Глава 8 выветривание и почвообразование в полярных пустынях антарктиды и арктики

Исследованиями последних двух десятилетий, проведенными географами и почвоведами различных стран в высокоширотных областях Арктики и Антарктиды, разрушены существовавшие ра­нее представления об исключительно физическом характере про­цессов выветривания в полярных приледниковых пустынях.

Исследования показали:

1. одновременно с физическим выветриванием в полярных областях идет глубокое химическое разрушение пород с участием живых организмов. Было установлено существенное сходство характера выветривания пород в холодных перигляциальных пустынях и жарких пустынях мира. Оно проявляется в широком распространении на поверхности массивных пород железистых и железисто-марганцовых корок пустынного загара и в формирова­нии различного рода солевых — карбонатных, гипсовых, хлоридно-сульфатно-натриевых — аккумуляций на скальных поверхно­стях и особенно в рыхлых наносах;

2. в толще рыхлых отложений, на поверхностях, даже лишен­ных покрова из высших растений, формируется, в случае продол­жительности процесса почвообразования порядка нескольких тысячелетий, профиль карбонатной, местами засоленной почвы, с заметным накоплением у поверхности органического вещества подвижных форм полуторных окислов и некоторого количества илистой фракции, которая не может появиться лишь при чисто механическом морозном выветривании.

Карбонатность, засоленность, малое количество органического вещества, участие в почвообразовании лишайниково-водорослевой флоры — это признаки, сближающие почвы полярных и жар­ких пустынь. Однако наличие горизонта вечной мерзлоты и суще­ственно иной термический режим позволяют выделить почвы полярных пустынь в особый тип;

3. обнаружены черты сходства и некоторые черты различия в почвенном и растительном покрове Антарктического и Аркти­ческого полярных пустынных секторов, обусловленные главным образом различиями в континентальности и суровости климата этих областей, связанными с асимметричным соотношением здесь суши и океана.

АНТАРКТИЧЕСКИЙ СЕКТОР ПОЛЯРНЫХ ПУСТЫННЫХ ПОЧВ

Этот сектор имеет фрагментарный характер. Он представлен отдельными разобщенными, свободными ото льда оазисами в бе­реговой части Антарктиды. От общей площади ледового конти­нента они составляют всего лишь 0,06%. Площади отдельных оазисов колеблются от нескольких десятков до нескольких сотен квадратных километров. Наиболее крупные оазисы: Бангера, Вестфолль, Эймери, Абляционный и самые большие — Тейлор - Росса и Виктории. Абсолютная влажность воздуха в Антарктиде из-за низких температур и дующих с ледниковых высоких по­верхностей стоковых ветров очень мала. Оазисы получают мало осадков: в оазисе Бангера зафиксировано 62 мм в год, в оазисе Райта на Земле Виктории от 300 мм в прибрежной части до 80 мм во внутренних более сухих частях. Выпадающие летом в виде снега осадки в значительной части испаряются.

Растительность оазисов очень скудна: большая часть поверх­ности скал и мелкоземистых наносов обнажена. На скалах мес­тами поселяются различные виды накипных и кустистых лишай­ников и литофильных мхов, на мелкоземистом субстрате значи­тельно чаще — мхи. В трещинах скал и на мелкоземистом суб­страте обильна флора зеленых и сине-зеленых водорослей.

Особенно обильно заселены лишайниками и мхами места поселений пингвинов и лежбища тюленей в прибрежной и ост­ровной частях Антарктиды. Так как пингвины и тюлени питают­ся в море, места их длительных поселений обогащаются орга­ническим веществом и минеральными химическими элементами морского происхождения. По данным Е. Е. Сыроечковского (1959), пингвины, питающиеся морскими рачками, выносят за год на о. Хосуэл около 10 т органического вещества на 1 км². На пингвиньих базарах поверхность скал и мелкоземистых продук­тов выветривания покрыта органическим слоем в несколько сан­тиметров— смесь гуано и подстилки из перьев и пуха, переме­шанных в нижней части с минеральными частицами. На подобном органическом субстрате поселяются подушки мхов и лишайников. Подобные «зоогенные» почвы, по-видимому, широко распространены на птичьих базарах островов и побережий высо­ких широт Антарктики и Арктики.

