Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Для всех типов почв экстремальных условий проведена оценка качественных и количественных параметров записи информации о почвенных, экзогенных, эндогенных и антропогенных процессах. Выявлено, что запись в экстремальных почвах отличается от записи почв, развивающихся в оптимальных условиях. Отличия связаны как с уменьшением, так и с увеличением объема записанной информации. В большинстве экстремальных почв хранится больше информации о непочвенных процессах – эндогенных (в случае вулканических почв), экзогенных (в случае аллювиальных слаборазвитых почв) или антропогенных (почвы на культурных слоях). Максимальный объем информации как о почвенных, так и об антропогенных процессах содержится в антропогенных экстремальных почвах, например в почвах древних поселений. Как в Восточной Антарктиде, так и в Арктике под воздействием эпилитных (наскальных) лишайников трех разновидностей (накипной, листоватой и кустистой) развиваются процессы преобразования минералов породы (рассматривались гранитоиды и гнейсы). Выветривание первичных минералов, прежде всего полевых шпатов, обусловлено активностью микобионта (т.е. гриба – одной из составляющих лишайника), выделением им внеклеточных органических кислот. Это приводит к выраженному травлению поверхности первичных минералов (полевых шпатов), образованию слабоупорядоченных продуктов выветривания, формированию пленок из аморфного кремнезема, а также выпадению кристаллов оксалатов в зоне контакта лишайник-порода, и в поровом пространстве породы на глубине нескольких мм. Такие агенты, как, например, щавелевая кислота и другие слабые органические кислоты мобилизуют железо и алюминий. При увлажнении породы возможна миграция этих элементов на небольшие расстояния и выпадение их на окислительном геохимическом барьере на дневной поверхности плотной породы. Слабоокристаллизованные формы (гидр)оксидов железа были найдены в верхнем 1 мм от дневной поверхности породы, а также в окрестностях гифов ("микрокорней") микобионта, проникающих в слоистую структуру слюдистых минералов. В результате в ряде случаев закладываются почвоподобные микропрофили с образованием зон обедненных железом и обогащенных этим элементом. Такой процесс является близким аналогом почвенной дифференциации вымывания-вмывания, в особенности учитывая, что нами была зафиксирована и вовлеченность соединений алюминия. В случае истинной эпилитной формы лишайника фотобионт (зеленая составляющая лишайника: водоросли или цианобактерии), как правило, находится в теле лишайника и его взаимодействие с породой ограничено. В случае эпи-эндолитных (на скале и внутри скалы) форм, например, цианобактерии находятся в поровом пространстве породы и могут в полной мере реализовывать свой потенциал по выветриванию. Такой потенциал очень большой и связан с локальным сдвигом pH (показателя кислотно-щелочного состояния среды) в биопленке до 3-4 единиц (способствует выветриванию полевых шпатов) или, наоборот, до 9 единиц в момент фотосинтеза (способствует выветриванию кварца). По предварительной оценке встречаемость и выраженность эпи-эндолитных форм лишайников выше в Восточной Антарктиде, чем в Арктике (Земля Франца-Иосифа, Новая Земля). Анализ данных по субаквальным (подводным) почвам в различных регионах мира позволил заключить, что наибольший интерес в рамках настоящего проекта представляет изучение вариантов, в которых экстремальность субаквального почвообразования сочетается с другими экстремальными воздействиями. Например, в приморских ландшафтах почвы эстуариев или маршевые разности подвергаются сильному засолению, в том числе сульфидному. Другой пример – субаквальное почвообразование в климатически экстремальных условиях Антарктиды на озерных мелководьях и так называемое амфибиальное или земноводное почвообразование на периодически затопляемых берегах озер, когда субаквальная стадия чередуется с субаэральной. Смягчение климатической экстремальности в периодически затопляемых амфибиальных почвах осуществляется не только за счет исчезновения основного лимитирующего фактора в оазисах – недостатка жидкой влаги, но и значительных запасов органического вещества преимущественно водорослево-бактериального происхождения. Были выявлены мощные органопрофили (до 1 м) в таких почвах. Содержание органического углерода в верхних 10 см достигает 13%, а запасы в метровом слое – 8,2 