-

кислотного вида контрастности катен. Разный уровень залегания карбонатных пород в катенах также обусловливает соседство серых метаморфических почв и буроземов в северной тайге и дерново-подзолистых, серых метаморфических почв и буроземов в широколиственных лесах. Обводненность днищ карстовых воронок приводит к изменению окислительно-восстановительных условий в латеральном направлении и, как следствие, к увеличению разнообразия почв в пределах катен.

Сравнение почвенных катен карстовых воронок, формирующихся в различных биоклиматических и топо-литологических условиях, позволяет выявить основные тенденции в изменении выраженности почвенных горизонтов. Вне зависимости от биоклиматического потенциала среды, протяженности катен и характера почвообразующих пород, гумусово-аккумулятивные горизонты почв склонов воронок характеризуются увеличением мощности, улучшением оструктуренности и, как правило, увеличением в них запасов гумуса по направлению от почв верхних частей склонов к почвам нижних частей склонов воронок.

По направлению к почвам нижних частей склонов подзолистые, элювиальные и иллювиально-железистые горизонты теряют целостность, в окраске элювиальных и подзолистых горизонтов появляется серый цвет. Текстурные и стурктурно-метаморфические горизонты преобразуются в горизонты, переходные к почвообразующей породе. Ослабление выраженности радиальной дифференциации почв, по-видимому, является следствием преобладания латеральной составляющей миграции растворенных химических веществ над радиальной и движения твердофазного материала вниз по склонам, обеспечивающим гомогенизацию почвенного материала.

В исследованных лесостепных и сухостепных ландшафтах формирование срединных горизонтов почв на склонах воронок не происходит в силу маломощности рыхлых почвообразующих пород и процессов латерального массопереноса. В лесостепных ландшафтах степень морфологической

выраженности и мощность почвенных горизонтов на склонах воронок может быть как меньше, так и больше, чем на межвороночных пространствах. В сухой степи наибольшее разнообразие форм карбонатных новообразований по почвенном)' профилю характерно для почв верхних и средних частей склонов воронок (присутствуют лабильные и мицелярные формы).

В результате отмеченных катенарных особенностей, наименее профильно-дифференцированными почвами вне зависимости от ландшафтных условий и литолого-геоморфологических характеристик карстовых воронок являются почвы нижних частей склонов. В северной тайге и широколиственных лесах наиболее радиально-дифференцированными почвами являются почвы автономных позиций, в лесостепи - почвы автономных и транзитных позиций, в сухой степи - транзитных позиций. При этом почвы нижних частей склонов воронок, характеризуются не только наименее выраженной радиальной дифференциацией по морфологическим свойствам, но и наименьшими коэффициентами внутрипрофилыгой вариации по элементному и гранулометрическому составу, значениям рН и магнитной восприимчивости. Процессы латеральной механической миграции вещества обусловливают сходство почв нижних частей склонов воронок, формирующихся в различных физико-географических условиях.

Сопоставление почвенных катен карстовых воронок, формирующихся в различных биоклиматических и топо-литологических условиях, позволяет выявить полиэкоморфнзм почв, - то есть приуроченность почв одного и того же классификационного положения к различным сочетаниям факторов почвообразования. Так, дерново-подзолистые почвы были описаны в северной тайге на склоне карстовой вороша! на двучленных моренных отложениях и в широколиственно-лесных ландшафтах на межворонончных пространствах на красноцветных породах; серые метаморфические почвы - в северной тайге на межвороночных пространствах на дериватах красноцветных пород и в широколиственно-лесных ландшафтах в средних частях склонов воронок на

красноцветных породах; буроземы в верхних и средних частях склонов воронок в северной тайге на дериватах красноцветных пород и в широколиственно-лесных ландшафтах на красноцветных породах; стратоземы темногумусовые в нижних частях склонов воронок широколиственно-лесных, лесостепных и сухостепных ландшафтов (рис. 2).

ВЫВОДЫ:

1. Почвенные катены карстовых воронок исследованных северотаежных, широколиственно-лесных, лесостепных и сухостепных ландшафтов отражают закономерности географии почв и являются информативными объектами для выявления факторов, определяющих состав почвенных катен, и изучения катенарных связей между почвами.

2. В состав почвенных катен карстовых воронок исследованных северотаежных ландшафтов в зависимости от почвообразующих пород входят: подзолистые, дерново-подзолистые почвы на двучленных моренных отложениях, подзолы иллювиально-железистые и псаммоземы на супесчаных моренных отложениях, серые метаморфические почвы, буроземы, элювиземы, серогумусовые почвы на дериватах красноцветных пород.

3. Почвенные катены карстовых воронок исследованных широколиственно-лесных ландшафтов на элювии, элюво-делювии глинистых сланцев образуют серые почвы со вторым гумусовым горизонтом и стратоземы темногумусовые; на элювии, элюво-делювии пермских красноцветных пород - дерново-подзолистые, серые метаморфические почвы, буроземы и стратоземы серогумусовые.

4. В состав почвенных катен карстовых воронок исследованных лесостепных и сухостепных ландшафтов на элювии и элюво-делювии карбонатных пород входят маломощные слабо радиально-дифференцированные почвы: карболитоземы темногумусовые и стратоземы темногумусовые в лесостепных ландшафтах и светлогумусовые почвы и стретоземы темногумусовые в сухостепных ландшафтах.

5. На основании изучения почвенных катен карстовых воронок установлено, что латеральная механическая миграция вещества обусловливает гомогенизацию почв в пределах катен по направлению к центру воронок. В результате почвы нижних частей склонов и днищ воронок, формирующиеся в различных биоклиматических и топо-литологических условиях, сходны по морфологическим, химическим, физико-химическим и физическим свойствам.

