Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 История изучения природы валаамского архипелага. Объекты и методы 9
1.1 Обзор исследований, посвященных изучению растительности, пород и почв Валаамского архипелага 9
1.2 Объекты и методы 17
1.3 Геохимические основы распределения микроэлементов в почвах 25
ГЛАВА 2 Факторы почвообразования острова Валаам 31
2.1 Климат 31
2.2 Растительность 33
2.3 Геологическое строение 35
2.4 Рельеф 37
2.5 Почвообразующие породы 40
2.5.1 Осадочные почвообразующие породы. Геохимическая характеристика
2.5.2 Магматические почвообразующие породы. Минералогический состав
2.5.3 Процессы выветривания магматических почвообразующих пород Валаама 59
2.5.4 Сравнение особенностей процессов выветривания пород основного состава Валаама и Прионежья
2.5.5 Геохимическая характеристика магматических почвообразующих пород Валаама
2.5.6 Сравнительная геохимическая характеристика осадочных и магматических почвообразующих пород острова Валаам '
ГЛАВА 3 Почвы острова Валаам 79
3.1 Генетические свойства почв, сформированных на осадочных почвообразующих породах 79
3.2 Генетические свойства почв, сформированных на разновидностях магматических почвообразующих пород
3.3 Минералогический состав почв, сформированных на базитах острова Валаам 108
3.4 Профильное распределение химических элементов в почвах цз острова Валаам
3.5 Сравнительная характеристика почв, сформированных на магматических породах острова Валаам и материке
ГЛАВА 4 Геохимическая характеристика почв, сформированных на разновидностях магматических почвообразующих пород острова валаам 148
4.1 Растительность пробных площадок 138
4.2 Содержание микроэлементов в породе, почве и растительности 140
4.3 Содержание химических элементов в гранулометрических фракциях почв 144
4.4 Профильное распределение химических элементов в мелкоземе почв
ГЛАВА 5 Геохимическая характеристика поверхностных горизонтов почв острова Валаам
5.1 Факторы, обуславливающие геохимические особенности поверхностных горизонтов почв острова Валаам 162
5.2 Распределение химических элементов в верхних почвенных горизонтах 176
5.3 Эколого-геохимическая оценка поверхностных горизонтов почв острова Валаам
Заключение 188
Выводы 191
Литература 193
- Обзор исследований, посвященных изучению растительности, пород и почв Валаамского архипелага
- Процессы выветривания магматических почвообразующих пород Валаама
- Минералогический состав почв, сформированных на базитах острова Валаам
- Содержание химических элементов в гранулометрических фракциях почв
Введение к работе
С давних пор Валаамский архипелаг, расположенный на территории Карелии - в северной части Ладожского озера, привлекал к себе внимание людей с самыми разнообразными интересами: историков, архитекторов, ученых, деятелей искусства, паломников, туристов и просто любителей северной природы. Красота природы Валаама завораживает с первого взгляда и надолго оставляет в памяти свой след. Ей посвящено множество произведений искусства: картины, книги, стихи, легенды, музыкальные произведения.
С точки зрения ученого - естествоиспытателя Валаамский архипелаг помимо историко-культурного, эстетического и духовного значения представляет собой действующую уникальную природную лабораторию, тем более удобную для исследовательской работы, что все ее богатства собраны на небольшой и легкодоступной территории. Кроме того, на Валааме практически отсутствуют локальные источники химического загрязнения, а загрязнения от удаленных промышленных районов (Сортавала, Питкяранта) носят эпизодический характер. Нагрузка от хозяйственной деятельности человека, за исключением рекреационной, тоже не велика.
Яркой особенностью архипелага, изумляющей исследователя любого направления, является концентрация разнообразия природных сообществ, растительных и животных видов, микроландшафтов на сравнительно небольшой территории. На архипелаге, площадью не более 40 км выделено 14 типов почв, около 400 типов ландшафтных фаций, более 25 типов леса, высшая растительность представлена 495 видами сосудистых растений (без интродуцентов), что составляет 45% от списка флоры Карелии, среди них 64 вида редких для республики. На Валааме гнездится 75 видов птиц, а всего встречено 217 видов птиц, что составляет более 90% фауны Южной Карелии. Велико разнообразие в составе низших животных и растений (Комплексные природоведческие исследования..., 1998).
Представление о ценности той или иной территории сильно зависит от степени ее изученности, поэтому Валаам значительно выигрывает в сравнении
с другими не менее интересными районами, еще не привлекшими к себе внимания исследователей (история исследования природы Валаамского архипелага, рассмотрена в Главе 1).
Согласно почвенно-географическому районированию, почвы Валаама входят в Карельскую провинцию подзолистых иллювиально-гумусовых и болотных почв подзоны средней тайги (Добровольский, Урусевская, 2004). Из современных исследований почвам Валаама посвящены работы карельских, санкт-петербургских, московских почвоведов - P.M. Морозовой, Т.А. Кокуновой (1987), И.С. Урусевской (1989, 1999), Т.В. Соловьевой-Волынской, В.О. Таргульяна (1989), С.Н. Седова, Э.Г. Васеневой, С.А. Шобы (1992), К.А. Бахматовой, Н.В. Митрофанова (1998), Н.Н. Матинян (1998, 1999) и др.