Содержание органического вещества под подушками лишай­ников на о. Хосуэл составляет около 10%. В мелкоземе из-под мхов и на старых пингвиньих базарах, состоящих преимущест­венно из минерального грубохрящеватого материала, количество гумуса колеблется в пределах 0,4—0,8%.

Сильно обогащены органическим веществом донные отложе­ния мелких пересыхающих пресных и соленых озерков. Воды их очень богаты жизнью, особенно сине-зелеными и диатомовыми водорослями; на дне озер образуется слой сапропеля, обнажаю­щийся по мере их высыхания. Толщина водорослевого сапропе­левого слоя по берегам озер составляет 15—25 см. Постепенно органическое вещество гумифицируется и минерализуется, новее же его остается довольно много. Так, в солончаковых почвах по берегам горько-соленого озера в оазисе Бангера содержание гу­муса — 6,9%.

На преобладающей части поверхности с крайне скудной рас­тительностью или без макроскопически заметных живых организмов на первое место выступают явления аккумуляции различного рода минеральных продуктов выветривания и почво­образования.

Первые исследователи Антарктиды Росс (1847) и Феррар (1907) обратили внимание на темно-коричневую окраску скал и наличие на их поверхности выцветов солей. Подробно эти явле­ния были описаны лишь в недавнее время К. К. Марковым, В. И. Бардиным (1956—1958) и другими участниками советских антарктических экспедиций. Оказалось, что поверхность обна­женных скал существенно изменена совокупным воздействием процессов физического и химического (а вернее биохимического) выветривания. Физическое выветривание сопровождается образо­ванием ячей, десквамационных корок и повсеместным «шелуше­нием» скал. Толщина отслоившихся от массивной породы плит и скорлуп варьирует от нескольких сантиметров до полуметра и более. Тонкие плиты (до 10—15 см толщиной) наиболее сильно изменены процессами химического выветривания. Это прояв­ляется прежде всего в изменении цвета: породы любого цвета приобретают красновато-коричневые тона, становятся хрупкими, часто легко разламываются руками. Поверхность скал и верхняя обнаженная поверхность десквамационных корок покрыты тон­чайшей лакированной корочкой пустынного загара красно-корич­невого, а местами иссиня-черного цвета. Боковые стенки и нижняя поверхность десквамационных пластин покрыты охристо-ржавыми и оранжево-красными пятнами, а местами желтовато-белыми налетами. Минералогические и химические анализы (Глазовская, 1958) показали, что выветривание изверженных пород (гранитов, гранитогнейсов) сопровождается разрушением цветных железо­содержащих минералов: хлорита, биотита, роговых обманок. Наблюдаются пелитизация полевых шпатов и образование тон­кокристаллического глинистого вещества красновато-коричневого цвета, заполняющего все микротрещины между минералами. Эти коллоидальные глинистые продукты выветривания наряду со свободными гидратами окислов железа покрывают тонкими плен­ками поверхность еще не выветрелых и слабовыветрелых первич­ных минералов и придают породам общий красновато-коричне­вый цвет.

Особенно много свободных гидратов окислов железа, а места­ми и окислов марганца подтягивается к поверхности, где под непосредственным воздействием солнечных лучей, а возможно, и низкой температуры они дегидратируются и образуют плотные лаки, в которых содержание переходящих в солянокислую вы­тяжку окислов железа достигает 18—25%, а окислов марганца — 3,0-6,5%.

В трещинах и на нижней поверхности десквамационных плит, в нишах скал, в ячеях, куда могут периодически перемещаться наиболее растворимые продукты выветривания, появляются ко­рочки, натеки и микросталактиты кальцита.

При механическом раздроблении выветрелых поверхностей и десквамационных корок подобный ожелезненный и обогащенный кальцитом материал участвует в сложении мелкоземистых отло­жений оазисов.

