Слито-генез в почвах центрально-черноземных областей России

На основе маршрутно-ключевых исследований выявлено 35 новых ареалов почв, имеющих признаки слито-генеза (верти-генеза) на территории Белгородской, Воронежской и северной части Волгоградской областей (бассейн Дона), в пределах которых подобные почвы раньше не отмечались. Доля таких почв в составе почвенного покрова составляет намного меньше 1%. Все выявленные ареалы приурочены к выходам набухающих глин разного происхождения (морские, озерные, ледниковые, делювиальные отложения) и возраста (четвертичные, неоген-палеогеновые), которые встречаются в четырех ландшафтных ситуациях: 1) в глубоких замкнутых западинах на широких плоских водораздельных пространствах; 2) в днищах широких ложбин на приводо-раздельных склонах или, реже, более крутых склонах балок; 3) в составе гидроморфных черноземных солонцовых комплексов в разных геоморфологических условиях; 4) на широких ступене-образных приводораздельных или возвышенных поверхностях, связанных с обнажением третичных глин. В пределах выявленных ареалов имеются почвы всех (от 1 до 6) степеней выраженности слитогенеза (верти-генеза). Почвы представлены темными слитыми почвами и слитизированными (вертиковыми) подтипами разнообразных типов почв по российской классификации или Vertisol и реферативными почвенными единицами с префиксом fertic реферативных почвенных групп Chernozem, Phaeozem, Solonetz по WRB. Представлены результаты статистического анализа морфометрических параметров глубины границ и мощности горизонтов, имеющих поверхности скольжения (сликенсайды), клиновидную структуру, трещины с засыпанным материалом верхних горизонтов, а также глубины и мощности вертикового гор. V.

Введение
Слито-генез (верти-генез) — процесс развития и/или воспроизведения обратимых или необратимых разнонаправленных локальных боковых сдвиговых деформаций (смещений) одних блоков почвы относительно других за счет возникновения внутренних напряжений в почвенной массе в условиях, когда жидкая фаза почвы не замерзает. К этому часто добавляют образование трещин, открывающихся с поверхности почвы, и засыпку в них материала верхних горизонтов.
Почвы, в которых имеются признаки этого процесса (разнонаправленные  поверхности скольжения или сликенсайды, клиновидная структура, микрорельеф гильгай, глубокие трещины с засыпанным материалом верхних горизонтов), выделяют во многих национальных классификациях почв по всему Миру. В Soil Taxonomy эти почвы относят к порядку Vertisols, в WRB — к реферативной почвенной группе с таким же названием. В канадской классификации почв предусмотрен порядок Vertisolic и большие группы или подгруппы fertic в других порядках. В Австралийской классификации почв такие почвы относят к порядку Vertosols. В классификации почв СССР имеется род слитых почв. В классификации почв России [6, 12] выделен тип темных слитых почв и подтипы сли-тизированных почв в других типах. Диагностика слитых почв и признаков слитогенеза в настоящее время хорошо отработана [16].
Распространению, условиям формирования, свойствам, режимам функционирования этих почв посвящено множество книг и статей. Среди них следует отметить крупные обзоры и обобщения [2, 3, 9, 10, 13, 16, 22-24, 28-30, 37]. В соответствии с этими обзорами, вертисоли развиты на глинистых породах с высоким содержанием смектитов в условиях контрастных климатических колебаний увлажнения и иссушения почв. Для вертисолей характерно сильное набухание при увлажнении, сильная усадка с образованием глубоких трещин при иссушении и боковые сдвиговые деформации почвенной массы, приводящие к образованию разнонаправленных поверхностей скольжения с углом наклона от 10 до 60° к горизонтали, клиновидных структурных элементов и в особых ситуациях к деформации поверхности почвы по типу микрорельефа гильгай.
Наиболее крупные массивы вертисолей встречаются в тропиках и субтропиках в пределах 45° южной и северной широт [28]. В южной части Канады между 49 и 52 градусом северной широты в зоне прерий выявлено 4 крупных массива почв, относящихся к порядку Vertisolic, а также имеется информация о Vertic Luvisol под бореальным лесом возле Флин Флон в Манитобе (54 градуса северной широты).
В соответствии с этим был инициирован проект, основная задача которого состоит в изучении распространения, особенностей условий развития признаков слито генеза (верти генеза) и сопровождающего их комплекса признаков других почвенных процессов в почвах европейской части России. В 2011 г. были проведены маршрутно-ключевые исследований на территориях бассейнов Дона и Днепра в пределах Белгородской, Воронежской и северной части Волгоградской областей.
Целью настоящей статьи является изложение результатов выявления новых ареалов почв, имеющих признаки слито генеза (верти генеза), и статистическая характеристика морфометрических параметров этих признаков.

