Введение
Палеопедология (палеопедология в Великобритании) – дисциплина, изучающая почвы прошлых геологических эпох, от совсем недавних (четвертичных) до самых ранних периодов истории Земли. Палеопедологию можно рассматривать как отрасль почвоведения (педологии) или палеонтологии, поскольку её методы во многом представляют собой четко определенное сочетание этих двух дисциплин.
Paleopedology (palaeopedology in the United Kingdom) is the discipline that studies soils of past geological eras, from quite recent (Quaternary) to the earliest periods of the Earth's history. Paleopedology can be seen either as a branch of soil science (pedology) or of paleontology, since the methods it uses are in many ways a well defined combination of the two disciplines.
История
Самые ранние разработки палеопедологии возникли из наблюдений в Шотландии примерно в 1795 году, когда было установлено, что некоторые почвы в обрывах являются остатками прежней открытой поверхности суши. В течение XIX века было сделано множество других находок древних почв по всей Европе и Северной Америке. Однако, в основном это происходило в ходе поисков ископаемых животных и/или растений, и только с развитием почвоведения погребенные почвы прошлых геологических эпох стали рассматриваться как имеющие какую-либо ценность. Интерес к применению находок древних почв к изучению прошлых экосистем возник только после того, как были установлены первые взаимосвязи между почвами и климатом в Евразийской степи. Это произошло потому, что к 1920-м годам К.Д. Глинка обнаружил в России почвы, не соответствующие современному климату, которые рассматривались как реликты более теплых климатических условий прошлого. Еще раньше, в 1892 году, Юджин У. Хильгард установил аналогичную связь между почвой и климатом в Соединенных Штатах, а к 1950-м годам анализ четвертичной стратиграфии для мониторинга недавних изменений окружающей среды в северном полушарии прочно вошел в научную практику. Эти достижения позволили достаточно легко классифицировать почвенные окаменелости в соответствии с таксономией почв USDA, наряду с современными почвами. Интерес к более древним почвенным окаменелостям рос медленнее, но с 1960-х годов неуклонно развивался благодаря появлению таких методов, как рентгенодифракция, позволяющих их классифицировать. Это способствовало развитию палеоэкологии и палеогеографии, поскольку почвенная химия может предоставить значительные доказательства того, как жизнь выходила на сушу в палеозойскую эру.
Поиск ископаемых почв и их структура
Остатки прежних почв можно обнаружить либо под отложенными осадочными породами в районах, не затронутых оледенением, либо в очень крутых обрывах, где старая почва видна под более молодой современной почвой. В районах с действующими вулканами некоторые окаменелости почв встречаются под вулканическим пеплом. При продолжающемся накоплении осадочных пород формируется последовательность окаменелых почв, особенно после отступления ледников в голоцене. Окаменелости почв также могут существовать там, где более молодая почва была размыта (например, ветром), как в Бэдлендс Южной Дакоты. (Следует исключить районы, где современные почвы являются реликтами более влажного климата, как в Австралии и Южной Африке. Почвы этих регионов являются истинными палеосолами.) Окаменелости почв, как погребенные, так и обнаженные, подвержены изменениям. Это происходит главным образом потому, что почти все почвы прошлого утратили свое прежнее растительное покрытие, а органическое вещество, которое они когда-то поддерживали, было истощено растениями после погребения почвы. Однако, если удается обнаружить остатки растений, природа окаменелости почвы становится гораздо яснее, чем при отсутствии флоры, поскольку корни можно идентифицировать по растительной группе, к которой они принадлежат. Характер корневых следов, включая их форму и размер, является хорошим свидетельством типа растительности, которую поддерживала прежняя почва. Синие оттенки в почве указывают на то, что растения мобилизовали питательные вещества внутри почвы. Горизонты окаменелых почв обычно четко определены только в верхних слоях, если только часть материнского материала не была уничтожена в процессе почвообразования. Типы горизонтов в окаменелых почвах, как правило, такие же, как и в современных почвах, что позволяет легко классифицировать их в современной таксономии, за исключением самых древних почв.
Анализ
Химический анализ ископаемых грунтов обычно сосредотачивается на содержании извести, которое определяет как их pH, так и степень их реакционной способности к разбавленным кислотам. Химический анализ также полезен, как правило, посредством экстракции растворителями для определения ключевых минералов. Этот анализ может быть полезен для определения структуры ископаемого грунта, но в настоящее время предпочтение отдается рентгенодифракционному анализу, поскольку он позволяет установить кристаллическую структуру бывшей почвы. С помощью рентгенодифракционного анализа палеопочвы теперь можно классифицировать по одному из 12 порядков почвенной таксономии (оксизолы, ультизолы, альфизолы, моллизолы, сподозолы, аридизолы, энтизолы, инцептизолы, гелизолы, гистозолы, вертизолы и андизолы). Однако многие докембрийские почвы при исследовании не соответствуют характеристикам ни одного из этих почвенных порядков и были отнесены к порядку, называемому зелеными глинами. Зеленый цвет обусловлен присутствием определенных не окисленных минералов, обнаруженных на первобытной Земле из-за отсутствия O2. Существуют также некоторые лесные почвы более позднего времени, которые нельзя однозначно классифицировать как альфизолы или сподозолы, поскольку, несмотря на наличие песчаных горизонтов, они недостаточно кислые для проявления типичных признаков сподозола.