кг/м2, что в несколько раз превышает запасы в любых других типах почв оазисов. Органическое вещество амфибиальных почв представлено в основном разложенными остатками водорослево-бактериальных матов (похожих на ковры покровов), которые сформировались благодаря активному криогенному (связанному с замерзанием) измельчению погребенных органических остатков. Субмикроморфологическое исследование под электронным микроскопом показало также наличие тонкодисперсного органического вещества, тесно связанного с частицами глинистых минералов. В профилях амфибиальных почв оазиса Холмы Ларсеманн имеются мощные глеевые горизонты (до 30 см). В них четко выделяются зоны восстановления и окисления железа, определяются его двухвалентные формы, что говорит об актуальных процессах преобразования соединений железа, а не об их исключительной унаследованности от озерной стадии. Ни в каких других переувлажнённых почвах оазиса не фиксируются процессы оглеения. В амфибиальных почвах активные окислительно-восстановительные процессы связаны именно с достаточным количеством органического вещества. В краевой зоне покровного ледника оазиса Ширмахера, Восточная Антарктида, формируются участки, в которых накапливается органическое вещество по свойствам сопоставимое с накапливаемым в некоторых почвах оазиса; значимым источником биогенных элементов (углерода, азота) для почв оазиса является мелкозем из криоконитовых «стаканов» (мелких углублений в леднике, где происходит накопление привнесенного ветрами мелкозема и органических остатков), вытаявших из покровного ледника. Материал, вытаявший из таких «стаканов» в леднике может являться источником древнего углерода для почв оазиса. Снежники, как многолетние, так и однолетние не являются значимыми резервуарами для накопления углерода в оазисе. Систематизировано типологическое разнообразие подземных пещерных экосистем и формирующихся в них солоидов (микропочв, почвоподобных тел). Различные подходы к классификации подземных полостей и пространств могут включать такие формальные признаки как происхождение и геологическое развитие, особенности вмещающих горных пород, геохимические показатели среды, микроклиматические условия, характер взаимосвязи с дневной поверхностью и недрами. Важнейшим критерием является характер поступления и трансформации органического вещества, который определяет направление дальнейшего выветривания и почвообразования, а также развития биоты. Среди типов экосистем подземных пространств по характеру энергетики и особенностям цикла углерода следует выделять: а) аккумулирующие углекислоту из атмосферы (биологические процессы хемосинтеза или фотосинтеза при наличии источников освещения); б) трансформирующие органическое вещество горных пород; в) трансформирующие органическое вещество поверхностного источника (включая привнос твердых субстанций и растворимых компонентов водными, воздушными потоками, животными или человеком). Отдельное место в этой системе занимают фототрофные (т.е. содержащие организмы, способные к фотосинтезу) сообщества организмов подземных местообитаний, которые формируются в «привходовых» зонах подземных объектов под воздействием рассеянного света низкой интенсивности, а также под источниками постоянного искусственного света. Они участвуют в трансформации поверхностных слоев материнской породы и образуют фронтальные структуры, напоминающие микроскопические почвенные горизонты. Основными механизмами влияния фототрофов на поверхность горной породы пещеры являются: выделение слабых органических кислот, локально растворяющих карбонатные породы и мобилизующих ряд катионов (в первую очередь железо); поглощение из субстрата элементов необходимых для минерального питания; перехват и поглощение диоксида углерода и кислородных потоков в результате фотосинтеза и дыхания, соответственно; изменение рН среды; привнесение нового органического вещества. В результате выполнения проекта показано, что после снятия антропогенной нагрузки, экспонированные постселитебные почвы (почвы на месте бывших деревень и городов) не возвращаются к исходному состоянию, формируя новый тип почв, для которых характерно повышенное содержание валового фосфора, органического вещества и т.