Палеопедология - Paleopedology

Палеопедология (палеопедология в объединенное Королевство ) - это дисциплина, изучающая почвы прошлых геологических эпох, от совсем недавних (Четвертичный ) до самых ранних периодов земной шар история. Палеопедологию можно рассматривать как раздел почвоведение (почвоведение ) или палеонтология, поскольку используемые методы во многом представляют собой четко определенную комбинацию двух дисциплин.

История

Самые ранние разработки палеопедологии возникли в результате наблюдений в Шотландия около 1795 года, в результате чего было обнаружено, что некоторые почвы в скалах, по-видимому, являются остатками бывшей открытой поверхности земли. В девятнадцатом веке было много других находок бывших почв повсюду Европа и Северная Америка. Однако большая часть этого была обнаружена только при поиске животное и / или растение окаменелости, и только после того, как почвоведение впервые развилось, погребенные почвы прошлых геологических эпох не считались ценными.

Только тогда, когда первые отношения между почвами и климат наблюдались в степи из Россия и Казахстан что был какой-то интерес в применении находок бывших почв к прошлым экосистемам. Это произошло потому, что к 1920-м годам некоторые почвы в России были обнаружены К.Д. Глинка которые не соответствовали нынешнему климату и в прошлом рассматривались как пережитки более теплого климата.

Юджин В. Хилгард в 1892 г. имел родственные почвы и климат в Соединенные Штаты таким же образом, и к 1950-м годам прочно утвердился анализ четвертичной стратиграфии для отслеживания недавних изменений окружающей среды в северном полушарии. Эти разработки позволили классифицировать окаменелости почвы в соответствии с Таксономия почв USDA довольно легко со всеми современными почвами. Интерес к более ранним окаменелостям почвы рос гораздо медленнее, но неуклонно развивался с 1960-х годов благодаря развитию таких методов, как дифракция рентгеновских лучей которые позволяют их классифицировать. Это позволило многим разработкам палеоэкология и палеогеография происходить, потому что химический состав почв может предоставить множество доказательств того, как жизнь перемещалась на сушу во время Палеозойская эра.

Поиск окаменелостей почвы и их структуры

Остатки бывших почв можно найти либо под отложениями. осадок на неледных участках или на очень крутых скалах, где старая почва видна под молодой современной почвой. В случаях, когда вулканы были активны, некоторые окаменелости почвы встречаются под вулканическим пеплом. Если осаждение отложений продолжится, сформируется последовательность окаменелостей почвы, особенно после отступления ледники вовремя Голоцен. Окаменелости почвы могут также существовать там, где более молодая почва была размыта (например, ветром), как в Бесплодных землях южная Дакота. (Кто-то должен исключать районы, где современные почвы являются реликтами бывшего более влажного климата, как и Австралия и Южная Африка. Почвы этих регионов являются собственными палеопочвы.)

Ископаемые остатки почвы, захороненные или обнаженные, подвержены изменениям. Это происходит главным образом потому, что почти все прошлые почвы утратили свой прежний растительный покров, а органическое вещество, которое они когда-то поддерживали, использовалось растениями с момента захоронения почвы. Однако, если можно будет найти остатки растений, природу окаменелостей почвы можно будет гораздо яснее, чем если бы не было никакой флоры, потому что в настоящее время корни можно идентифицировать по растение группа, из которой они происходят. Шаблоны корневые следы включая их форму и размер, это хорошее доказательство того типа растительности, который поддерживала бывшая почва. Голубоватый цвет почвы указывает на то, что растения мобилизовали питательные вещества в почве.

Горизонты ископаемых почв обычно четко очерчены только в верхних слоях, если только часть материнского материала не была уничтожена почвообразованием. Однако типы горизонтов в ископаемых почвах в основном такие же, как и в современных почвах, что позволяет легко классифицировать в современной таксономии все почвы, кроме самых старых.

Анализ

Vertisol paleosol Watervol Onder.