Таким образом, к настоящему моменту морфологическая и физико-химическая характеристики основных типов почв архипелага уже составлены, однако геохимические свойства почв Валаама практически не изучены.
Почвы подзолистого и болотного типов почвообразования формируются на осадочных породах и занимают незначительную площадь в пределах территории острова. В почвенном покрове Валаама преобладают маломощные (мощность почвенного профиля редко превышает 60 см), высокощебнистые, сформированные на элювии и элюво-делювии магматических пород почвы с яркой охристой окраской всего профиля и высоким естественным плодородием. Этим почвам свойственны: высокая степень покрытости минеральных зерен А1-Fe гумусовыми пленками; хорошо развитая комковато-копрогенная и (или) икрянистая структура; высокое содержание в мелкоземе илистой фракции, высокое содержание гумуса фульватной природы с преобладанием первых фракций ФК и ГК; высокая емкость ПИК и его высокая насыщенность; очень высокое содержание валового железа и его подвижных форм; активным протеканием ЭПП оглинивания, агрегации, альфегумусового иллювиирования и хлоритизации (Васенева, 1990).
Исследователи почв Валаама относят неоподзоленные почвы, сформированные на магматических породах к буроземам и подбурам, но
отмечают их своеобразие и отличность от типичных бурых лесных почв (Васенева, 1990, Седов, 1992, Урусевская, 1999, и др.). Подбуры и буроземы Валаама по физико-химическим свойствам в достаточно сильной степени отличаются как от аналогичных таежных почв, так и от почв окружающих территорий - Карелии и северной части Ленинградской области, где господствующими почвами являются в основном альфегумусовые подзолы.
Поскольку одним из непременных условий формирования неоподзоленных почв в умеренно континентальном климате является богатство почвообразующей породы минералами, содержащими железо и кальций, то, очевидно, что именно геологический фактор (выходы коренных пород основного состава) сыграл определяющую роль в формировании структуры почвенного покрова Валаамского архипелага. Почвы Валаама представляют собой своеобразную «литогенную клеточку» (Васенева, 1990) на территории Северо-Западного региона России.
Почвы наследуют свой состав и свойства от почвообразующих пород, в почвах происходят процессы перевода химических элементов горных пород из малодоступных для живых организмов форм - в легкодоступные, именно почвы поддерживают разнообразие и стабильность биогеосистем. Вероятнее всего, что биологическое разнообразие, существующее на Валааме, тесно связано со свойствами почв и почвообразующих пород архипелага - их геохимической специализацией, особенностями процессов выветривания последних.
Таким образом, встают вопросы о необходимости изучения Валаамского архипелага, как специфического биогеохимического района, выявления геохимической специфики коренных пород Валаама, установления связи между химическим составом пород и химическими составами звеньев почвенно-растительного покрова. Так возникла идея изучения Валаама, как особой биогеохимической провинции, тем более что в публикациях предшественников сведения о микроэлементном составе почв и растений фрагментарны или отсутствуют вовсе.
При изучении буроземных почв Валаама, все предыдущие исследователи отмечали, что почвы формируются на габбро-диабазе или на элювии (элюво-делювии) габбро-диабаза (Седов, 1992, Морозова, Лазарева, 2002 и др.). Однако современная уточненная геологическая съемка Карельского региона (Франк-Каменецкий, 1998) показала, что массив габброидов, слагающий Валаамский архипелаг, неоднороден по составу и представляет собой серию генетически связанных разновидностей магматических пород (ферро-габбро, габбро-диабаз, монцонит, аплитовые жилы, пектолитовые трубки), возникших в результате расслоения родоначальной магмы. Породы имеют структурные, минералогические и химические отличия друг от друга. Наибольшее распространение по территории острова имеют три разновидности габброидов: габбро-диабаз, ферро-габбро и монцонит, именно на них и формируются полноценные почвенные профили; остальные породы залегают в виде жил.
Актуальность темы обусловлена тем, что Валаамский архипелаг сложен магматическими породами основного состава, практически уникальными на Европейской территории России. Изучение процессов выветривания преобладающих разновидностей магматических пород Валаама (ферро-габбро, габбро-диабаз, монцонит), а так же» сопоставление их химических составов с составами сформированных на них почв, позволили конкретизировать роль специфического состава породы в содержании и распределении химических элементов в почве.
Отсутствие активного антропогенного вмешательства человека в природу Валаама позволило изучить природные закономерности распределения химических элементов в основных звеньях (порода - почва - растение) экосистем Валаама, что заложило основу для дальнейших мониторинговых исследований Валаама, а так же может быть использовано в дальнейшем для оценки антропогенного воздействия при сравнительно-географических исследованиях.