д. Часто эти почвы обогащены карбонатами кальция, редко – сульфатами кальция. Во всех случаях постселитебные почвы содержат находки, свидетельствующие об их прошлом функционировании как культурного слоя. В почвах постагрогенного (заброшенные древние пашни) тренда развития могут спустя длительный срок восстановиться свойства почв зонального ряда, но в них сохраняется максимум фитолитов (кремнистых новообразований в растениях, наподобие «камней в почках») на уровне бывшей плужной подошвы с участием форм, характерных для культурных злаков. В условиях снижения антропогенной нагрузки в сельских и городских селитьбах лесостепной и степной зон отмечаются признаки восстановления профиля естественных фоновых почв на культурных слоях. Это наиболее ярко проявляется на месте прекративших свое существование городов и сельских населенных пунктов. Для городов лесной зоны (Великий Новгород, Ростов Великий, Старая Ладога и др.) характерны органические слои, представляющие собой торфообразную массу с большим количеством щепы. В городах степной и лесостепной зон формируются малогумусные минеральные слои, обычно лёссообразные. В лесостепной и степной зонах отмечаются признаки восстановления профиля естественных фоновых почв на культурных слоях прекративших свое существование городов и сельских населенных пунктов. Однако высокий уровень загрязнения тяжелыми металлами в случае интенсивной антропогенной нагрузки остается часто слабо измененным даже в случае восстановления естественной растительности. Напротив, в лесной зоне, профиль органических культурных слоев может оставаться неизменным в режиме восстановления под естественной растительностью в течение долгого времени (до нескольких тысячелетий). Для почв под навесами и "экранами" (перекрытия мостов, гроты и т. п.) в городах характерны угнетенное состояние биоты, монодоминантные фитоценозы, часто признаки ветровой эрозии, слабое развитие гумусового горизонта. Предположительно за 50 лет появляется уплотненный карбонатный горизонт. По сравнению с фоном значения pH в среднем более щелочные, понижено содержание гумуса, повышено содержание таких микроэлементов, как медь, цинк, свинец, мышьяк, сурьма. На территории размещения отходов и в зонах их влияния (Курск, Льгов) формируются слаборазвитые, поверхностно- и химически-преобразованные почвы, техно-почвы и техногенные поверхностные образования. Техногенная трансформация почв определяется повышенным, в ряде случаев аномальным содержанием в них тяжелых металлов, изменением морфологических и физико-химических свойств, что привело к качественно новым, по сравнению с природными аналогами, особенностям внутрипрофильной дифференциации химических элементов. Каменные тротуары в пешеходных зонах Москвы и других современных городов представляют собой систему из регулярно чередующихся плит (в основном гранитных и бетонных) и разделяющих их трещин, заполненных мелкоземом. В таких субстратах возможно формирование антропогенно- и литогенно-экстремальных почв и почвоподобных тел. Переход от асфальта к плиточному покрытию приводит к увеличению на 1-15% пространственной доли почвенных образований в межблочных позициях. В самих каменных плитах также поселяются организмы (например, цианобактерии и грибы), которые взаимодействуют с минеральными компонентами. В результате даже в каменном покрытии закладываются почвоподобные микропрофили. Выявлено, что различные комбинации мохово-лишайниковых и микробных фотоавтотрофов, обитающих в межблочном пространстве, вносят заметный вклад в увеличение запасов углерода и азота в каменных тротуарах пешеходных зон городов. В 2017 году была продолжена работа над созданием WEB-атласа по древним палеопочвам и почвам экстремальных условий. В том числе в него были внесены уникальные объекты - мезозойские среднеюрские (сформировались ~ 170 миллионов лет назад) палеопочвы, впервые описанные в карьерах Московской области. Для анализа экстремальных почв и почвоподобных тел не всегда применимы методы традиционного почвоведения. Благодаря высокотехнологичному аналитическому оборудованию, в том числе приобретенному за счет проекта РНФ, нам удалось разработать и применить свою стратегию исследования таких объектов современными инструментальными методами.