Mollisol в Дейвилле, штат Орегон.

Химический анализ окаменелостей почвы обычно фокусируется на их Лайм содержание, которое определяет как их pH, так и их реактивность при разбавлении кислоты. Также полезен химический анализ, обычно экстракция растворителем для определения ключевых минералов. Этот анализ может быть полезен при определении структуры окаменелости почвы, но сегодня дифракция рентгеновских лучей предпочтительнее, потому что она позволяет определить точную кристаллическую структуру бывшей почвы.

С помощью дифракции рентгеновских лучей палеопочвы теперь можно классифицировать в один из 12 порядков таксономии почв (Оксисоли, Ультисоли, Альфизоли, Моллисоли, Сподосолы, Аридизоли, Entisols, Инцептизолы, Гелисоли, Гистосоли, Вертисоли и Andisols ). Много Докембрийский почвы, однако, при исследовании не соответствуют характеристикам для любой этих почвенных заказов и были помещены в новый порядок, называемый зеленые глины. Зеленый цвет обусловлен присутствием некоторых неокисленных минералов, обнаруженных в примитивной земле, потому что О₂ нет. Есть также некоторые лесные почвы более позднего времени, которые нельзя однозначно классифицировать как альфизоли или сподосоли, потому что, несмотря на их песчаные горизонты, они недостаточно кислые, чтобы иметь типичные черты сподосолей.

Важность

Палеопедология - важная научная дисциплина для понимания экологии и эволюции древних экосистем как на Земле, так и в развивающейся области исследований экзопланет, или Астропедология. [Раздел в настоящее время находится в разработке.]

Модели

Различные определения, применяемые к почвам, указывают на разные подходы к ним. Там, где фермеры и инженеры сталкиваются с различными почвенными проблемами, почвоведы снова имеют иное мнение (Johnson & Watson-Stegner 1987^[1]). По сути, эти разные взгляды на определение почвы представляют собой разные теоретические основы для их изучения (Retallack 2001^[2]). Почвы можно рассматривать как открытые системы, поскольку они представляют собой границу между землей и атмосферой, где материалы переносятся и изменяются. Существует четыре основных типа потоков: сложение, вычитание, перенос и преобразования (Simonson 1978;^[3] Андерсон 1988^[4]). Примеры добавления могут включать минеральные зерна и опавшие листья, а вычитания могут включать поверхностную эрозию минералов и органического вещества. Перенос включает перемещение материала в почвенном профиле, а трансформации - это изменение состава и формы материалов в почве.

Почвы также можно рассматривать как преобразователи энергии, поскольку они представляют собой физические структуры материала, которые модифицируются естественными процессами. Солнце является основным источником энергии для почв и значительно перевешивает любое тепло, выделяемое при радиоактивном распаде, исходящем из глубины земной коры. Осаждение отложений, добавление грунтовых вод или дождя также можно рассматривать как выигрыш в энергии, потому что новые минералы и вода могут изменить ранее существовавшие материалы в почве. Эти процессы в сочетании с количеством энергии, доступной для их подпитки, создают профиль почвы.

Другой способ рассматривать почвы - это экологические продукты, которые в течение определенного периода времени формируются из доступных для них материалов. Большое количество влияний, влияющих на формирование почв, можно упростить до пяти основных факторов: климат, организмы, топографический рельеф, материнский материал и время (Jenny 1941;^[5] Buol et al. 1997 г.^[6]). Эти пять факторов можно легко запомнить, используя аббревиатуру «CLORPT». Эти категории полезны для мысленного рассмотрения тех аспектов, которые произошли во время образования почвы или палеопочвы. Что еще более важно, CLORPT дает теоретическую основу при создании естественных экспериментов для изучения почвообразования. (Retallack 2001^[2])