Цель работы: выявить основные закономерности распределения химических элементов в породах и почвах Валаама и дать эколого-геохимическую оценку состояния верхних горизонтов почв острова.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Выявить геохимическую направленность выветривания трех
преобладающих разновидностей магматических почвообразующих пород
острова Валаам на основании изучения их петрографического и
геохимического составов.
2. Провести морфогенетический анализ почв, сформированных на
осадочных и магматических породах Валаамского архипелага. Выявить
характерные отличия островных Валаамских почв, залегающих на
разновидностях магматических пород Валаама, от материковых почв,
сформированных на гранито-гнейсе и габбро-норите.
Выявить роль тонкодисперсных фракций гранулометрического состава почв, сформированных на магматических породах острова Валаам, в закреплении микроэлементов.
Изучить распределение микроэлементов в системе: порода - почва -растение в биогеоценозах, сформированных на трех разновидностях магматических пород острова.
5. Выявить закономерности профильного и пространственного распределения химических элементов в почвах Валаама, а так же составить карты-схемы содержания микроэлементов в поверхностных горизонтах почв острова Валаам.
Научная новизна работы заключается в том, что в работе впервые рассмотрены разновидности магматических пород Валаама в качестве почвообразующих; выполнена оценка степени влияния особенностей минерального состава пород на химический состав почв, сформированных на разновидностях габброидов острова. Сформировано представление о геохимическом составе основных типов почв острова и их отличиях от почв материковой территории. Впервые для данной территории изучена связь между
элементными составами растительности, почвы и почвообразующей породы. Систематизировано разнообразие почв острова на основе новейших отечественных классификационных построений. Оценен вклад различных фракций гранулометрического состава почв, сформированных на магматических породах в процесс накопления микроэлементов. Установлены факторы, обуславливающие геохимические особенности почвенного покрова острова, заложена основа для* проведения почвенно-геохимического мониторинга острова Валаам, составлены карты-схемы распределения микроэлементов в поверхностных горизонтах почв острова Валаам.
Знания о содержании и распределении химических элементов в звеньях незагрязненных экосистем могут послужить теоретической основой природоохранных мероприятий по восстановлению компонентов природной среды, подвергшихся активному воздействию техногенных выбросов.
Накопленные материалы по содержанию химических элементов в почвах острова Валаам, закладывают основу для составления баз данных, необходимых при проведении экологических мониторинговых исследований. Созданная серия почвенно-геохимических карт-схем острова Валаам будет передана в музей-заповедник с целью рационального использования земельных ресурсов острова, их охраны, улучшения сельхозугодий а также для проведения экологических экспертиз хозяйственных проектов, что определяет практическую значимость диссертации.
Результаты исследования используются в лекционных курсах для студентов кафедры почвоведения и экологии почв Санкт-Петербургского государственного университета.
Отбор материала для научных исследований проводился в полевые сезоны 1997-2000 гг. Образцы пород острова и поверхностные горизонты почв для площадной геохимической оценки отбирались совместно с сотрудниками геологического ф-та СПбГУ - под руководством доктора геол.-минерал. наук Е.Г. Пановой, почвенные разрезы были заложены под руководством и при участии научного руководителя - доктора с.-х. наук Н.Н. Матинян, заложение
пробных площадок для изучения растительности, а так же отбор растительных образцов проводился во время совместной работы с сотрудниками кафедры геоботаники биолого-почвенного ф-та СПбГУ - С.А. Комоловой и канд. биол. наук Г.Г. Герасименко.
Для обработки материалов использовались стандартные методы и методики физико-химической и геохимической характеристики объектов. Информация о Валаамском архипелаге, помимо литературных научных публикаций, была почерпнута из материалов работы Валаамской экспедиции, технического отчета об инженерно-геологических изысканиях на Валаамском архипелаге Ленинградского треста инженерно-строительных изысканий.
Работа состоит из пяти глав. В первой главе освещается история изучения природы Валаамского архипелага, рассматриваются объекты и методы исследования. Во второй главе рассказывается о природных условиях Валаамского архипелага, здесь приводятся литературные и авторские данные, исследуется геохимический состав почвообразующих пород, рассматриваются петрографический состав и особенности процессов выветривания магматических пород острова. Третья глава посвящена характеристике почв, сформированных на осадочных и магматических породах острова, рассмотрены их генетические и геохимические особенности. Проведено сравнение почв Валаама с аналогичными почвами окружающей территории. В четвертой главе выявляются особенности почв, сформированных на разновидностях габброидов острова Валаам. Установлены уровни содержания микроэлементов в гранулометрических фракциях почв. Изучен бонитет и содержание микроэлементов в растительности, произрастающей на почвах, сформированных на разновидностях габброидов Валаама. В пятой главе рассматриваются факторы распределения химических элементов в верхнем горизонте почв острова, оценивается эколого-геохимическое состояние почвенного покрова острова. Далее располагаются: заключение, выводы по работе, список литературы и приложения.