6. Вне зависимости от биоклиматических условий и топо-литологических характеристик, в почвенных катенах карстовых воронок наблюдается увеличение мощности гумусовых горизонтов почв, улучшение их оструктуренности и, как правило, увеличение в них запасов гумуса по направлению к центру воронок.

7. В почвенных катенах карстовых воронок исследованных северотежных и широколиственно-лесных ландшафтов наблюдается ослабление выраженности элювиально-иллювиальных процессов по направлению к центру воронок.

8. Анализ локализаций и форм карбонатных новообразований в почвах сухостепных ландшафтов позволяет сделать вывод о более выраженных и разнонаправленных сезонных миграциях почвенных растворов в пределах сухостепных почв в верхних и средних частях склонов карстовых воронок, иссушении сопряженных с ними почв межвороночных пространств и постепенном выщелачивании от карбонатов почв нижних частей склонов.

Список публикаций по теме диссертации Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Смирнова, М.А., Геннадиев, А.Н. Почвы карстовых воронок юго-востока Беломорско-Кулойского плато/ М.А. Смирнова, А.Н. Геннадиев//Почвоведение. -2011. -№2. - С. 131-141.

2. Смирнова, М.А., Геннадиев, А.Н. Почвы карстовых воронок западного макросклона Южного Урала: свойства, катенарные связи, региональные особенности/ М.А. Смирнова, А.Н. Геннадиев// Почвоведение. -2012. - №6. -С. 619-629.

3. Геннадиев, А.Н., Смирнова, М.А. Почвенные катены на склонах карстовых воронок/ /А.Н. Геннадиев, М.А. Смирнова // Вестник Моск. ун-та, серия 5 география. -2012. - №3. - С. 69-73.

4. Смирнова, М.А., Геннадиев, А.Н. Степное почвообразование на склонах карстовых воронок (Южное Приуралье)/ М.А. Смирнова, А.Н. Геннадиев// Вестник Моск. ун-та, серия 5 география. - 2013. - №3. - С. 80-85.

Статьи в других изданиях и тезисы докладов:

5. Смирнова, М.А. Почвы склонов карстовых воронок Беломорско-Кулойского плато/ М.А. Смирнова // Исследования молодых географов: Сб. ст. победителей секции "География" XVII Международной молодежной конф. "Ломоносов",- М.:МАКС Пресс. 2010. - С. 60-63.

6. Смирнова, М.А. Сопряжения почв на склонах карстовых воронок/ М.А. Смирнова // Материалы Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов». - СПб.: Издательский дом С.-Петербургского государственного университета. 2011. - С. 81-82.

7. Smirnova, М.А., Gennadiev, A.N. Soils of karst sinkholes in the southeast of the Belomorsk-Kuloi plateau/ M.A. Smirnova, A.N. Gennadiev // Eurasian soil science. - 2011. -vol.44. - № 2. - P. 117-125.

8. Смирнова, М.А. Почвенный покров карстовых воронок как природно-экспериментальная модель изучения катенарных связей между почвами/ М.А. Смирнова // Материалы Всероссийской научной конференции XV Докучаевские молодежные чтения «Почва как природная биогеомембрана». - СПб.: Издательский дом С.-Петербургского государственного университета. 2012.- С. 61-62.

9. Смирнова, М.А. Катенарные сопряжения почв склонов карстовых воронок Кзыладырского карстового поля/ М.А. Смирнова // Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской). Доклады Всероссийской

научной конференции. Москва, 4-6 апреля 2012 г., М.: Географический факультет МГУ. 2012. - С. 288 -290.

lO.Smirnova, М., Gennadiev, A. Soil catenas on the slopes of sinkholes/M. Smirnova, A. Gennadiev //5th International Congress EUROSOIL 2012, Bari, 2-6 July2011.-P. 1828.

П.Смирнова, M.A. Сопряжения почв на склонах карстовых ворнок/ М.А. Смирнова // Материалы Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов». - СПб.: Издательский дом С.-Петербургского государственного университета. - 2011. - С. 81-82.

12. Смирнова, М.А., Геннадиев, А.Н. Почвенные микрокатены на склонах карстовых воронок // Материалы VI съезда общества почвоведов им. В.В. Докучаева «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования». - Книга 1- Петрозаводск, 2012. - С. 220-221.

13. Smirnova, М., Gennadiyev, A. Investigation of soils on the slopes of sinkholes in nature reserves/M. Smirnova, A. Gennadiev // 32nd international Geographical Congress, Cologne, 26-30 August 2012,- P. 314-315.

14.Смирнова, М.А. Оценка механической миграции вещества почв методом магнитного трассера в карстовых районах/ М.А. Смирнова // Материалы 4-й молодежной школы-семинара «Природно-антропогенные геосистемы: мировой и региональный опыт исследований», Курск, 2012. - С. 80-82.

15.Smirnova, М.А., Gennadiev, A.N. Soils of sinkholes on the Western makroslope of the Southern Urals: properties, catenary relationships, and regional specificity/ M.A. Smirnova, A.N. Gennadiev //Eurasian soil science.- 2012.-vol.45.- №6,- P.551-560.

Формат 60 х 90 'Лб Тираж 100 экз. Объем 1. п.л. Заказ 4453 Печать офсетная Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательского Дома МИСиС, 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4 Тел. (499) 236-76-17, тел./факс (499) 236-76-35