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В завершающем проект 2018 году стало понятно, что идея экстремального генетико-географического почвоведения (extreme pedology) положительно воспринимается мировым научным сообществом. На 21м Мировом конгрессе по почвоведению (2018, Рио-де-Жанейро) международный научный организационный комитет утвердил проведение соответствующего симпозиума - Soil pedogenesis and diversity in extreme environments. На него было подано 30 (из России 5) заявок на доклады из 10 стран, представляющих все континенты, кроме Австралии. На устной сессии аудитория состояла из более 100 слушателей. Участники сессии после ее завершения предложили организовать специальный номер научного журнала Geoderma Regional по почвам экстремальных условий. Эта идея была полностью поддержана главным редактором журнала, и работа над спецвыпуском уже началась. Интерес к теме подтверждает и тот факт, что статьи участников проекта активно принимаются в международные научные журналы, в том числе, состоящие в первом квартиле (Q1). За короткий срок проекта к 2018 году уже имеется 58 ссылок в системе Web of Science на статьи, изданные в рамках его выполнения. В 2018 году были выполнены как обобщающие работы, так и получен новый фактический материал. Подготовлена монография «Теория педогенеза и эволюции почв», которая впервые охватывает не только традиционные «докучаевские» почвы, но также и почвы и солоиды (почвоподобные тела), характерные для экстремальных условий. В начале следующего года выходит статья «Extreme Pedology: Elements of Theory and Methodological Approaches». Подготовлен также проспект монографии, которая будет итоговым продуктом проекта, - «Почвообразование и география почв экстремальных условий» / «Extreme pedology». Она будет состоять из 42 глав, объединенных в 5 разделов: Теория и методология экстремального географо-генетического почвоведения, Особенности почвообразования в различных классах экстремальности, География экстремальных почв, Экстремальные почвы в истории Земли и их ближайшие современные аналоги, Поведение экстремальных почв во времени. Ее реализация предполагается в 2019-2020 гг. Создан интернет-портал «Экстремальные почвы в геологической истории Земли» (www.paleosoil.ru). Вся информация хранится непосредственно в базе данных ресурса. В базу данных ресурса вошли все материалы, полученные за 5 лет реализации проекта, а также значимые примеры экстремальных почв из литературных источников. Паспорта объектов (палеопочв) имеют четкую иерархию и соответствующие ей поля в базе данных. Ресурс обеспечивает публикацию связанных материалов: статей, баз знаний, картографических материалов, иллюстраций и др. В 2017-2018 году на средства проекта был приобретен изотопный масс-спектрометр AMSprecisiON IRMS (Elementar, UK). Этот масс-спектрометр стал последним блоком в системе AGE3-CHNS анализатор-IRMS (первые два блока были приобретены и запущены в рамках выполнения проекта в 2014-2016 гг). Основным блоком этой системы является система графитизации AGE3- первая в мире полностью автоматическая установка для графитизации образцов для радиоуглеродного датирования с применением ускорительной масс-спектрометрии (AMS). Порядковый номер нашей системы 16, всего в мире их на настоящее время действует около 50. Эта система разработана в Цюрихском технологическом университете (ETH) и произведена фирмой Ionplus – первой в мире компанией, которая специализируется на разработке и выпуске оборудования для AMS датирования. CHNS анализатор и IRMS используются как при графитизации образцов (перевод образцов в газообразное состояние, определение содержания углерода и азота и их изотопного состава в графитизируемых образцах), так и могут быть использованы как отдельные приборы, для выполнения соответствующих определений. Таким образом за пять лет реализации проекта (3+2) нам удалось построить, запустить и провести все тестовые испытания, включая сверочное датирование полученных графитов для системы пробоподготовки образцов для AMS аналогов которой на настоящее время в России нет. В рамках выполнения проекта это позволило нам получить уникальные данные о возрасте почв и почвоподобных тел оазисов Восточной Антарктиды, палеопочв с низким содержанием углерода, о формировании и функционировании уникальных экосистем и солоидов пещер, и др. Были также получены большие массивы данных по определению углерода, азота и их изотопного состава для многих объектов исследования в рамках проекта. Более конкретными результатами проекта в 2018 году стали следующие. На основе данных по земным почвам и солоидам (почвоподобным телам), а также информации о продуктах взаимодействия среды и породы в космическом пространстве, была составлена шкала глубин взаимодействия