Страница249
истории, а особенно в фанерозое, наблюдается сопряженная эволюция наземной биоты и палеопочв. Экологическая роль палеопочв проявляется во всех наиболее значимых событиях в эволюции ландшафтной оболочки, почвы также определяли изменение ряда глобальных биогеосферных циклов. Яркими примерами коэволюции «Жизни и Почв», по Retallack (2007) являются: завоевание суши высшими растениями, определившее глубокое проникновение корневой системы и формирование гумусовых горизонтов; формирование травянистых биомов как экосистем нового типа, с дерновыми почвами, уникальным углеродным пулом, водным балансом и альбедо и др.
Однако коэволюция почв и биоты сводится не только к когерентной изменчивости под воздействием условий среды. С точки зрения биологической эволюции почвы представляют собой как бы внешний фенотип сложного строения, являющийся и продуктом, и показателем этой эволюции (Phillips, 2009). Коэволюция включает в себя как воздействие биоты на окружающую среду, так и воздействие ландшафтных условий на биоту. Причем, в обоих случаях включается процесс селективного отбора и эволюции (экосистемное моделирование и создание экологических ниш,
Jones et al., 1997; Odling-Smee et al., 1996). Совокупным выражением селективного отбора являются наиболее благоприятные для биоты свойства земной коры: мелкоземистый состав, структура, гумусовые горизонты и другие (van Breemen, 1993).
В последнее время представление о роли коэволюции почв и биоты заметно расширяется и охватывает и другие компоненты экосистем (Retallack. 2007). В несколько вольном стиле описывается ряд событий, в которых проявлялась ключевая роль палеопочв: «признаки участия биоты в коэволюционном взаимодействии различных сфер, прежде всего педосферы и биосферы, обнаруживаются в формировании на Земле невоспламеняемой атмосферы, жидкой воды, сфероидного выветривания, гранитных пород, выпуклых склонов, карбонатных и глинистых горизонтов почв, черноземных профилей и цивилизаций». Вспомним, что продуктами былых биосфер называли граниты и некоторые отечественные ученые (Вернадский, 1960; Gerasimov, 1971). Несмотря на столь широкие заключения, несколько выходящие за рамки строго научного анализа, многие положения, раскрывающие масштабную роль коэволюции, находят подтверждение в исследованиях последних лет. Мы, по-видимому, до сих пор недооцениваем роль почв в геологической истории Земли. В.И. Вернадский еще в 1927 г. в своей «Биосфере» написал, что «…значение почв в истории планеты гораздо больше, чем это обычно кажется» (Вернадский, 1960, стр. 97). По данным В.И. Вернадского (1965), А.Е. Ферсмана (1937) и других исследователей кларки содержания большинства химических элементов в «живом веществе» наиболее близки к кларкам тех же элементов в почвах и далеки от них в горных породах,
Страница250
мировом океане и атмосфере. Тонкодисперсное вещество, прежде всего глинистые минералы, рассматриваются как продукт почвообразования. В процессе эволюции педосферы происходит расширение мелкоземистой базы почвообразования благодаря многократным биосферно-геосферным циклам (ресайклинг глинисто-пылеватых частиц). Избирательное накопление тонкодисперсного вещества в педолитосфере определяется его большей эрозионной устойчивостью по сравнению с грубодисперсными фракциями. В этом избирательном накоплении сказывается роль почвенной биоты, под воздействием которой мелкозем организован в структурные элементы (биогенная структура).
В разделе о палеопочвах девона мы привели результаты изучения массового материала по отложениям древних речных долин в различных районах Северной Америки и Европы. От кембрия до верхнего девона установлен согласованный тренд изменения аллювиальных отложений и архитектуры речных долин (Davies & Gibling, 2010, 2011). Именно формирование мощных профилей почв, скрепленных глубокопроникающей корневой системой, и обогащенных глинистым веществом изменило характер эрозионных процессов и архитектуру речных долин в девоне. Эти изменения были вызваны появлением высших растений на суше, однако они же явилось и базой для дальнейшего завоевания суши разнообразными формами животных и растительных организмов. Формирование педосферы современного типа в среднем палеозое определило изменение атмосферного гидрологического цикла. С завоеванием суши высшими растениями связано изменение характера эоловых процессов, что можно проследить по изменению степени окатанности пылеватых частиц в дочетвертичных лѐссовых отложениях от верхнего протерозоя до верхнего палеозоя. Пермо-карбоновые лѐссы по характеру окатанности пылеватых частиц уже не отличаются от позднекайнозойских. Итак, коэволюция включает и взаимное влияние наземной биоты, почв и геоморфологических процессов.