Важность
Палеопедология – важная научная дисциплина для понимания экологии и эволюции древних экосистем, как на Земле, так и в развивающейся области изучения экзопланет, или астропедологии. В геохимии знание строения древних почв также ценно для понимания состава палеоконтинентов.
Модели
Различные определения, применяемые к почвам, отражают различные подходы к их изучению. В то время как фермеры и инженеры концентрируются на определенных свойствах почвы, почвоведы придерживаются иного взгляда. По сути, эти различные точки зрения на определение почвы представляют собой различные теоретические основы для их исследования. Почвы можно рассматривать как открытые системы, поскольку они представляют собой границу между Землей и атмосферой, где материалы транспортируются и претерпевают изменения. Существует четыре основных типа потоков: поступления, выноса, переносы и трансформации. Примерами поступления могут служить минеральные зерна и лесная подстилка, в то время как вынос может включать поверхностную эрозию минералов и органического вещества. Переносы включают перемещение материала внутри почвенного профиля, а трансформации – изменение состава и формы материалов в почве. Почвы также можно рассматривать как преобразователи энергии, поскольку они являются физическими структурами, которые модифицируются естественными процессами. Солнце является основным источником энергии для почв и значительно превосходит любое тепло, генерируемое радиоактивным распадом, поднимающимся из глубин земной коры. Отложение осадка, или поступление грунтовых вод или дождя, также можно рассматривать как прирост энергии, поскольку новые минералы и вода могут изменять существующие материалы в почве. Эти процессы, в сочетании с количеством энергии, доступной для их поддержания, формируют почвенный профиль. Другой взгляд на почву заключается в том, что она является продуктом окружающей среды, формирующимся с течением времени из доступных материалов. Большое количество факторов, влияющих на формирование почв, можно упростить до пяти основных: климат, организмы, топографический рельеф, материнский материал и время. Эти пять факторов легко запомнить, используя аббревиатуру "CLORPT". Эти категории полезны для обдумывания аспектов, которые имели место при формировании почвы или палеопочвы. Однако, что более важно, CLORPT обеспечивает теоретическую основу для проведения естественных экспериментов по изучению образования почв, например, для почв с кальциевым горизонтом глубиной менее 1 метра. Почвенный климат также является особым видом микроклимата. Он относится к влажности, температуре и другим климатическим показателям, которые находятся в порах почвы. Например, в хорошо дренированных почвах почвенный климат является несколько смягченной версией регионального климата. В переувлажненных почвах почвенный климат не связан с региональным климатом, поскольку температура и содержание кислорода в переувлажненных почвах больше зависят от местных путей и скорости движения грунтовых вод, чем от атмосферных условий. Оценки других типов почвенного климата начинают находить свое применение в классификации почв, моделях образования почв и в изучении биологии почв. Классификация климата по палеопочвам может быть связана с использованием климатически чувствительных признаков почв, которые реагируют на конкретные климатические переменные, но даже лучшие из этих признаков не обладают достаточной точностью. Это связано с тем, что почвы не так чувствительны, как метеорологические приборы для регистрации климатических условий. Однако в достаточно широкой категории климат можно интерпретировать по чувствительным признакам, обнаруженным в почвах. Одно из наиболее масштабных влияний на классификацию климата было создано в 1918 году, а затем в течение двух десятилетий модифицировано немецким метеорологом Владимиром Кёппеном. Он предложил пять основных климатических групп (климатическая классификация Кёппена), каждая из которых соответствует основным типам наземной растительности. Каждый тип климата обозначается буквами, где прописные буквы обозначают основные климатические группы, а строчные – вспомогательные климатические особенности. Например, кварц является относительно стабильным минералом в почвах с pH > 9, в то время как оксид алюминия (AlO) стабилен при pH от 4,5 до 8 (в основном в глине). Микроэлементы, обычно стабильные в почвах в более широком диапазоне условий окружающей среды, включают свинец (Pb) и цирконий (Zr), но не всегда присутствуют в достаточном количестве, чтобы быть полезными. Четвертое предположение заключается в том, что изменение объема пропорционально толщине и плотности. Оно утверждает, что потеря объема почвы и степень ее уплотнения при захоронении связаны с изменением их плотности или толщины. Хотя здравый смысл подсказывает, что объем и плотность являются трехмерными, а толщина – одномерной, наблюдения за различными материалами, включая ископаемые растения известной формы, показывают, что при условиях статической вертикальной нагрузки почвы и ископаемые поддерживаются давлением с боков.