Наряду с кальцитом на поверхности скал наблюдаются выцве­ты и более легкорастворимых солей: гипса, тенардита, галита. Ко­личество легкорастворимых солей и особенно гипса на скальных поверхностях увеличивается по мере удаления от побережий, т. е. по мере возрастания сухости климата.

Возможно, что часть солей в оазисы и на поверхность ледни­ков приносится с океана. Солевой состав осадков Антарктиды (Ма­твеев, 1943) преимущественно морского происхождения, т. е. хлоридно-натриевый. Ежегодно в Антарктиду атмосферные осад­ки приносят около 20 млн. т солей, а потери солей со стоком (преимущественно с айсбергами) в 2 раза меньше. Поэтому не только выветривание и континентальное соленакопление, но и эоловый привнос солей — причина повсеместного распространения в оазисах солевых выцветов, соленых озер, а по берегам озер и в замкнутых депрессиях рельефа — солончаковых почв. Напри­мер, по берегам горько-соленого озера в оазисе Бангера, в водах которого содержится 17,3 г/л солей, с преобладанием хлоридов натрия, образовалась полоса корковых солончаков. Количество водно-растворимых солей в верхнем горизонте этих почв достига­ет 13,4%, с преобладанием в составе солей хлоридов натрия, маг­ния и кальция, т. е. тех солей, которые наиболее легко раствори­мы в условиях низких температур. В почвах мелкоземистых пятен структурных грунтов на несколько повышенной части ' равнины количество водно-растворимых солей составляет лишь около 0,3%; в составе солей наряду с хлоридами относительно много сульфа­тов и бикарбонатов натрия, менее растворимых, чем хлориды. Дифференциация солей в почвах различных элементов рельефа свидетельствует о том, что в летний период, во время таяния лед­ников в оазисах происходит перемещение легкоподвижных продук­тов выветривания и формирование почвенно-геохимической катены.

Исследования, проведенные Тедроу и Уголини (Tedrow, Ugolini, 1902, 1966) в оазисах долины Райта, показали аналогичный состав солей в водах соленых озерков, но их более высокую ми­нерализацию (до 34,1 г/л), с преобладанием хлоридов кальция.

Работами названных авторов, а также новозеландских почво­ведов (Claridge, 1961, 1965; Claridge, Campbell, 1968) в оази­сах Земли Виктории выявлена дифференциация почв в связи с возрастом поверхности, положением в ландшафте, степенью ув­лажненности климата и составом почвообразующих пород.

Для всех почв оазиса характерен грубый механический состав, очень малое содержание илистых частиц (от сотых долей до 3— 4%), низкое — пылеватых частиц (1—6%) и преобладание гру­бого песка без какой-либо закономерной дифференциации механи­ческого состава по профилю, во всех почвах было обнаружено не­большое количество подвижного железа. В составе глинных ми­нералов в почвах на гранитах обнаружены слюды и вермикулит, в почвах на вулканических породах: гидрослюды, хлорит, смешаннослоистые минералы, в некоторых почвах на известняках и на долерите — монтмориллонит. Содержание карбонатов кальция в почвах высоких террас оказалось невысоким — 0,5—1,0%, на аллювиальных отложениях гранитного состава в долине Тейлора почвы более карбонатны — 4—4,5% СаС0₃. На моренных отложе­ниях, содержащих известковый щебень, карбонатов в мелкоземе — 7—12%. Содержание водно-растворимых солей в верхних горизон­тах солончаковых почв на о. Росса колебалось от десятых долей процента до 7,7—11,6%.

IB описаниях почв отмечаются слабая дифференциация профи­ля, сильная каменистость, яркая красновато-коричневая или крас­новато-желтая окраска мелкозема и наличие в мелкоземистом субстрате и особенно на нижней поверхности щебня новообразо­ваний кальцита и легкорастворимых солей в виде корочек, бородок и рыхлых стяжений.