Таким образом, почвы являются совокупным выражением воздействия биосферы на геосферу. Применение теории коэволюции позволяет проводить комплексный палеоэкосистемный анализ на основе биологических, экологических и седиментационных характеристик, отражающий одновременно эволюцию биосферы и педосферы и ландшафтной оболочки в целом. В настоящее время палеоэкосистемный анализ может дать только приближенное представление об экосистемах прошлого на основе лишь отдельных следов ее существования. Тем не менее, понимание экосистемных связей позволяет в значительной мере восполнять недостающие звенья в геологической летописи. Например, палеоландшафтная реконструкция, основанная на почвеннолитологических данных, позволяет реконструировать даже не сохранившиеся компоненты биоценоза. Запись об эволюции экосистем в
Страница251
значительной степени представлена в педолитосфере, в которой палеонтологическая, палеопочвенная и седиментационная записи дополняют друг друга. Поскольку экологические функции палеопочв проявляются на фоне биологической эволюции, мы можем говорить о новой отрасли знаний – учении об экологии палеопочв.
Палеопочвы и стратиграфия.
Стратиграфия и корреляция отложений представляет собой одну из ключевых задач геологии. Известно, что геология приобрела статус науки с возникновением стратиграфии c ее концепцией геоисторизма. Поэтому совершенствование подходов и методов стратиграфии являются актуальными для геологической науки в целом. Уже на самых начальных этапах ископаемые остатки использовались для разделения и корреляции геологических слоев. В основу стратиграфии была положена эволюция биоты. В настоящее время стратиграфия претерпевает качественные изменения за счет расширения числа подходов и методов расчленения и корреляции отложений. Широко используются литостратиграфический, седиментационно-циклостратиграфический, магнитостратиграфический, геохимический и другие методы (Гладенков. 2004). По-прежнему наиболее важным методом остается биостратиграфия, поскольку в ее основе лежит необратимость развития органического мира, а часто и широкое распространение палеосообществ. Кроме того, биота является самым чутким элементом экосистем, и именно она, прежде всего, фиксирует те или иные абиотические изменения. Наряду с выделением крупных стратиграфических подразделений, чувствительность биомаркеров (высокое временное разрешение палеонтологической записи) позволяет использовать их и для выделения микростратиграфических единиц.
Необратимость эволюции в настоящее время очевидна и для педосферы, поэтому и палеопочвенная запись должна занять важнейшее место в стратиграфии (Global Soil Change…, 1990; Retallack, 2001).
Ключевая роль палеопочв в стратиграфическом разделении и корреляции пород основывается на том, что формирование палеопочв связано с перерывами в осадконакоплении. Однако роль палеопочв как стратиграфического репера долгое время недооценивалось в геологии. Как показано в предыдущем разделе, палеопочвенная и палеонтологическая записи прекрасно дополняют друг друга, притом, что как одной, так и другой записи присуща принципиальная неполнота. В геологической летописи остатки биоты часто сохраняются при отсутствии палеопочв. Но широко распространены случаи, когда остатки биоты не сохранились, и стратиграфическими маркерами выступают палеопочвы, которые могут содержать достаточно полную информацию о древних экосистемах.
Накопление систематических данных с использованием методов датирования и осознание значимости палеопочв как палеогеографического
Страница252
архива, привело к становлению педостратиграфического метода. Палеопочвы позволяют различать отложения различного возраста и играют ключевую роль для секвентной стратиграфии. Исследования палеопочв одного стратиграфического положения и их региональные и межрегиональные корреляции привели к разработке одного из фундаментальных понятий палеопочвоведения – Геосоль. Геосоль характеризуется выдержанной стратиграфической приуроченностью и протяженностью в пространстве (Paleopedology Glossary, 1997). В
настоящее время геосоли широко используются для межрегиональных корреляций горизонтов плейстоценовых лѐссово-почвенных серий (Bronger, 2003; Палеоклиматы и палеоландшафты…, 2009; и многие другие). Важным обстоятельством является и то, что палеопочвы – это индикаторы перерывов в седиментации и стабильности ландшафтов. По ним можно оценить временной интервал между циклами осадконакопления.