Автор работы выражает особую благодарность научному руководителю -доктору с.-х. наук, профессору Н.Н. Матинян, за осуществление возможности проведения экспедиционных работ на Валааме, а так же за терпение, поддержку и научные консультации на всех этапах работы. Большую благодарность Т.Д. Шибиной, Р.Л. Бродской, Н.П. Баландиной, С.Н. Лесовой - за неоценимую помощь в работе, а так же всем сотрудникам лаборатории географии почв БиНИИ, в особенности К.А. Бахматовой. И огромную признательность своей семье за понимание и всестороннюю помощь.
Обзор исследований, посвященных изучению растительности, пород и почв Валаамского архипелага
Первые упоминания о научных исследованиях природы Валаамского архипелага относятся к XVII - XVIII векам. В конце XIX начале XX века природа архипелага изучалась эпизодически как часть флоры и фауны Финляндии и Ладожского озера. В 30-е годы XX века на архипелаге проводились отдельные орнитологические исследования, результаты которых опубликованы на финском языке и поэтому мало известны. Более полные исследования были выполнены в 70-х - 80-х годах Институтом леса КФАН СССР. Эти результаты обобщены в сборниках Природные комплексы Валаама... (1983) и Экосистемы Валаама и их охрана (1989). Параллельно исследования природы Валаама проводили Петрозаводский педагогический институт, составивший ландшафтную карту острова, и Институт озероведения АН. Многие сведения и наблюдения не опубликованы или хранятся в виде отчетов, недоступных читателю. Ситуация усугубилась после частичной утраты архива музея-заповедника, существовавшего на Валааме, в результате трагической гибели музейного судна "Николай Рерих".
Растительность. Первые немногочисленные сведения о дикорастущих растениях Валаама встречаются в работах Н. Я. Озерецковского (1792), А.П. Андреева (1875), одновременно на островах делали сборы и описания финские ботаники W. Nylander (1852), J.J. Chydenius, J.E. Furuhjelm (1858), J.P. Norrlin (1878), T. Saelan, A.O. Kihlman et. al. (1889). Подробно флора Валаама была обследована сотрудниками Ботанического института в 1961-63 гг. Е.Г. Победимовой и В.Н. Гладковой (1966). Их список насчитывает 492 вида. В настоящее время исследования на острове продолжаются, в основном санкт-петербургскими и карельскими исследователями, пополняя список новыми видами растений. На данном временном этапе во флористическом списке высшей растительности Валаама (без учета культивируемых растений и интродуцентов) насчитывается 495 видов, что составляет почти 45% от общего числа видов, произрастающих в Карелии, среди них 64 вида редких для республики (Экосистемы Валаама..., 1989). Лишайники на Валааме представлены 232 видами (Махмудова, 1992), из низших растений в водоемах Валаама и прилегающей части Ладоги найдено 609 видов водорослей, что сопоставимо с разнообразием их во всей Ладоге (Маринич, 1991).
Геологическое строение. Породы. Исследования рифейских магматических пород Приладожья (к которым относятся коренные породы Валаамского архипелага) начались давно и имеют богатую историю (Озерецковский, 1786, Куторга, 1851, Кратц, 1959, 1960, 1963, Богачев, 1976, Голубев, 1983, Горбик, 1990, Франк-Каменецкий, 1998 и др).
Систематические геолого-петрографические описания интрузий и даек были выполнены - в конце XIX века выдающимся ученым, основателем отечественной петрографической школы А.А. Иностранцевым (1868), - в начале XX века Ф.Ю. Левинсон-Лессингом (1923). В середине XX века изучение рифейских магматических пород Приладожья продолжено трудами академика А.А. Полканова (1956) и его ученика К.О. Кратца (1960). Дальнейшие работы по изучению пород рассматриваемого комплекса продолжены институтом геологии КарФАН и Карельской экспедицией СЗПГО. Геолого-палеовулканические и петрохимические исследования пород рифейского возраста проводились А.И. Голубевым и А.П. Световым (1983). Дальнейшие данные об основных породах рифейского возраста Приладожья были получены в результате буровых работ в ходе крупномасштабных поисковых исследований и при проведении геологического картирования в 1991 и 1993гг. Новая информация о породах Валаамского сила и математическая модель их дифференциации предложены Д.А. Франк-Каменецким (1998). История формирования четвертичных отложений на Валаамском архипелаге изучалась Д.Д. Квасовым (1975), некоторые сведения о минералогическом и химическом составе осадочных пород представлены в сборнике «Экосистемы Валаама и их охрана» (1989). Почвы (в этом подразделе названия почв Валаама приводятся по тем классификациям (Классификация и диагностика почв СССР, 1977, Классификация почв Росии, 1999), которыми пользовались авторы предыдущих исследований). В связи с большой популярностью легенд о Валаамской земле, первыми объектами научных почвенных исследований на Валаамском архипелаге стали антропогенно-преобразованные почвы садов, парков, лугов острова, а так же огородов монастыря (Морозова, Кокунова, 1987, Урусевская, Соловьева-Волынская, Таргульян, 1989, Матинян, Урусевская, 1999, и др.). Авторами показано, что бытующее мнение об исключительно искусственном происхождении почв валаамских садов недостаточно обоснованно. В большинстве случаев антропогенные почвы садов и парков все же сформированы на почвах естественного генезиса. Изначально эти почвы обладали высоким потенциальным плодородием, окультуривание (в виде дополнительного внесения гумусированной массы или торфа, перемешанного с песком и крошками диабаза, известкования, удаления крупных камней и т.д.) еще более улучшало их качества. Создавались они при главных храмовых комплексах; в садах выращивались фрукты и ягоды, в огородах - овощи и лекарственные травы (Валаамский монастырь..., 1903). В настоящее время на острове существуют и активно восстанавливаются сады возле Преображенского собора (Аптекарский, Средний и Нижний), возле Белого скита (Яблоневый и Нижний).