В наиболее аридных частях оазисов в долине Шеклтока, в составе легкорастворимых солей присутствуют сульфаты и нитра­ты натрия, без заметной дифференциации по горизонтам. В не­сколько более влажных районах долины Шеклтона наблюдается формирование иллювиального солевого горизонта на глубине око­ло 10 см от поверхности. В этих почвах слегка увеличивается со­держание илистой фракции. В наиболее влажных прибрежных районах в долине Виктории на хорошо дренированных поверхно­стях солей в почвах меньше, а содержание илистой фракции вы­ше. Заметная аккумуляция солей здесь наблюдается лишь в деп­рессиях рельефа.

Таким образом, в перигляциальных пустынях Антарктиды от­четливо и повсеместно выражены все признаки пустынного вывет­ривания и почвообразования: очень слабое глинообразование, фор­мирование корок пустынного загара, повсеместное обызвесткование продуктов выветривания и почв, соленакопление с дифференцией солей по профилю почв и в пределах почвенно-геохимических катен по элементам мезорельефа.

Низкое содержание органического вещества, преимуществен­ное участие в почвообразовании водорослей и лишайников сбли­жает описываемые почвы с почвами высокогорных пустынь (Па­мира, Тибета, Атакамы) и с почвами жарких пустынь мира.

АРКТИЧЕСКИЙ СЕКТОР ПОЛЯРНЫХ ПУСТЫННЫХ почв

Арктический сектор полярных пустынных почв занимает наи­более северную часть Арктики, лежащую далеко за Полярным кругом. Южная граница этого сектора проходит на 73—76° с. ш. Сектор охватывает северное побережье Гренландии, северные ост­рова Северо-Американского архипелага, Шпицберген, Землю Франца-Иосифа, северный остров Новой Земли, острова Север­ной Земли. Этот сектор не включает зону арктических тундр. Он охватывает лишь наиболее суровые и аридные области островной Арктики, где большая часть суши покрыта ледниками, а процес­сы выветривания и почвообразования локализуются в узких перигляциальных зонах между краями ледников и береговой линией.

Площади, свободные ото льда, в арктическом секторе несмотря на его островной характер более значительны, чем в Антарктике. Некоторые острова Северо-Американского архипелага, принадле­жащие этому сектору (например, острова Принс-Патрик, Мелвилл, Макензи-Кинг, Батерст и др.), не имеют ледниковых покро­вов.

По-видимому, возраст ландшафтов и продолжительность поч­вообразования на подобных островах больше, чем непосредствен­но у края ледников, где неоднократные смещения границ ледников и отложения нового материала периодически обновляют поверх­ность.

Американский почвовед Д. Тедроу (Tedrow, 1968), изучавший почвы Северо-Американского архипелага, приводит данные об аб­солютном возрасте погребенных органических горизонтов, распо­лагающихся на глубине 40—60 см от поверхности из почв о. Принс-Патрик (76—77° с. ш.). Определения возраста погребенных горизонтов по содержанию Си в трех образцах дали следующие цифры: 1) 5600+270 лет; 2) 8400+180 лет; 3) 6060+150 лет. Эти данные свидетельствуют, во-первых, о том, что почвы, сформиро­вавшиеся в маломощных наносах, перекрывающих погребенный горизонт, могут иметь возраст, измеряемый несколькими тысяче­летиями; во-вторых, отсутствие более молодых захоронений гово­рит об устойчивости современной поверхности и слабой деструк­ции почвенного покрова.

Относительно слабая мерзлотная деструкция почв полярных пустынь, находящихся вне современного воздействия талых лед­никовых вод, обусловлена: 1) сухостью климата: количество осад­ков в арктическом пустынном секторе составляет 50—150 мм в год; 2) преимущественно легким механическим составом нано­сов и почв и поэтому их малой влагонасыщенностью и малой льдистостью. Лишь в переувлажненных почвах понижений рель­ефа наблюдается формирование широких морозобойных трещин.

Менее суровый климат арктических полярных пустынь по срав­нению с антарктическими, несколько большая продолжительность деятельного периода в почвах обусловливают значительно боль­шее участие наземной растительности в формировании почв, об­разующей местами в понижениях рельефа и в защищенных от ветра укрытиях сомкнутый покров. Однако на большей части по­вышенных элементов рельефа растительный покров очень скуден, поверхность почв часто покрыта панцирем из щебня, среди которо­го ютятся отдельные низкорослые растения, главным образом ли­шайники.

