Красота термоземов Долины гейзеров позволила выделить их в отдельный тип почв

Живописные термальные ландшафты Долины гейзеров не только привлекают ежегодно тысячи туристов, но и являются средой обитания редких и даже уникальных организмов. Это второе гейзерное поле после Йеллоустона и самое плотное скопление гейзеров в мире: на площади около 50 тыс. м² их более двухсот. Здесь распространены одни из самых ярких и наименее изученных почв — термоземы, отличащиеся тем, что тепло и растворенные вещества в основном поступают к ним из земных недр. Детальное исследование термоземов Долины гейзеров, формирующихся под влиянием сернокислых вод, позволило обосновать их выделение в качестве новой, 33-й, почвенной группы для международной реферативной базы почвенных ресурсов. Этим почвам за их красоту было присвоено название нарцисоли (Narcisols). К жизни на нарцисолях способны только растения-термофилы, в основном злаковые и осоковые, а вот деревья совершенно не переносят подогретых вод. Папоротники же предпочитают жить по периферии термальных ландшафтов, где возникают туманы от подогретых паров земных недр.

Почвой называют верхний плодородный слой твердой оболочки нашей планеты — земной коры. Давно известно, что вулканические отложения благоприятны для роста растительности. Слоистость вулканических почв обусловлена регулярным поступлением пепла, который может разительно отличаться по цвету, размеру частичек и химическому составу. Хорошие условия проветривания этих почв и высокое содержание в них микроэлементов способствуют их плодородию. Именно поэтому, насмотря на опасное соседство, люди издревле селились поблизости от вулканов и давно освоили их склоны и прилегающие территории.

На долю вулканических почв — или, по международной классификации, андосолей (см. Andosol) — приходится менее 1% площади суши. Они разбросаны по всему миру, будучи приурочены к районам вулканической активности: Тихоокеанскому огненному кольцу, Исландии, Восточно-Африканской рифтовой долине и другим (рис. 2).

Для всех вулканических почв характерны следующие особенности. Во-первых, они формируются в условиях активной вулканической деятельности, одним из частых проявлений которой являются выбросы пепла. В результате образуется «многоэтажный» профиль (рис. 3, слева): под современной почвой залегают серии почв, погребенных материалом извержений. Вулканическая деятельность не обязательно позитивно влияет на плодородие (как минимум в краткосрочной перспективе). Например, излившаяся лава долго не зарастает, так как ее поверхность хрупкая, легко осыпается и слабо удерживает влагу (рис. 3, справа). А вот богатый микроэлементами пепел быстро заселяется растительностью.

Во-вторых, среди минеральных веществ, образовавшихся непосредственно в вулканических почвах, много аморфных веществ (например, аллофана) и органоминеральных соединений железа и алюминия (T. Takahashi, R. A. Dahlgren, 2016. Nature, properties and function of aluminum–humus complexes in volcanic soils). Эти аморфные минералы прочно удерживают фосфор в недоступной для растений форме, поэтому для получения хороших урожаев в вулканические почвы необходимо вносить фосфорные удобрения.

Но вулканические выбросы — далеко не единственный фактор, влиянию которого подвержены андосоли. На них также действуют термический и гидротермальный факторы — подземное тепло и выходящие на поверхность подогретые подземные жидкости. Около вулканов часто встречаются источники, в которых вода может нагреваться до 100°C. Такие источники делят на гидротермы и парогидротермы (рис. 4), в зависимости от того, что выходит на поверхность — подогретые воды или горячий пар.

Почвы, которые подогреваются теплом земных недр, называют термальными (или термоземами). А термальную почву, подверженную непосредственному воздействию воды (или пара) из земных недр, называют гидротермальной. Почвы, формирующиеся в условиях гидротермального воздействия, широко распространены, но занимают небольшие площади в поясах активного вулканизма Земли. Суммарно на них приходится всего лишь до нескольких десятков тысяч км² (примерно как площадь Московской области, равная 44,5 тыс. км²).

Почвоведы и геологи давно знают, что подогретые растворы и флюиды интенсифицируют преобразование минерального субстрата, а геологические процессы преобразования пород под действием термальных вод хорошо исследованы. Но почвы, испытывающие воздействие подогретых вод, и протекающие в них процессы оставались за бортом абсолютного большинства почвенных классификаций.