Методы исследования
Решение задачи основано на использовании комплекса работ, включающего сочетание нескольких подходов.
Первый из них включает маршрутно-ключе-вые исследования в бассейнах рек европейской части России с учетом информации о распространении и стратиграфическом положении глинистых пород с высокой долей стеатитовых минералов, а также имеющейся информации о почвенном покрове по данным карт разного масштаба (мелкого, среднего и крупного) и собственным наблюдениям в предшествующие годы исследований. Ключевые участки представляют собой тополитокатены или площадные полигоны с заложением почвенных разрезов, прикопок и скважин ручного бурения, а также инструментальной съемкой рельефа. Для всех почвенных разрезов определены географические координаты с помощью приемника GPS. Материалы объединяются в атрибутивные базы данных и географическую информационную систему.
Для поиска редко встречающихся (менее 1%) почв, имеющих признаки слито генеза, на территории, для которой отсутствует информация в литературе и фондовых источниках о подобных почвах, были разработаны ориентировочные критерии ландшафтных ситуаций вероятного распространения указанных почв. Эти критерии были получены на основе анализа ландшафтных ситуаций распространения слитизированных почв и слитых темных почв в Каменной Степи [26]. А именно, территории выхода на поверхность или залегания на глубине менее 1—1.5 м набухающих коричнево-бурых глин, приуроченные к следующим ландшафтным позициям: А — замкнутым западинам на плоских водоразделах, В — днищам широких ложбин на пологих склонах с незасоленными почвами, С — днищам и бортам ложбин с солонцовыми комплексами.
Второй подход предполагает макро- и мезо морфологический анализ строения почвенного профиля с фотографическим документированием наблюдаемых морфологических свойств. Особое внимание обращено на морфометрическую характеристику поверхностей скольжения, наличие клиновидной структуры, глубину проникновения трещин с засыпавшимся в них материалом верхних горизонтов, а также комплекс почвенных признаков других почвенных процессов (солонцовый, оголение, квазиоглеение, зоотурбации, формы аккумуляции карбонатов, передвижение ила и др.).
Первые два подхода дополняются минералогическим анализом глинистых минералов традиционными методами и аналитической характеристикой объектов исследования для уточнения диагностики почвенных процессов, сопровождающих литогенез (верти генез), или на фоне которых происходит развитие слито генеза (верти генеза).

Объекты исследования
На территории Центрально-черноземных областей (ЦЧО) России выявлено 35 ареалов почв, имеющих признаки слито генеза (верти генеза). На данный момент эти ареалы охарактеризованы 81 почвенным разрезом с географической привязкой по GPS, подробным морфологическим описанием и фотографическим документированием ландшафтной ситуации, почвенного профиля и отдельных морфологических свойств почв.
Все выявленные ареалы расположены между 49 и 51.5 градусом северной широты. Из них 2 ареала обнаружены в Киквидзенском р-не Волгоградской обл., 26 ареалов — в Пенинском, Таловском, Бутурлиновском, Богучарском, Подгоренском, Воробьевском, Верхнемамонском р-нах Воронежской обл., 7 ареалов — в Губкинском, Чернянском, Новооскольком и Волоконовском р-нах Белгородской обл. (табл. 1).