Первые сведения о характере выветривания и почвообразова­ния в высокоширотной Арктике (на Шпицбергене) были приведе­ны Бланком в его сводке о почвах различных областей мира (Blank, 1919). Им приводятся данные о распространении на скальных поверхностях и на поверхности почв солевых выцветов и железистых корочек, аналогичных пустынному загару. В соле­вых выцветах оказалось много сульфатов магния и натрия. От суммы солей S0₃ составлял 55,6%, MgO — 19,2%, Na₂0—12,1%, а К2О — всего лишь 0,71 %.

Позднее И. М. Иванов (1931) описал и сделал ряд анализов почв полигональных пустынь с Земли Франца-Иосифа. Анализы показали нейтральную и щелочную реакцию почв, присутствие в нижних горизонтах над мерзлотой до 0,46% легкорастворимых солей, с преобладанием в их составе сульфатов. Почвы оказались полностью насыщенными основаниями и имели большую емкость поглощения.

Позднее данные о почвообразовании на Земле Франца-Иосифа были получены Л. С. Говорухой и И. С. Михайловым (1962). И. С. Михайлов изучил также почвы о. Большевик. Он установил наличие процессов ожелезнения верхних горизонтов почв и скаль­ных поверхностей, отсутствие в плакорных условиях процессов оглеения. Почвы насыщены основаниями, местами карбонатны. В составе гумуса преобладают фульвокислоты, связанные с полу­торными окислами, однако имеются и гуматы кальция. Почвы, имеющие сформированный гумусовый горизонт, развивающиеся под покровом высшей растительности, аналогичные арктотундровым почвам, И. С. Михайлов назвал «дерновыми арктическими».

С 1960 г. начались почвенные исследования в полярных пусты­нях американского севера. Почвенные работы были проведены Д. Тедроу (Tedrow, 1963, 1964, 1966, 1968) и другими на остро­вах Бэнкса, Принс-Патрик, Корнваллис и на северо-западном по­бережье Гренландии, в районе Инглфилд. Эта часть арктического пустынного сектора имеет наиболее сухой климат, что проявляет­ся в повсеместной карбонатности почв и появлении обширных про­странств солончаков с выцветами солей на поверхности. Особенно широко распространены солончаковые почвы на островах Бэнкса и Принс-Патрик. В составе солей преобладает тенардит (сульфат натрия), обладающий при низких температурах меньшей раство­римостью, чем другие соли натрия, и поэтому сохраняющийся в почвах.

Для района Инглфилд и для о. Принс-Патрик Тедроу приво­дит следующее типичное сочетание почв по элементам рельефа (рис. 28).

Повышенные плоские хорошо дренированные элементы рель­ефа занимают полярные пустынные почвы. Их поверхность покры-

Рис. 28. Сочетание почв по рельефу в арктических полярных пусты­нях. О. Принс-Патрик (Tedrow, ,1968)

та щебенисто-каменистым панцирем и имеет лишь очень скудный растительный покров из единичных разрозненных кустиков Dryas, Saxifraga oppositifolia, Роа arctica. На значительной части по­верхности встречаются лишь редкие лишайники.

Щебень, образующий на поверхности почв сплошную «мосто­вую», на нижней, обращенной к почве, стороне покрыт толстыми корочками и бородками извести.

Почвенный профиль представлен следующими горизонтами: гу­мусовым (Асасоз) мощностью 12—15 см, светло-серого цвета, без выраженной структуры, легкого механического состава. На ниж­ней поверхности щебня, встречающегося в этом горизонте, имеют­ся известковые корочки. Корней в этом горизонте мало.

Под гумусовым горизонтом на глубине 15—35 см располагает­ся иллювиальный карбонатный горизонт (Всасоз) ярко-коричне­вый, гравелистый или щебенистый, легкий по механическому со­ставу, слегка уплотненный, с обильными карбонатными корочка­ми на щебне и рыхлыми новообразованиями карбонатов в мелкоземистом материале. Корни в этом горизонте встречаются очень редко. На глубине 40 см коричневый цвет ослабевает и гор. В сме­няется почвообразующей породой, гравелисто-песчанистым мате­риалом серовато-коричневого цвета.