в системе «среда-субстрат» на земных и внеземных объектах и определено место почв на ней. Она показывает, что взаимодействия осуществляются в весьма широком диапазоне глубин от десятков нанометров (нано-кайма на космических телах) до первых десятков метров (коры выветривания). Почвы занимают довольно узкий диапазон глубин – от первых сантиметров до первых метров. В рамках работы по проекту была разработана систематика почв катастроф (почв пост-катастрофического функционирования). Эту большую группу почв по основному формирующему фактору можно разделить на две группы: природные и антропогенные. В горных районах можно отметить террасирование склонов, поселения; на равнинах это распашка земель и селитьба. Во всех случаях происходят резкие изменения геохимии и морфологии почв, нарушаются энергетические и биохимические взаимосвязи и балансы. На примере модельных объектов – современных кор выветривания тропических островов Тихого океана – выявлена специфика образования макси-солоидов, то есть почвоподобных тел, формирующихся в условиях экстремального избытка ресурсов (высокая энергетика, осадки 1800-2500 мм/год, длительность выветривания n x 10^4-5). Установлены принципиальные различия процессов и продуктов выветривания пород, содержащих и не содержащих в породообразующих количествах слоистые алюмосиликатные минералы. Составлена обобщающая модель, учитывающая особенности формирования эндолитных, эпилитных и эпи-эндолитных дефицит-ресурсных почвоподобных тел (минисолоидов) в современных климатически- и литогенно- экстремальных условиях. Климатическая экстремальность затрудняет или полностью прекращает эпилитную колонизацию плотных пород и формирование эпилитных минисолоидов. В связи с этим встречаемость истинно эндолитных сообществ и минисолоидов в Антарктиде, высокой Арктике, экстааридных регионах и высокогорьях выше по сравнению с другими регионами. Литогенный фактор является главным регулятором эндолитной колонизации и глубины профилей эндолитных минисолоидов. Получены данные о профильном распределении стабильных изотопов углерода и азота в солоидах пещер, которые свидетельствуют о накоплении в них «тяжелых» изотопов углерода (13С) и азота (15N) в результате деструкции органического вещества. Проведена оценка запасов органического углерода в объектах нивально-гляциального комплекса в оазисе Ширмахера (Восточная Антарктида) и почвах под моховой растительностью, формирующихся на типовом ключевом участке. Были оценены пулы органического углерода в следующих объектах: в криоконитовом материале (мелкозем, который накапливался на поверхности, а потом вытаивал в краевой зоне покровного ледника), в однолетних и многолетних снежниках, а также в почвах. Суммарный пул органического углерода для этого участка составил 26 Мг. Пул углерода криоконитового материала составил 51,0% от общего пула, 47,5% пришлось на почвы, и около 1,5% - на мелкозем снежников. Таким образом, для экстремальных условий Восточной Антарктиды вклад криоконитового материала в общий пул углерода больше, чем собственно вклад почв. Выявлено, что основным механизмом образования пленок загара в пустыне Негев (Израиль) и на скалах в пустыне Сонора является аккреция, то есть накопление эоловых частиц на поверхности. Это дополняет понимание формирования пустынного загара в различных экстремальных условиях мира. Выявлено, что для наиболее засушливых, холодных и континентальных условий Южной Сибири наиболее характерным и доминантным компонентом являются криоаридные почвы. На основании материалов, полученных в рамках проекта, верифицирована и уточнена типовая диагностика криоаридных и палевых почв, верифицировано и дополнено их подтиповое деление. Проанализировано разнообразие культурных слоев: включенных в профиль природных почв, культурных слоев; в значительной степени трансформирующих профиль почв; и мощных культурных слоев – урбоседиментов, полностью разрушающих или перекрывающих (погребающих) исходные природные почвы. Различия в траекториях развития органических (орто-экстремальных) и минеральных (пара-экстремальных) урбоседиментов определяются характером накопления антропогенного материала, но в еще большей степени, условиями и интенсивностью трансформации органической его составляющей на обоих этапах развития урбоседиментов – накопления и преобразования (постседиментационном). Исследованные культурные слои пустынных древнедельтовых