Результаты и обсуждение
По классификации почв СССР рассматриваемые почвы являются представителями следующих типов: черноземов, лугово-черноземных почв, луговых почв, солонцов луговых, болотноподзолистых почв. На основе имеющихся признаков слитогенеза эти почвы могут быть отнесены к роду “слитых”.
В соответствии с классификацией почв России [6, 12] разнообразие обнаруженных почв, имеющих признаки слитогенеза, существенно больше. Они относятся к типам черноземов и агрочерноземов (10 разрезов), черноземов и агрочерноземов глинисто-иллювиальных (20 разрезов), черноземов и агрочерноземов глинисто-иллювиальных квазиглеевых (9 разрезов), темногумусово-глеевых почв (1), гумусово-квазиглеевых почв (9), солонцов темных квазиглеевых (13), темных слитых и агрослитых темных почв (6), разных типов агроземов (7), стратоземов темногумусовых на погребенных почвах (2), дерново-солодей квазиглеевых (1). За исключением типов темных слитых и агрослитых темных почв, такие почвы относятся к подтипам “слитизированных”. Помимо типовых признаков почв (основных диагностических горизонтов) и признаков слитогенеза (поверхности скольжения разных размеров и ориентации наклона, клиновидная структура) разнообразие выявленных почв определяется наличием других генетических признаков, позволяющих выделять подтипы сегрегационных, солонцеватых, элювиированных, квазиглееватых, окислено-глеевых, глинисто-иллювиированных, засоленных, агропереуплотненных, постагрогенных, стратифицированных и гумусово-стратифицированных.
Выявленные почвы представляют все градации (с 1 по 6) степени слитогенеза, которую оценивают по качественным и количественным морфометрическим признакам [16].
Все ареалы почв, имеющих признаки слитогенеза (вертигенеза), выявленные в ЦЧО, приурочены к выходам набухающих глин разного происхождения (морские, озерные, ледниковые, делювиальные отложения) и возраста (четвертичные, палеоген - неогеновые).
Оценка размеров ареалов почв ЦЧО, имеющих признаки слитогенеза, была выполнена на нескольких ключевых участках, характеризующих основные группы ландшафтных ситуаций распространения рассматриваемых почв в ЦЧО.
Другая группа слитизированных почв приурочена к широким ложбинам на склонах. Ареалы имеют вытянутую форму. Чаще всего они расположены непосредственно в днище ложбины. В некоторых случаях признаки слитогенеза удается обнаружить в нижней и средней частях пологих склонов самой ложбины. Ширина таких ареалов варьирует от 10—50 до 70—90 м.

 

Таблица 1. Положение центров ареалов почв, имеющих признаки слитогенеза (вертигенеза), на территории ЦЧО

 