Содержание ила в полярных пустынных почвах не превышает 2—6%, пыли — 6—10%. Основную массу образует песчаная фрак­ция. Первичные минералы изменены слабо, в составе глинных ми­нералов обнаружены вермикулит, хлорит, аллофаны, в некоторых случаях каолинит. Почвы имеют щелочную реакцию, насыщены основаниями, но емкость -поглощения их невелика вследствие лег­кого механического состава и малого содержания гумуса. На уча­стках, не покрытых растительностью, количество гумуса в верхнем горизонте составляет 0,5—1,2%. Однако в полярной пустынной почве с о. Принца-Патрик содержание гумуса в верхнем горизон­те оказалось равным 6%, на глубине 12—30 см содержание гуму­са понизилось до 1,1 %, а на глубине 30—40 см — до 1,4%.

Высокое содержание гумуса в почвах, не покрытых высшей растительностью, Тедроу связывает с обильной водорослевой фло­рой, населяющей поверхность почв между щебнем. В составе си­не-зеленых водорослей были обнаружены представители видов Schizothrix calciocola, Nostoc muscorum, Microcleus vaginatus.

Валовые анализы почв обнаружили относительное накопление в гумусовом горизонте окислов железа, марганца, а местами и алюминия.

В июле мощность деятельного слоя на хорошо дренированных поверхностях составляет 100 см и более.

Полярные пустынные почвы, находящиеся на повышенных элементах рельефа, не засолены. На склонах почвы весной увлаж­нены несколько лучше, они имеют более ярко выраженную поли­гональную структуру поверхности, в летний период на поверхно­сти полигонов появляются выцветы легкорастворимых солей.

В понижениях рельефа появляются участки мелкобугристой тундры. Поверхность почв покрыта сплошным растительным по­кровом, представленным осоками, дриадой, Кассиопеей, карлико­вой ивой. Здесь развиты арктотундровые почвы с торфянистым го­ризонтом мощностью в 5—15 см; под ним находится маломощный в 3—5 см темно-коричневый гумусовый горизонт. Глубже идет песчанистый, пропитанный водой гор. В, без признаков оглеения. С глубины 25—30 см начинается постоянномерзлый слой.

Слабое развитие или полное отсутствие глеевых процессов в этих почвах, по-видимому, связано с очень низкими температура­ми, препятствующими активной деятельности микроорганизмов.

Аркто-тундровые почвы не засолены, бескарбонатны, имеют нейтральную, или слабокислую реакцию и содержат много гумуса. Однако в области полярных пустынь подобные почвы занимают лишь небольшие площади.

Еще реже здесь встречаются торфянистые болотные почвы. Но все же на о. Принс-Патрик имеются небольшие участки болот с мощностью торфянистого горизонта до 60 см и кислой реакцией торфа. Тедроу связывает образование подобных мощных торфя­ных почв с более теплым климатическим периодом. В настоящее время вся торфяная толща пронизана линзами льда, поверхность болот покрыта широкими, выполненными льдом, трещинами.

Почвы, аналогичные дерновым арктическим, встречаются лишь в самой южной части области североамериканских полярных пус­тынь, на границе с аркто-тундровой зоной. Американскими почво­ведами они также выделены в особый тип и названы «коричневы­ми арктическими почвами» (brown arctic soils).

Приведенные данные показывают, что наряду с чертами сход­ства в почвенном покрове Арктики и Антарктиды — карбонатности, засоленности — имеются и значительные различия. В Аркти­ке условия менее аридны и менее суровы, чем в Антарктиде, с чем связаны большая гумусность почв, более глубокое протаивание летом и появление почв, свойственных более южной аркто- тундровой зоне. Можно предполагать, что аналогичные почвенные сочетания могут быть распространены в наиболее теплой части Антарктиды, на Антарктическом полуострове.