Не меньший интерес при изучении антропогенно-преобразованных почв вызвали почвы лугов и сенокосов (Фролова, Урусевская, Грачева, 1994, Матинян, Бахматова, Митрофанов, 1998). Известно, что именно эти почвы обеспечивали сельскохозяйственной продукцией все население острова. В перечисленных работах рассмотрены процессы, происходящие при окультуривании почв, выявлены наиболее плодородные сельскохозяйственные почвы острова.
В результате проведенных исследований показано, что самыми плодородными из луговых почв являются дерново-глеевые почвы, развитые на четвертичных отложениях.
Изучением естественных почв Валаамского архипелага одними из первых занялись карельские и московские почвоведы (Экосистемы Валаама и их охрана, 1989). Исследователями подробно изучен почвенный покров острова, дана физико-химическая характеристика основных типов естественных и антропогенных почв архипелага, предложена классификация всех типов почв, встречаемых на архипелаге, составлена почвенная карта-схема острова, поднят вопрос о влиянии рекреации на почвенный покров, растительность и животный мир острова.
Основные почвообразовательные процессы, определяющие развитие преобладающих на Валааме типов почв, охарактеризованы в работе Н.Н. Матинян, И.С. Урусевской (1999).
Процессы выветривания магматических почвообразующих пород Валаама
Флора Валаама относится к типу миграционных. Формирование флористического комплекса, характерного для северо-запада европейской части России, закончилось в конце плейстоцена. В заключительных фазах последнего межледниковья флора лишилась древесных южных элементов и приобрела более или менее бореальный, схожий с современным вид.
Самый распространенный тип растительности на Валааме - лес, который покрывает более 90% площади архипелага. Для Валаамского лесного массива характерно абсолютное преобладание хвойных насаждений, высокий возраст (VI класс и выше), сложная возрастная структура (Природные комплексы Валаама, 1983, Морозова, Лазарева, 2002). Лесная растительность характеризуется довольно высокой производительностью. Средний класс бонитета сосняков - III.3, ельников - II.5, березняков и лиственичников -1.2.
Около 55% территории острова, причем преимущественно повышенные элементы рельефа, занимают сосновые леса. Еловые леса покрывают около 35% площади. Ель часто встречается в сосновых насаждениях, образуя сосново-еловые древостой. Третьей лесообразующей породой является береза, занимая примерно 5 % площади. На небольших участках встречаются осинники, а так же посадки интродуцентов - лиственницы, кедра и пихты.
Сосновые леса представлены тремя возрастными группами (Комолова, 1998). Самые молодые сосны образуют группу 40-60 летнего возраста, во вторую группу входят сосняки с возрастом древостоя 120-180 лет, к третьей группе отнесены сосновые сообщества с возрастом 200-300 лет. Кустарничковый покров в сосновых лесах представлен черникой и брусникой, в травянистом покрове нередко присутствуют злаки - вейник тростниковидный {Calamagrostis arundinacea) и луговик извилистый {Lerchenfeldiaflexuosd), часто встречаются плауны. Травянисто-кустарничковый покров сосново-еловых и сосновых лесов похожи, однако в сосново-еловых лесах дополнительно присутствуют лишайники (Cetraria islandica, Cladonia alpestris) и зеленые мхи (Hulocomium splendens, Politrichum commune). Для видового состава еловых лесов характерно обилие крупных папоротников - щитовники австрийский, игольчатый, мужской, кочедыжник женский (Athyrium fdix-femind), телиптерис буковый (Thelypteris phegopteris), голокучник Линнея. Кроме типичных видов в составе травянисто-кустарничкового покрова еловых лесов часто встречаются виды неморального флористического комплекса - перелеска благородная (Hepatica nobilis), ясменник пахучий (Asperula odorata). Еще большим разнообразием неморальных видов травяно-кустарничкового покрова характеризуются березняки и смешанные елово-сосновые леса с участием лиственных пород - березы, осины, ольхи, иногда с примесью клена и липы. Оценивая санитарное состояние лесов Валаама, ботаники отмечают, что на острове не выявлено очагов болезней, угрожающих целостности лесных массивов. Луга на Валааме занимают около 4,5% площади территории и используются преимущественно в качестве пастбищ и сенокосов. Пониженные участки рельефа нередко избыточно увлажнены; здесь господствуют гидрофильные травы: мелкие осоки (Carex sp.), из злаков - щучка дернистая (Deschampsia caespitosd), полевица собачья (Agrostis canina), мятлик болотный (Роа palustris), овсяница