                                                              
Вдоль ложбины может располагаться несколько разных почв, обладающих признаками слитогенеза. Они могут образовывать серию прерывистых ареалов в соответствии с литологическим строением территории и выходом слоев набухающих глин на разных участках общего склона вдоль тальвега ложбины, либо единый ареал по наличию признаков слитогенеза, который может быть представлен двумя или тремя соприкасающимися элементарными почвенными ареалами разных почв. Прерывистые ареалы имеют протяженность вдоль тальвега ложбины от 4—10 м до 30—60 м. Единые ареалы слитизированных разных почв могут быть вытянуты на 0.6—1 км.
Частое формирование слитизированных почв в вогнутых позициях рельефа обусловлено особенностями водного режима. Для него характерно, с одной стороны, быстрое, сильное и сравнительно длительное переувлажнение в связи с концентрированием поверхностного стока талых вод весной и ливневых вод летом в вогнутых поверхностях, сложенных или подстилаемых слабоводопроницаемыми глинами, и, с другой стороны, периодическое глубокое иссушение почвенного профиля в засушливые годы. Иссушение, по-видимому, происходит не каждый год, но может сравнительно регулярно повторяться в многолетнем режиме на следующий год или через несколько (от 1 до 16) лет (в ЦЧО обычно через 0—7 лет) в соответствии с частотой возникновения засух [5]. По этим причинам развитие слитогенеза (вертигенеза) в таких почвах сопряжено с оглеением, квазиоглеением и формированием выщелоченного от карбонатов кальция глинисто-иллювиального гор. BI. А внешним индикатором ареалов слитизированных почв часто (но не всегда) оказывались заросли тростника. В классификационном отношении такие почвы представлены черноземно-луговыми и черноземно-влажно-луговыми (по [7]), черноземами глинисто-иллювиальными слитизированными квазиглееватыми или квазиглеевыми и гумусово-квазиглеевыми слитизированными почвами.
Особую группу образуют ареалы слитизированных почв, развитых в солонцовых комплексах. Как правило, они занимают днища, пологие борта ложбин и лощин, а также относительно выровненные слабонаклонные части общего склона, примыкающие к этим ложбинам и лощинам. Физико-химические условия развития солонцового процесса, заключающиеся в особом соотношении сравнительно повышенного содержания обменного натрия в почве (более 5—10% от емкости катионного обмена) на фоне низкой общей концентрации солей в почвенном растворе (удельная электропроводность раствора составляет 0.5—4 дСм/м, реже — более высокая) и, часто, щелочной реакции среды, способствуют усилению набухания и усадки глинистых минералов и в целом глинистого слоя [11, 16]. Кроме того, набухающие глины часто содержат небольшое количество натриевых солей. По этим двум причинам слитогенез и солонцовый процесс нередко происходят совместно в одной почве, что раньше отмечалось для почв Центрального Предкавказья [16], а также в Канаде [36] и в Австралии [32]. Среди исследованных почв ЦЧО, имеющих признаки слитогенеза, 13 разрезов представлены солонцами темными и 14 разрезов — солонцеватыми подтипами разных почв. Ареалы обычно имеют замысловатую форму с изрезанными границами, характерными для солонцовых комплексов.

 

 

Рис, I. Изменение глубины верхней границы появления поверхностей скольжения (сликенсайдов) в почвах разной степени слитогенеза (81 разрез, Белгородская, Воронежская и Волгоградская области).

 

Но если они приурочены к ложбинам, то приобретают вытянутую форму вдоль днища или вдоль борта ложбины в соответствии с условиями залегания глинистой толщи. Следует обратить внимание, что одним из эффективных приемов поиска слитизированных почв в ЦЧО оказалось обследование ареалов распространения солонцовых почв, приуроченных к выходам глин. Весьма полезной оказалась информация среднемасштабных почвенных карт Белгородской и Воронежской областей [1, 14].
В ходе маршрутных исследований в Белгородской области в окрестностях поселка Велико-Михайловка Новооскольского р-на был обнаружен достаточно крупный ареал агрослитых темных квазиглеевых глубоко-солончаковатых почв на элювии зеленых палеоген-неогеновых глин. Они занимают ступенеобразную слабонаклонную приводораздельную поверхность, слабо расчлененную едва заметными ложбинами. Ареал вытянут поперек склона на 900—1000 м при ширине 300—400 м за счет изрезанного отвершками балки западного края.
Статистическая обработка 81 разреза показала, что глубина верхней границы появления поверхностей скольжения (сликенсайдов) имеет тенденцию уменьшаться по мере усиления степени слитогенеза (рис. 1). Эта тенденция сохраняется для всех непараметрических статистических показателей (минимум, нижний квартиль, медиана, верхний квартиль, максимум) (табл. 2). При этом размах изменения рассматриваемого показателя, а также мощности слоя, имеющего сликенсайды, практически одинаковые во всех градациях степени слитогенеза. Подобная картина хорошо соответствует условиям и интенсивности развития локальных сдвиговых деформаций почвенной массы.