Первое детальное и комплексное исследование почв в зоне воздействия термальных вод было проведено в 2005 году на Камчатке (И. Л. Гольдфарб, 2005. Влияние гидротермального процесса на почвообразование (на примере Камчатки)). Если говорить про зарубежные исследования, то только в Новой Зеландии были описаны местные гидротермальные почвы (hydrothermal soils, A. E. Hewitt, 2010. New Zealand soil classification). К ним были отнесены почвы с pH > 4,8, среднегодовая температура которых на глубине 30 см не менее чем на 2,5°C выше, чем среднегодовая температура воздуха (это означает, что почва постоянно испытывает воздействие горячих вод).

Гольдфарб предложил выделять гидротермальное воздействие как особый фактор почвообразования, задействующий целый ряд физических и геохимических процессов:

• с глубиной изменяется щелочно-кислотная обстановка в почве в зависимости от состава термальных растворов;
• упрощается строение исходной вулканической почвы за счет гомогенизации вулканического пепла разного возраста и состава;
• утяжеляется гранулометрический состав почвы (вулканические пески превращаются в гидротермальные глины), что сопровождается ухудшением водно-физических свойств и снижением плодородия;
• в тонкодисперсной части почв среди вторичных (образующихся в почве в результате почвообразовательных процессов) минералов появляются каолинит и смектит (а также минералы, состоящие из их смеси), не свойственные фоновым вулканическим почвам;
• снижается содержание гумуса (органическое вещество окисляется до конечных продуктов — углекислого газа и воды) и мощность гумусового горизонта;
• появляется засоление;
• изменяется состав доминирующих в почве обменных оснований в зависимости от состава термальных растворов.

В целом, в духе актуальной российской классификации почв, Гольдфарб обосновал выделение термоземов как отдельного таксона и предложил их разделение на субтаксоны. Также в зависимости от силы гидротермального воздействия он выделил три группы гидротермальных почв, развивающихся на вулканических, гидротермальных и переходных субстратах.

Последовавшие исследования подтвердили, что для гидротермальных почв свойственны солевые и кремниевые новообразования, преимущественно красные тона окраски, а также глубокая выветрелость и оглиненность почвенной массы. Вертикальная зональность глинистых горизонтов гидротермальных почв во многом напоминает смену горизонтов в красноземах (см. картинку дня Красноземы субтропиков) и ферраллитных корах выветривания. Д. Н. Костюк и А. Н. Геннадиев (на основе исследований гидротермальных почв Долины гейзеров) предложили выделять особый термометаморфический горизонт по усилению светло-бурой окраски в профиле, наличию особой структуры (отсутствующей в фоновых вулканических почвах), утяжелению гранулометрического состава (до тяжелого суглинка/глины) и увеличению температуры — до 90°C (Д. Н. Костюк, А. Н. Геннадиев, 2014. Почвы и почвенный покров Долины гейзеров).

Говоря о свойствах почв, нельзя забывать и о том, что на них растет. В этом смысле гидротермальные почвы логично зонировать и по температуре. Дело в том, что пока температура не слишком большая, растения позитивно откликаются на поступление термальных растворов и газов (их проективное покрытие — доля поверхности почвы, на которую проецируется растительность, — увеличивается). Однако когда корнеобитаемый слой почвы прогревается выше определенного предела (55–65°C для мхов и 45–55°C для сосудистых растений), то на этой почве расти уже почти ничего не может. На почве с температурой выше 65°C могут жить только экстремофильные водоросли и микроорганизмы. Но это всё — общие соображения, на практике же комплексные исследования термальных почв и сопутствующей флоры не проводились.

Российские ученые из МГУ им. М. В. Ломоносова и нескольких других научных учреждений детально исследовали почвы и растительный покров в зоне воздействия одной парогидротермы на территории Долины гейзеров. Такой сопряженный почвенно-геоботанический подход совместно с температурными промерами и анализом широкого спектра аналитических работ проведен впервые. Для каждой точки отбора проб была измерена температура в корнеобитаемом слое растений, определены ключевые физико-химические свойства почвы (кислотность, гранулометрический состав, содержание и состав легкорастворимых солей, элементный и минеральный состав) и видовой состав растений и их проективное покрытие. В наиболее представительных почвенных разрезах исследовалось строение почвенных частиц на микроуровне.