луговая (Festuca pratensis). Среди разнотравья обычны горицвет обыкновенный (Coronaria flos-cuculi), лютик едкий (Ranunculus acer), гравилат речной и другие. Болота занимают на Валааме около 1% площади, встречаются небольшими массивами в разных частях острова и представлены всеми типами — верховым, переходным, низинным. Растительность скального комплекса представлена как альпийскими и аркто-альпийскими видами (вудсия эльбская (Woodsia alpina), ясколка альпийская (Cerastium alpinum)), так и неморальными и лесостепными видами - лук прямой (Allium strictum), гвоздика песчаная (Diantthus arenarius), очитки (Sedum acre), а так же типичными бореальными растениями - купена душистая, фиалка трехцветная (Viola tricolor), кошачья лапка, толокнянка. Большое количество видов (около 60) древесных и кустарничковых пород было интродуцированно монахами в XVIII - XX веках; многие виды (дуб, пихта сибирская, барбарис и др.) дают жизнеспособное возобновление, и их можно считать вполне натурализовавшимися. Посадки интродуцированной растительности встречаются по всей территории острова: дубовая аллея по дороге на Белый скит, парк у Аптекарского сада (посадка лип), и лиственничные аллеи у гостиницы вдоль дороги к игуменскому кладбищу. С возникновением монастыря валаамская флора значительно пополнилась сорными растениями, такими как горец птичий (Polygonum aviculare), свербига (Bunias orientalis), клоповник (Lepidium ruderale), плевел (Lolium temulentum), сурепка (Barbarea vulgaris), дымянка (Fumaria officinalis). Таким образом, природные условия, существующие на Валаама способствуют формированию на архипелаге богатой и разнообразной флоры, а также благоприятны для произрастания интродуцированной и некоторых видов неморальной растительности. Магматические породы, слагающие острова Валаамского архипелага, относятся к Салминской свите вулканических пород рифейского возраста. Главной областью распространения основных пород рифейского возраста является южная Карелия и примыкающая к ней северная часть Ленинградской области. В северной части Ладожского озера эти породы слагают цепь островов, которая в виде широкой выпуклой к северо-западу дуги протягивается от г. Приозерска через Валаамский архипелаг до островов Мантисин-Сари и Луккулан-Сари и далее до северо-восточного побережья Ладожского озера (Кратц, 1960). Валаамский силл представляет собой пластово-секущую интрузию площадью около 2000 км или ряд согласных тел внедрившихся на различных этажах рифейского разреза. Возраст пород Валаамского силла датируется 1325 + 52 миллионов лет (Франк-Каменецкий, 1998).
Родоначальной магмой для пород комплекса явился глубинный высокотемпературный расплав, претерпевший длительную эволюцию в ходе подъема на дневную поверхность. Магма данного комплекса обогащена щелочами, железом, титаном, барием, а так же такими элементами как цинк, иттрий, ниобий, рубидий, в меньшей степени свинцом и ураном (Кратц, 1963).
Непосредственно острова Валаамского архипелага образованы в результате глыбово-блоковых движений кристаллического фундамента Ладожской котловины (Ладожское озеро, 1978). Движения земной коры, периодически активизирующиеся в районе Ладожской котловины, разбили интрузивное тело на многочисленные блоки. В результате разнонаправленного движения блоков образовались впадины и поднятия на дне котловины; к одному из таких блоковых поднятий и приурочены острова Валаамского архипелага.
Состав и залегание рыхлых пород, перекрывающих магматические породы, тесно связаны с историей развития Ладожского бассейна. Ладожская котловина, образовавшаяся в результате опускания кристаллического фундамента 500 млн. лет назад, приобрела близкие к современным размеры к началу плейстоцена. В плейстоценовый период эта территория неоднократно покрывалась ледниками. На Валааме мощность морены последнего оледенения была, вероятно, невелика (не более 1-2 м). Высокие скалистые острова являлись своеобразным ледорезом на пути ледовых масс, поэтому на них не откладывалась мощная толща осадков.
Минералогический состав почв, сформированных на базитах острова Валаам
Почвы, формирующиеся на осадочных почвообразующих породах, имеют ограниченное распространение на Валааме. Преимущественно они сосредоточены в центральной части острова, а так же занимают естественные лощины, широкие понижения между гряд и частично склоны по всей территории.
Наше внимание было уделено торфяным почвам, постагрогенным гумусово-глеевым почвам, агроземам (описания опорных почвенных разрезов приведены в Приложении А.).