ландшафтов Сырдарьи обнаруживают чёткие географические и геохимические закономерности в распространении педогенных признаков и формирующих их процессов. Набор и обилие антропогенных признаков в каждом культурном слое отражает, прежде всего, характер и интенсивность антропогенного использования территории в период функционирования поселения. В то же время встречаемость некоторых антропогенных признаков обусловлена также внутрипочвенными условиями в постантропогенный период. В современных городах эндолитные организмы колонизируют не поверхности каменных объектов, а их внутренний объем, точнее поровое пространство. Особенно подвержены эндолитной колонизации объекты, выполненные из гранита с повышенным содержанием пропускающих свет минералов, а именно кварца и полевых шпатов, а также объекты, выполненные из карбонатных пород. Колонизация, отмеченная уже на 4й год после укладывания свежих плиток, идет по двум направлениям – цианобактериями и актинобактериями (прокариотами) осваивается криптоэндолитная ниша (мелкие округлые поры, скрытые внутри плитки), а эукариотами (одноклеточными зелеными водорослями, мицелиальными грибами) покрыты стенки относительно крупных трещин (>20 микрон в поперечном сечении), раскрывающихся к дневной поверхности. В таких трещинах также накапливаются тонкие фракции мелкозема. Дана оценка состояния почв в районах размещения свалок и полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) на основе ландшафтно-геохимических методов. Техногенное воздействие на среду и почвы обусловлено: 1) изъятием земель для организации объектов, до нескольких десятков гектар, 2) образованием фильтрационных вод с токсичными компонентами при разложении ТБО, 3) образованием биогаза. Химическое загрязнение тяжелыми металлами поверхностных горизонтов почв и техногенных поверхностных образований характерно для территорий складирования ТБО и зон их влияния вне зависимости от климатических условий, способов обращения с отходами и этапов функционирования («жизненного цикла»). Содержания Cr, Ni, Cd, Ba, Pb, Cu, Zn и др. в поверхностных горизонтах превышают фоновые значения в 10-1000 раз. Степень их загрязнения оценивается как чрезвычайно опасная по принятым нормативам (Zc>128). Опасность для среды представляют также погребенные свалки, в которых при разложении органического вещества в анаэробных условиях происходит образование диоксида углерода и метана, и, как результат, их концентрация в почвенном и приземном воздухе. При возникновении периодического подтопления в них формируются «метаново-углекислотные аномалии», а запечатывание территории под асфальтобетонным покрытием способствует накоплению газов в газогенерирующем слое (до 2% CH4 и 12% CO2), так как не работает почвенно-бактериальный фильтр. Выявлено, что развитие почв в пойме рек Волги, Оки, Москвы и их притоков в течение голоцена проходило под влиянием климата, эрозионно-седиментационных процессов, изменений гидрологического режима и биоты, а также антропогенных воздействий. Активизация флювиальных процессов, связанная как с природными, так и с антропогенными факторами, проявляется в увеличении скорости накопления аллювия и изменении его состава. Экстремальная интенсивность флювиальных процессов характерна для XVII-первой половины XX вв. Проведена межконтинентальная корреляция оптимальных и экстремальных фаз в развитии палеопочв в финальном плейстоцене (на примере Центрального Мексиканского плато и Среднерусской возвышенности). Обобщение записей показывает, что история развития ландшафтов Трансмексиканского вулканического пояса и Восточно-Европейской равнины была сложной и насыщенной разноранговыми событиями. Большое влияние на формирование этих ландшафтов оказывали местные локальные и региональные факторы: саморазвитие речных долин, периодичность и сила извержений вулканов и неотектонических подвижек и т.д. Однако, ведущая роль принадлежит климатическим изменениям – ритмам разной иерархии и общим трендам в плейстоцене. По результатам исследования серии плакорных разрезов в области плейстоценового оледенения Восточно-Европейской равнины и опорного плакорного разреза «Ямская степь» южного макросклона Среднерусской возвышенности выявлено принципиальное сходство климатической экстремальности позднеплейстоценового почвообразования для этих регионов. Впервые обоснован непрерывный характер плакорного педолитогенеза для ледниковых областей.