Долина гейзеров расположена в 180 км к северо-востоку от города Петропавловск-Камчатский. Она окружена вулканами, входящими в так называемый Восточный вулканический пояс Тихоокеанского огненного кольца. Узкая и глубоко врезанная долина реки Гейзерной скрывала от человеческих глаз живописные уникальные природные объекты до апреля 1941 года, когда геолог Татьяна Устинова (1913–2009) — сотрудница Кроноцкого заповедника — описала первый гейзер Евразии. Практически с момента своего открытия экосистемы Долины гейзеров стали популярным объектом научных исследований. Благодаря укромному расположению Долина стала убежищем для многих редких организмов.

Гидротермальная система Долины гейзеров расположена на окраине Узон-Гейзерной кальдеры, где вулканы извергаются на протяжении последних 40 тысяч лет. Опускание дна кальдеры 9–12 тыс. лет назад позволило подогреваемым подземным водам выходить а поверхность и привело к появлению термальных источников, парогидротерм и гейзеров.

Сначала ученым нужно было отделить фоновые территории от подогреваемых земными недрами. В Долине гейзеров, где дыхание земных недр ощущается практически на каждом шагу (стоит специфический запах сероводорода), эта задача не такая уж простая, как кажется. На Камчатке термальными считают участки, где летняя температура на глубине 50 см превышает 30°C (Т. Ю. Самкова, 2009. Влияние гидротермального процесса на растительность (на примере Паужетской гидротермальной системы Камчатки)). Термальные местообитания Долины гейзеров по характеру растительности и термоземов можно разделить на три группы (рис. 5):
    1) Краевая часть с камчатским высокотравьем на слабо прогретых почвах (25–40°C на глубине 15 см — нижнем слое максимального скопления корней — и 30–50°C на глубине 50 см) — на рис. 5 эта часть обозначена как зона II (к зоне I отнесены фоновые непрогретые почвы).
    2) Срединная часть с микрогруппировками лугов и моховых сообществ на среднепрогретых почвах (45–80°C на глубине 15 см; 80–98°C на глубине 50 см).
    3) Центральная незадернованная часть на горячих почвах (80–100°C на глубине 15 см и >98°C на глубине 50 см).

Чтобы провести комплексный анализ почв, нужно было выбрать модельный участок со следующими свойствами: 1) у его наиболее горячей зоны округлая форма (это более-менее гарантирует, что термальная подпитка идет из одного источника); 2) размера каждой из подогретых зон (см. рис. 5) и фоновой территории в непосредственной близости от модельного участка должно хватать для заложения трех почвенных разрезов и площадок 1×1 м для описания растительности; 3) минимальное влияние со стороны соседних термальных участков и гейзеров, а также удаленность от мест прохождения катастрофических селей 2007 и 2014 годов (про него можно почитать в этой статье). Такой участок, к счастью, удалось найти.

Флюиды изученной парогидротермы обогащены сероводородом, превращающимся в серную кислоту в результате жизнедеятельности серобактерий. Кислота радикально преобразует вулканические отложения и крайне ограничивает возможность произрастания растений. В Долине гейзеров много таких парогидротерм, вокруг которых растительность образует своеобразные кольцевые структуры по мере удаления от места выхода разогретого пара к периферии.

В обсуждаемой работе почва на выбранном модельном участке изучалась на четырех «уровнях»: макроуровень (внешний вид и морфология), микроуровень (грубо говоря, это то, что видно только в микроскоп), а также химический и растительный «уровни». Кратко опишем полученные результаты.

Фоновые (неподогретые) почвы Долины гейзеров представляют собой чередование разновозрастных пеплов бурого и серого цвета. Они преимущественно песчаные (это значит, что в их составе менее 10% частиц диаметром мельче 0,01 мм, см. Гранулометрический состав почвы). По мере приближения к центру парогидротермы почвы приобретают яркие цвета (рис. 7).