Опыт использования дочетвертичных палеопочв для целей стратиграфии и корреляции отложений весьма ограничен. Возможность использования палеопочв для корреляции отложений продемонстрирована при изучении верхнепермских палеопочв Московской синеклизы (Иноземцев, Таргульян, 2010). Успешный опыт использования палеопочв в качестве педостратиграфических единиц приведен нами при описании ожелезненных мел-палеогеновых палеопочв южной Европы (Vacca et al., 2011). Выявление стратиграфической значимости Геосоли Monte Maraconis позволило сделать три важных вывода: 1. Разрозненные находки палеопочв представляют собой части однотипного почвенного покрова, формировавшегося в пределах единого седиментационного бассейна, занимавшего северо-западное побережье океана Тетис; 2. Палеопочвы в пределах этого бассейна формировались в сходных ландшафтных условиях; 3. Характер почвообразования в пределах бассейна закономерно менялся, что отражало аридизацию климата при переходе от мела к палеогену. На фоне однотипного почвенного покрова авторы также отмечают и наличие пространственных вариаций в свойствах почв, определявшихся различиями почвообразующих пород (глинистые, песчаные и т.д. фации аллювия), условий увлажнения и пр. Это, однако, не противоречит использованию изученных почв как педостратиграфических единиц. Согласно определению международной палеопочвенной комиссии, понятие геосоль это не только определенная почва, а почвенный ландшафт (soilscape), отражающий закономерные пространственные вариации факторов почвообразования (фации геосоли, Paleopedology Glossary, 1997).
Современный подход к стратиграфии характеризуется внедрением системного анализа. Все чаще развитие стратиграфии связывается со стратиграфией экосистем. Будущая стратиграфия - это стратиграфия
Страница253
былых биосфер (по Вернадскому), а в региональном масштабе – палеоэкосистем (Гладенков, 2004). Теоретической основой экостратиграфии является экосистемная теория биологической эволюции, рассмотренная выше. Экостратиграфический метод базируется на этапах изменений сообществ организмов и абиотических компонентов внешней среды (Геккер, 1957). Он подразумевает палеоэкосистемный анализ на основе биологических, экологических и седиментационных характеристик, отражающий одновременно эволюцию биосфер и литосфер. С учетом задач развития теории стратиграфии необходимо также осознать роль палеопочв при экостратиграфическом анализе. Новейшие исследования палеопочв, как правило, основываются на комплексной стратиграфии (composite stratigraphy), один из первых примеров системного подхода к стратиграфии на основе педо- и литостратиграфических единиц приведет в работе (Morrison, 1998).
Интеграция палеопочвоведения в системе геосферных и биосферных наук.
Ключевая роль палеопочв в эволюции биосферно-геосферной системы все шире осознается смежными дисциплинами. Это приводит к тому, что исследования палеопочв принимают комплексный характер и становятся в центре новых междисциплинарных вызовов. Это проблемы эволюции биосферы на самых ранних этапах, коэволюция жизни и почв, глобальные изменения климата и др. Палеопочвоведение все шире интегрируется с разнообразными отраслями знаний. Так, для планетарных наук докембрийские палеопедолитосферы (коры выветривания, палеопочвы) – единственные достоверные свидетельства продолжительных континентальных обстановок в докембрии. Для палеоклиматологии палеопочвы позволяют реконструировать динамику содержания кислорода и углекислого газа в атмосфере, чередование аридных и гумидных циклов по циклотемам, лѐссово-почвенным сериям и пр.
Тесная связь палеопочвоведения и палеонтологии рассмотрена нами ранее (Добровольский, Макеев, 2009). Во все периоды геологической истории почвы являлись преимущественной средой обитания для существовавших в то время форм жизни. Именно поэтому палеопочвоведение часто рассматривают как раздел палеонтологии. Значение палеопочв для палеонтологии рассматривается в целом ряде публикаций (Retallack, 2001; Parrish, 1995; Stanley, 1998). С точки зрения палеонтологии палеопочвы могут рассматриваться и как ископаемые тела, содержащие информацию об экосистемах прошлого, и как консервирующая среда для многих видов ископаемых живых организмов. Дальнейший синтез палеонтологии и палеопочвоведения представляется неизбежным с учетом экосистемной теории эволюции. Синтез двух научных дисциплин палеонтологии и палеопочвоведения позволит полнее