Торфяные почвы. Болотные почвы на островах Валаамского архипелага не имеют широкого распространения. Торфяные эутрофные почвы формируются в условиях избыточного увлажнения в глубоких депрессиях, в понижениях между грядами под влаголюбивой растительностью, где процессы минерализации растительных остатков заторможены, что приводит к торфообразованию. Мощность торфа редко превышает один метр. Профиль такой почвы формируют: моховой очес - горизонт О; эутрофно-торфяный горизонт ТЕ - слабой степени разложенности, состоящий главным образом из сфагновых мхов и остатков травянистой и кустарничковой растительности; и горизонт ТТ - торфяной горизонт более темный по цвету, хорошей степени разложенности. Почвы сильнокислые (pHKci 3,8-4,0), в составе обменных оснований преобладает кальций (Таблица 13).
Торфяные олиготрофные почвы встречаются в западинах на водораздельных территориях, при этом часто формируются на кристаллических породах. Они развиваются в условиях увлажнения слабоминерализованными грунтовыми водами и атмосферными осадками, под олиготрофной растительностью - сосняками сфагновыми или под сфагновыми болотами. Торфяная залежь подразделяется на горизонты по степени разложения, составу растительных остатков. О - очес из неразложившихся стеблей сфагнума, корневищ кустарничков и растительного опада светло-бурого цвета. ТО - светло-бурый слаборазложившийся торф, растительные остатки (преимущественно сфагновые мхи) в нем хорошо идентифицируются. Горизонт ТТ - более темного цвета, степень разложения растительных остатков средняя, обычно с глубиной она увеличивается. Ниже залегают магматические породы или рыхлые глеевые песчаные или супесчаные отложения сизого цвета. Почвы сильнокислые (рНксіЗ,0- 3,2), бедны обменными основаниями (Таблица 13).
Торфяно-глееземы расположены в плоских понижениях, чаще всего окаймляя края озер, широких ручьев. Типичный торфяно-глеезем имеет следующее морфологическое строение: О - подстилочно-торфяный горизонт; Т — торфяной горизонт, мощностью от 10 до 50 см, подстилаемый глеевым горизонтом. Почвы характеризуются среднекислой реакцией среды (рНКа 4,6-5,0), низким содержанием обменных оснований (Таблица 13).
Постагрогенные почвы. Практически все почвы, сформированные на осадочных почвообразующих породах, ранее были вовлечены в сельскохозяйственное использование, а в настоящее время заброшены. Многие естественные почвы (альфегумусовые или органно-аккумулятивные), сформированные на осадочных почвообразующих породах, превращены в постагрогенные почвы, т.к. ранее они распахивались. Постагрогенные почвы расположены в понижениях, вдоль заливов внутренних озер, в лощинах, сложенных озерно-ледниковыми глинами и озерными суглинками. Часто эти почвы встречаются на двучленных отложениях (озерно-ледниковая супесь на озерной глине).
Основными процессами, формирующими профиль постагрогенных почв, являются гумусово-аккумулятивный и оглеение. Высокое залегание грунтовых вод или частый застой поверхностных вод, за счет тяжелого гранулометрического состава почвообразующей породы (Таблица 14), обуславливают присутствие в профиле явных признаков оглеения в виде сизых и ржавых пятен, прожилок, рыхлых железистых стяжений, образования обособленных глеевых горизонтов.
Профиль постагрогенной агрогумусово-глеевой почвы, сформированной на глине (на примере р. 5/97) состоит из следующих горизонтов: Р - темно-серый гомогенный плотный горизонт, бывший пахотный, имеет ровную, четкую нижнюю границу; AY - гумусовый горизонт, нижняя часть которого сохранилась нераспаханной; G - глеевый глинистый горизонт, и CG — порода. Содержание гумуса в верхних горизонтах составляет около 3-4 % и резко уменьшается при переходе к горизонту G (Таблица 15). В целом почва среднекислая (pHKci 4,6 - 5,0), количество обменных оснований достаточное и даже несколько выше того, что соответствует характеристике типа. В глинистой породе значение рН приближается к нейтральному, увеличивается количество обменных оснований.
Агрогумусово-глеевая постагрогенная супесчаная на двучлене (озерно-ледниковая супесь на озерной глине) (р. 13/97) имеет следующее строение профиля: под дерниной располагается темно-серый, супесчаный, бывший пахотный горизонт - Р, далее располагаются огленные срединные горизонты Bg и CG, которые подстилаются глинистым горизонтом DG. Оглеение почвы происходит за счет переувлажнения на границе резкой смены механического состава горизонтов в пределах профиля (Таблица 14). Верхние горизонты почв сильнокислые (рНксі 4,5), с глубиной кислотность почв уменьшается (Таблица 15).
Содержание химических элементов в гранулометрических фракциях почв
Изучение минералогического состава почв, сформированных на магматических породах основного состава (базитах) Валаама проводилось на примере разреза 10/2000 - органо-ржавозема иллювиально-гумусированного очень сильно скелетного, сформированного на элювии габбро-диабаза (морфологическая и физико-химическая характеристика почв этого типа приведена в п. 3.2, описания разрезов см. в Приложении А).