Диагностика почвы — отнесение к одному из описанных типов или выделение нового типа — строится на определении того, какие в почве присутствуют горизонты и какие в ней протекают процессы. В почвах краевой зоны парогидротермы за счет дополнительного прогрева сильнее разрушены зерна первичных минералов: увеличивается доля мелких частиц и уменьшается доля крупных. В результате почвы становятся супесчаными в верхней части и легкосуглинистыми — в нижней. Из-за того, что на средне прогретых почвах растительности уже мало, гумусовый горизонт А маломощный. Под ним залегает бурый горизонт В1, который ниже сменяется другим яркоокрашенным горизонтом В2. Наконец, в самом низу находится белесая или с голубоватым оттенком глина — результат сернокислого преобразования вулканических пород в условиях высоких температур. Почвы этой зоны приобретают яркие тона (желтый, красный, белый) за счет обилия различных минералов железа (см. картинку дня Термоземы Кроноцкого заповедника).

Также на фотографиях разрезов хорошо видно, что средне прогретые термоземы существенно короче, чем слабо прогретые: их профиль редко достигает 50 см. А в центре парогидротермы почва совсем маломощная: ее толщина не превышает нескольких сантиметров. Она состоит из небольшой гумусированной корочки (микрогоризонт А протяженностью всего несколько миллиметров) — результата преобразования минерального субстрата термофильными микроорганизмами, — горизонта внутрипочвенного выветривания (сернокислого преобразования) пород и оглеенной почвообразующей породы. Тем не менее это настоящая почва, так как она является результатом преобразования материнской породы (в том числе и под действием живых организмов). Кстати, встречаются и еще менее мощные почвы, буквально умещающиеся в трещинах камней (см. картинку дня Живые скалы Антарктиды).

Если рассмотреть фоновую почву Долины гейзеров в оптический микроскоп, то можно увидеть разрозненные зерна первичных (когда-то поднявшихся из недр на поверхность) минералов, которые практически не связаны друг с другом более тонкодисперсным веществом (которое называют пленками или кутанами), образовавшимся в результате их разложения (рис. 8, верхний ряд). Трещины и редкие пленки на этих зернах указывают на протекание выветривания. Некоторые песчаные частички все-таки склеены более тонким материалом — под микроскопом они видны как достаточно рыхлые агрегаты.

Почва краевой зоны (слабо прогретая) отличается от фоновой более высокой степенью склеенности зерен первичных минералов более широкими органоминеральными пленками. Среди вторичных минералов в фоновых почвах и почвах краевой зоны парогидротермы преобладает смектит.

Средне прогретые термоземы состоят из трещиноватых зерен первичных минералов, также склеенных пленками, в составе которых много минералов группы цеолитов, в частности — клиноптилолита, который при достаточном увеличении выглядит как тонкие нити (рис. 9). Однако среди вторичных минералов преобладает уже не смектит, а каолинит — основной компонент многих глин. Наконец, в самых горячих термоземах еще больше количество тонкодисперсного материала, окрашенного в красные и желтые тона за счет разнообразных железистых соединений (рис. 8, нижний ряд).

Фоновые непрогретые вулканические почвы имеют кислотность, комфортную для роста большинства растений (pH = 5–7), и не засолены. Слабо прогретые термоземы по химическим свойствам слабо отличаются от них. По сравнению с ними в средне прогретых почвах резко увеличивается доля сульфатов (в водной вытяжке, имитирующей состав почвенных растворов) — это признак засоления, которое негативно сказывается на росте растений. В центре парогидротермы за счет еще более интенсивного поступления флюидов из земных недр почва засолена совсем сильно (pH = 2,7). Температура на поверхности там составляет как минимум 80°C. В таких условиях способны жить лишь экстремофилы.

Осталось разобраться с тем, что растет в более умеренных зонах парогидротермы. На фоновых непрогретых вулканических почвах в Долине гейзеров растет камчатское высокотравье (рис. 10) или леса из березы Эрмана. На одном квадратном метре там можно встретить до 25 видов растений (но это типично и для лугов в лесной и степной зонах России).

