ОТКРЫТИЕ ПОД НОГАМИ

Традиционно гумус изучают с точки зрения анализа его химических свойств, понимая под ним аморфное органическое вещество почвы, которое содержит питательные элементы, необходимые растениям, и играет важную роль в формировании разных свойств почв. Термин «формы гумуса» несколько непривычен для отечественного почвоведения, поскольку предполагает рассмотрение гумуса с морфологической точки зрения, хотя исторически именно она была исходной. Этот термин обозначает варианты строения верхней части почвенного профиля. Чередование почвенных горизонтов и все особенности их морфологии неслучайны: они четко отражают закономерности протекания процессов разложения растительных остатков, попадающих на поверхность почвы. По формам гумуса можно точно определить, какие именно почвенные животные утилизируют растительные остатки и насколько быстро это происходит. Например, если их активно перерабатывают дождевые черви, обитающие в лесной подстилке и в минеральных почвенных горизонтах, то формируются формы гумуса системы Mull; если в переработке участвуют только обитающие на поверхности дождевые черви — системы Moder; если разложение идет без участия крупных почвенных беспозвоночных, а преимущественно за счет грибов — системы Mor. По существу системы форм гумуса — это аналог класса в биологической систематике. В каждой системе представлено по три-четыре формы гумуса в зависимости от интенсивности процессов разложения. В ряду Mull—Moder—Mor снижается участие почвенных животных в переработке растительных остатков, уменьшается скорость их разложения, увеличивается мощность лесной подстилки, а область преимущественного накопления органического вещества смещается от минеральных горизонтов к органическим. Все это очень важно для оценки скоростей биологического круговорота и продуктивности экологических систем.

Как отметил доктор биологических наук Евгений Воробейчик, формы гумуса почвоведы исследуют уже без малого полтора века. Одно из наиболее значимых достижений последних лет — Европейская морфофункциональная классификация систем и форм гумуса, которая завоевывает все большую популярность среди почвоведов всего мира. Ее последняя версия, опубликованная в 2018 г., охватывает практически все разнообразие естественных форм гумуса. Однако антропогенные варианты представлены в ней наименее полно, а химически загрязненные почвы даже не упомянуты. Это досадный пробел, поскольку почвы загрязненных территорий очень специфичны: они отличаются от естественных аналогов не только высокими концентрациями загрязняющих веществ, но и характером протекания биологических, химических и физических процессов, а в итоге и морфологическим обликом. И хотя площадь, занимаемая загрязненными почвами, невелика относительно естественных аналогов, они интересны как модель быстрой эволюции почв под действием сильных внешних нагрузок. Изучение этой модели может быть полезным для оценки устойчивости почв и прогнозирования их изменений.

Ученые ИЭРиЖ изучают почвы лесов южной тайги, которые около 80 лет подвергались загрязнению от выбросов Среднеуральского медеплавильного завода. Накопление в них тяжелых металлов крайне негативно сказывается на почвенной фауне, что вызывает закономерную смену форм гумуса. Облик таких форм гумуса не отличается от естественных, а их смена аналогична изменениям при переходе, например, от южной тайги к северной или при подъеме в горах.

— Ситуация, с которой мы столкнулись, уникальна тем, что около десяти лет назад выбросы завода почти прекратились, и появилась возможность изучать процесс естественного восстановления экосистем, — поясняет кандидат биологических наук Ирина Коркина. — На самом деле, нам очень повезло. Когда несколько лет назад я только начинала работу и разбиралась с Европейской классификацией систем и форм гумуса, на наших участках еще не было заметно никаких признаков восстановления почв после прекращения выбросов и можно было исследовать изменения форм гумуса под действием загрязнения «в чистом виде». Если бы я тогда обнаружила эти нетипичные формы, то просто подумала бы, что для условий загрязнения Европейская классификация неприменима или я не могу с ней самостоятельно разобраться. А когда почвенная фауна начала заселять ранее обследованные загрязненные участки, стало возможно в режиме реального времени отследить процесс восстановления форм гумуса, который протекает очень быстро.

Оказалось, что на «обратном пути», когда концентрации металлов в верхних горизонтах почв начинают снижаться, а почвенные беспозвоночные (дождевые черви, энхитреиды, личинки двукрылых) возвращаются на покинутые места, формируются очень необычные формы гумуса. Было обнаружено более 20 таких не известных науке форм. Более того, семь из них даже не соответствуют какой-либо системе. В этих формах соединяются абсолютно не сочетаемые в естественных условиях признаки, характерные для разных систем гумуса: подобно мифическим химерам они как бы механически «составлены» из частей нескольких профилей. Например, хорошо переработанные дождевыми червями верхние слои подстилки, которые типичны для почв умеренного климата в условиях оптимальной температуры и влажности (система Mull), лежат на толстом слое совершенно нетронутого разложением растительного материала, который характерен для холодных и переувлажненных северных лесов (система Mor). Ученые назвали эти формы гумуса Mormull.

— Фактически в ряду нетипичных форм запечатлен процесс возврата деградированных почв к исходным, существовавшим на загрязненной территории до начала воздействия завода, — отмечает Евгений Воробейчик. — На основе анализа более 1100 профилей, описанных на участках с разным уровнем загрязнения, была построена подробная схема превращения одних форм гумуса в другие. Оказалось, что «движение туда» (при увеличении загрязнения) не зеркально «движению обратно» (при его уменьшении). Ключевую роль в обоих процессах играют дождевые черви, а главный драйвер — увеличение или уменьшение токсичности почв.

Для обнаруженных нетипичных форм гумуса нужно было придумывать буквально все: и новые названия, и типологию. Далеко не сразу удалось расшифровать пути их эволюции. Мы предложили включить новые формы гумуса в Европейскую классификацию, подобно тому как это сделано для других вариантов антропогенно преобразованных почв. Наша работа имеет и прикладное значение: на основе анализа спектров форм можно оценивать здоровье почв и прогнозировать его изменения, что важно для управления почвенными ресурсами.