Были проведены сравнения минералогических составов: 1) мелкозема ( 1 мм) из почвенного горизонта BFM, 2) этого же почвенного горизонта в целом (крупнозем и мелкозем), 3) автохтонной кутаны выветривания (АКВ) габбро-диабаза, находящейся на стыке с почвенным горизонтом ВС, и 4) монолитной породы габбро-диабаза (М). Изучение минералогических составов проводилось в порошках методом рентген-дифрактометрии.
Из рентген-дифрактограмм, представленных на Рисунке 38, следует, что диагностируемый комплекс первичных минералов един, как для породы, так и для почвенного горизонта, т.е. почвенный горизонт наследует весь набор первичных минералов от породы. Наиболее выраженными являются рефлексы полевых шпатов - основного плагиоклаза и калиевого полевого шпата (микроклина), а так же магнетита, гетита. Пики (в А) соответствуют: (в скобках указана интенсивность) плагиоклаз: 3,26-3,25(3-5); 3,13-3,12 (2-4); 3,70 (7); 3,75 (8); натриевые и кальциевые полевые шпаты: 3,67-3,62 (2-4); 3,21-3,15 (2-10); 4,04-4,02 (5-8); пироксены: 3,25-3,15 (4-Ю); магнетит: 4,85 (10); 2,97 (30); 2,53 (8); гетит: 4,98 (15); 4,18 (100); 3,38 (10); 2,69 (30); 2,58 (8).
В процессе почвообразования не происходит значительного изменения минерального состава унаследованного от породы. Изменения, происходящие с минералами в почвенных горизонтах, относительно породы выражаются в: 1) ухудшении кристаллической структуры силикатов, что отражается в уширении рефлексов минералов; 2) уменьшении общего содержания силикатов, что оценивается по площади рефлексов.
Присутствие гетита, как в породе, так и в почвенном горизонте свидетельствует о его допочвенном образовании. По минералогическому составу горизонт BFM в целом, практически, не отличается от породы (Рисунок 38. Б). Наибольшие изменения минерального состава происходят в мелкоземистой части этого почвенного горизонта (Рисунок 38. А) — здесь уменьшается общее содержание, а также разрушается кристаллическая структура Ca-Na полевых шпатов и пироксенов.
С другой стороны, общее содержание и кристаллическая структура более устойчивых минералов - магнетита и гетита остаются неизменными, что оценивается по интенсивности пиков и неменяющейся симметричности пиков этих минералов.
Минералогический состав илистой фракции изучен на примере почвенных горизонтов BFMhi, BFrVl, ВС из этого же разреза. В отличие от исследованных ранее маломощных почв, развитых на базитах острова Валаам (Седов, Васенева, Шоба, 1992), изученные нами почвы характеризуются низким содержанием глинистых минералов (Рисунок 39). Глинистые минералы либо плохо окристаллизованы, либо их определению мешает большое количество аморфных фаз (на дифрактограммах фиксируются широкие, ассиметричные рефлексы), что затрудняет диагностику глинистых минералов.
Пики (в А) на Рисунке 39 соответствуют следующим глинистым минералам (в скобках указана интенсивность): 1) каолинит 7,14 (001); 3,57 (002) - пики не меняются при насыщении глицерино,м и прокаливании; 2) кальцит 3,04 (100); 3) слюда 10,0 (001); 5,0 (002) - не меняются при насыщении глицерином и прокаливании 4)лепидокрокит 6,27; 5) хлорит-вермикулитовое смешаннослойное неупорядоченное образование 10,0 - 12,0 в прокаленном образце. Итак, исходя из полученных рентген-дифрактограмм, в горизонте ВС идентифицируется каолинит (стабильный рефлекс 7,14 А, не изменяющий положения после насыщения этиленгликолем и исчезающий после прокаливания); слюда с дефицитом катионов (гидрослюда) (стабильные рефлексы 10.0 и 5.0 А), неупорядоченные смешанослойные хлорит-вермикулитовые образования (рефлекс 12.2 А на дифрактограмме прокаленного образца). Из неглинистых минералов диагностируются роговая обманка (8.5 А), лепидокрокит (6.27 А).
В горизонте BFM присутствует тот же набор глинистых минералов, в то время как из горизонта BFMhi исчезает неупорядоченное смешанослойное хлорит-вермикулит образование в результате трансформации в вермикулит: на дифрактограмме прокаленного образца рефлекс 12.2 А исчезает, при усилении интенсивности пика 10.0 А,
Главным результатом почвенного преобразования глинистых минералов является исчезновение в горизонте BFMhi пиков хлоритовой фазы. Хлорит-вермикулиты, унаследованные от породы, в верхних почвенных горизонтах полностью трансформируются в вермикулит.
При таких трансформациях глинистых минералов, происходит высвобождение большого количества железа, с чем, видимо, и связана специфическая охристая окраска Валаамских почв, (что впервые отмечено в работах Седова, 1988,1992).
Похожие диссертации на Особенности распределения химических элементов в почвах острова Валаам