Чем ближе к центру парогидротермы, тем больше любителей «горяченького» — термофилов, среди которых много краснокнижных и даже эндемичных видов (рис. 11). Деревья не выдерживают даже слабого подогрева. Но и среди травянистых растений любителей более теплых участков, относящихся к срединной зоне парогидротермы (зона III на рис. 5), не так уж много: на площади 1 м² встречается не более шести видов сосудистых растений, среди которых есть облигатные и факультативные термофилы. Папоротники любят селиться по самой периферии термальных местообитаний, где на поверхности почвы конденсируется влага из земных глубин. В срединной зоне термальных ландшафтов распространены невысокие луговые сообщества, в которые включены термофильные мхи.

Если посмотреть на филогенетическое древо растений Долины гейзеров, то представители термофильной флоры (как облигатные, так и факультативные) располагаются на нем небольшими группами внутри различных семейств (рис. 12). Из 60 семейств сосудистых растений, встречающихся в Долине гейзеров, лишь девять содержат облигатно термофильные виды, а 24 семейства — факультативно термофильные. Представители Злаковых и Осоковых — одни из наиболее приспособленных для жизни на термальных местообитаниях (например, их остатки часто находят в древних термальных болотах, см. A. Channing, D. Edwards, 2013. Wetland megabias: ecological and ecophysiological filtering dominates the fossil record of hot spring floras).

У шести семейств в Долине гейзеров встречаются только термофильными виды, причем пять из них представлены только одним видом (Деннштедтиевые, Гераниевые, Крапивные, Мареновые, Ирисовые). И только Луковые представлены двумя видами, из которых один — облигатный термофил, а второй — факультативный. Область наибольшего разнообразия луков находится в сухих и жарких регионах Юго-Западной и Центральной Азии (Y. Kim et al., 2018. Molecular identification of Allium ochotense and Allium microdictyon using multiplex-PCR based on single nucleotide polymorphisms) — в совершенно нетипичных для Камчатки условиях, где господствует холодный и очень влажный климат. То есть дикие луки на Камчатке можно рассматривать в качестве надежных индикаторов термальных местообитаний.

Наконец, по результатам корреляционного анализа (определялась зависимость проективного покрытия вида растения от свойств почвы) удалось выявить, что основной фактор, влияющий на состав растительности в Долине гейзеров, — это физико-химические свойства почвы (степень засоления, содержание сульфатов, гранулометрический состав и кислотность). Это неожиданно, так как ранее считалось, что именно изменения температуры в первую очередь влияют на состав растительного покрова. Разумеется, температура почвы является индикатором интенсивности поступления подогретых растворов. Но, видимо, дело тут в том, что температура может меняться довольно быстро (например, если сменился путь, по которому горячие растворы или пар поступают на поверхность), а указанные физико-химические свойства почвы быстро измениться не могут. Выяснилось, что для многих растений довольно существенные изменения температуры почвы (до 15°C) не оказывают значительного влияния на рост (то есть на проективное покрытие), а вот колебания физико-химических показателей они откликаются куда больше.

Таким образом, в обсуждаемой работе проведен сопряженный анализ изменений состава почв и растительности, вызванных поступлением разогретых сернокислых флюидов на территории Долины гейзеров. Показано, что вокруг парогидротерм (выходов раскаленного пара на поверхность) образуются вложенные друг в друга зоны, которые довольно четко разделяются по температуре, физико-химическим свойствам и составу растительности. Этих специфических зон три, и почвы средней из них настолько уникальны по своим характеристикам, что их было предложено выделить в отдельный почвенный таксон, названный нарцисолями (Narcisols). Дальнейшие исследования покажут, как широко они распространены по миру, но логично ожидать, что они найдутся в других вулканических районах мира, где есть сернокислые парогидротермы.

Источник: I. N. Semenkov, G. V. Klink, M. P. Lebedeva, V. V. Krupskaya, M. S. Chernov, O. V. Dorzhieva, M. T. Kazinskiy, V. N. Sokolov & A. V. Zavadskaya. The variability of soils and vegetation of hydrothermal fields in the Valley of Geysers at Kamchatka Peninsula // Scientific Reports. 2021. DOI: 10.1038/s41598-021-90712-7.

Иван Семенков