 

Таблица 2. Непараметрические статистические показатели распределения морфометрических характеристик признаков слитогенеза (вертигенеза) в почвах Белгородской, Воронежской и Волгоградской областей (я — число разрезов)

 

 

В 48 из 81 разрезов морфологически отмечены открытые или закрытые трещины с засыпавшимся в них темным материалом верхних горизонтов. Этот признак считается обязательным при выделении порядков в канадской классификации почв. В исследованных почвах ЦЧО верхняя граница появления сликенсайдов в подавляющем числе случаев (46 из 48) расположена выше максимальной глубины проникновения трещин с засыпками (рис. 2). Причем в 10 разрезах (из 81) весь слой с поверхностями скольжения расположен в пределах глубины проникновения трещин с засыпками. Это подтверждает возможность развития боковых сдвиговых деформаций за счет дополнительного проникновения фрагментов вышележащих горизонтов по трещинам в нижние горизонты в сухой период и создания локального избыточного давления при набухании в период увлажнения.
Вместе с тем, существуют две другие ситуации отсутствия трещин с засыпками в горизонтах с поверхностями скольжения. Во-первых, среди исследованных почв ЦЧО имеется 33 разреза, в которых не были обнаружены трещины с засыпками, проникающие глубже нижней границы гумусового горизонта. Во-вторых, в большинстве (в 71 из 81) разрезов имеется слой, в котором отмечены поверхности скольжения разного размера и разной ориентации их наклона, но отсутствуют морфологические элементы засыпанного в трещины материала вышележащих горизонтов. Мощность такого слоя варьирует от 10 до 160 см (медиана 50 см) (табл. 2). Аналогичная ситуация отмечалась в почвах Центрального Предкавказья ив разрезе в Австралии, демонстрировавшегося во время полевой экскурсии перед XIX конгрессом почвоведов. Суждения о том, что сликенсайды могут встречаться в горизонтах, не имеющих отрывающихся трещин с засыпанным в них материалом, имеются и в канадской классификации почв. Все это свидетельствует о том, что поступление дополнительного материала из верхних горизонтов в более глубокие через открытые трещины не является необходимым и обязательным условием развития поверхностей скольжения. Главным пусковым механизмом возникновения локальных боковых сдвиговых деформаций одних блоков почвы относительно других является неравномерное увлажнение и набухание глинистого слоя в кратковременный период интенсивного увлажнения почвы.
Отсутствие защемленного засыпанного материала верхних горизонтов в средней части профиля, где имеются поверхности скольжения, часто связано с более легким гранулометрическим составом гумусового горизонта, представленного средним или тяжелым суглинком (19 разрезов из 33, не имеющих трещин с засыпками). Такой материал имеет более слабовыраженную способность к изменению объема (набуханию и усадке) при изменении влажности.

 

Максимальная глубина проникновения трещин с засыпками, см
Рис. 2. Соотношение максимальной глубины проникновения трещин с засыпками и глубины верхней границы появления поверхностей скольжения (сликенсайдов) (48 разрезов, имеющих трещины с засыпками). Диагональная линия соответствует равному значению обоих показателей.

 

В результате получается система из двух (по крайней мере) слоев, отличающихся способностью к набуханию и усадке: поверхностный слой, в котором широкие вертикальные трещины не возникают, и слой в средней или нижней части почвенного профиля, который может сильно набухать во влажном состоянии и давать усадку с образованием достаточно широких вертикальных трещин в сухом состоянии. За счет сил трения и сцепления частиц на границе двух слоев при отсутствии очень резкого их литологического контакта в такой слоистой системе трещины, открывающиеся внутри почвенного профиля, обычно имеют веретенообразное сечение в вертикальной плоскости, сужающееся вверх и вниз относительно средней части. При указанной форме и при отсутствии механизмов осыпания материала внутри профиля почвы трещины остаются свободными от постороннего материала и после закрытия при увлажнении не оставляют морфологически выраженных следов своего прежнего существования.
Самая высокая интенсивность локальных боковых сдвиговых деформаций почвы характерна для вертикового гор. V (и AV) (по [6, 12]). В нем имеется три признака вместе: много мелких сликенсайдов разной ориентации наклона, клиновидная структура и крупные поверхности скольжения, размер которых превышает средний горизонтальный размер блоков-тумб, возникающих при вертикальном растрескивании почвы (то есть более 20—30 см). Наличие гор. V характерно для 4—6 степени слито-генеза. Среди исследованных почв ЦЧО гор. V имеется в 30 разрезах из 81. Его верхняя граница расположена на глубине от 16 до 98 см (медиана 70 см), а его мощность варьирует от 22 до 130 см (медиана 50 см) (табл. 2).
Обнаружен один ареал слитизированных почв со слабо выраженным микрорельефом гильгай (шестая степень слитогенеза). На нем сформировался комплекс корковых и глубоких слитизированных квазиглеевых темных солонцов. Он охарактеризован двумя почвенными профилями, расположенными в пределах одной траншеи, которые статистически обрабатывались только в составе общей выборки для всех степеней слитогенеза вместе (табл. 2).

Выводы
1. Выявлено 35 новых ареалов почв, имеющих признаки слитогенеза (вертигенеза) на территории Белгородской, Воронежской и северной части Волгоградской областей (бассейн Дона), в пределах которых подобные почвы раньше не отмечались. Доля таких почв в составе почвенного покрова составляет намного меньше 1%.
2. Все выявленные ареалы приурочены к выходам набухающих глин разного происхождения (морские, озерные, ледниковые, делювиальные отложения) и возраста (четвертичные, палеоген-неогеновые), что является характерным для условий распространения вертисолей.
3. На территории ЦЧО слитизированные (вер-тиковые) почвы встречаются в четырех ландшафтных ситуациях. Во-первых, на широких плоских водораздельных пространствах в глубоких замкнутых западинах, в которых происходит
почти ежегодное сезонное затопление поверхности на 1—2 месяца и глубокое выщелачивание карбонатов в почвенном профиле. Во-вторых, на приводораздельных склонах или, реже, более крутых склонах балок в днищах широких ложбин с пологими склонами. Ареалы слитизированных (вертиковых) почв чаще всего приурочены к наиболее сильно и длительно переувлажняемым позициям. В-третьих, в составе гидроморфных черноземных солонцовых комплексов, занимающих днища, борта ложбин и лощин и примыкающие к ним сравнительно ровные участки общего пологого склона. В-четвертых, на широких ступенеобразных приводораздельных или возвышенных поверхностях, связанных с обнажением третичных глин.
4. Среди выявленных почв обнаружены разности, представляющие все (от первой до шестой) степени выраженности слито-генеза (вертигенеза). Несколько ареалов представлены темными слитыми почвами по [6, 12] или Vertisol по WRB [31], остальные — слитизированными (вертиковыми) подтипами разнообразных типов почв по [6, 12] или реферативными почвенными единицами с префиксом Vertic реферативных почвенных групп Chernozem, Phaeozem, Solonetz и единично некоторых других по WRB.
5. Морфометрические параметры глубины границ и мощности горизонтов, имеющих поверхности скольжения (сликенсайды), клиновидную структуру, трещины с засыпанным материалом верхних горизонтов, а также глубины и мощности вертикового гор. V имеют отчетливую тенденцию изменения по мере увеличения степени слито-генеза (вертигенеза).
Автор приносит искреннюю благодарность заведующему отделом БелНИИСХ доктору сельскохозяйственных наук В.Д. Соловиченко и директору ЦГАС “Белгородский” доктору сельскохозяйственных наук, профессору С.В. Лукину за предоставленные средне- и крупномасштабные почвенные карты на территорию Белгородской области, и фермеру А.С. Калинину за содержательную информацию о почвах своего хозяйства и предоставленную возможность провести их полевое обследование.