Климат

Когда впервые было основано почвоведение, климат считался одним из важнейших факторов формирования почвы. Например, в регионах с умеренным климатом широко распространены кислые песчаные сподосоли, а в тропических регионах распространены красные глинистые оксисоли. Тенденция к использованию климатических данных для классификации почв была поставлена ​​под сомнение из-за попыток основать классификацию почв на наблюдаемых особенностях почв. Эта тенденция вызывает сожаление, поскольку палеоклиматы не могут быть интерпретированы по палеопочвам, идентифицированным с использованием палеоклиматических данных. К счастью, идентификация палеопочв с использованием климатических данных меняется. Например, определение аридизолей было пересмотрено (Soil Survey Staff 1998^[7]) как почвы, имеющие известковый горизонт глубиной менее 1 метра.

Термины климат и Погода иногда взаимозаменяемы в современных языках, но имеют очень разные научные значения. Погода - это рекорд температуры, осадков и влажности, о котором ежедневно сообщают в Интернете, газетах и ​​по телевидению. И наоборот, климат - это среднее значение данных, собранных из метеорологических отчетов, обычно за 30-летний период, которые отражают эти наблюдения. Данные о погоде, используемые для определения климата, основаны на конкретных метеостанциях, которые обычно выбираются с учетом условий, существующих в окружающем регионе (Müller 1982^[8]). Тем не менее, открытые высокие хребты и местные промерзшие котловины не считаются региональными метеостанциями, поскольку они представляют микроклимат и значительно отличаются от регионального климата, хотя они важны для небольшой флоры и фауны.

Подобно обнаженным высоким гребням и микроклиматам местных морозных котловин, почвенный климат также является особым видом микроклимата. Это относится к влажности, температуре и другим климатическим показателям, которые находятся в порах почвы. Например, в хорошо дренированных почвах почвенный климат представляет собой несколько сдержанную версию регионального климата. В заболоченных почвах почвенный климат не связан с региональным климатом, потому что температура и насыщение кислородом заболоченных почв больше зависят от местных путей и скорости грунтовых вод, чем от атмосферных условий. Оценки других типов почвенного климата в настоящее время начинают находить свое отражение в классификации почв, моделях почвообразования и в исследовании биология почвы.

Классификация климата по палеопочвам может быть связана с использованием чувствительных к климату характеристик почв, которые чувствительны к определенным климатическим переменным, но даже лучшим из этих характеристик не хватает точности. Это связано с тем, что почвы не так чувствительны, как метеорологические приборы для регистрации климатических условий. Однако в довольно широкой категории климат можно интерпретировать, исходя из чувствительных особенностей почв. Одно из самых масштабных влияний на классификацию климата было создано в 1918 году, а затем за два десятилетия изменилось немецким метеорологом. Владимир Кеппен (Trewartha 1982^[9]). Он предложил пять основных климатических групп (Классификация климатов Кеппена ), каждый из которых соответствует основным типам наземной растительности. Каждый тип климата обозначается буквами, при этом заглавные буквы относятся к основным климатическим группам, а строчные буквы - к дополнительным климатическим характеристикам. (Retallack 2001^[2])

Организмы

Пчелиное гнездо ихнофоссилии Вайоминга.

Крупные растения - лишь часть организмов, играющих роль в почвообразовании. Например, грибы тесно связаны с корнями многих сосудистые растения путем обеспечения доступа к таким питательным веществам, как азот и фосфор, которые могут использоваться их растениями-хозяевами, и играть важную роль в возвращении органических веществ в почву путем разложения опада из листьев. Список организмов, которые взаимодействуют с почвой и воздействуют на нее, обширен, и именно эти взаимодействия позволяют сделать вывод о наличии палеопочв. Не только отдельные организмы можно интерпретировать из палеопочв, но и из древних экосистем. Почвенное взаимодействие растений отличается от сообщества к сообществу. У каждого из них есть отчетливые образцы корневых следов, структура почвы и общая форма профиля. Выявление этих особенностей полезно для обеспечения общей оценки влияния прошлых организмов на любую конкретную палеопочву. Однако квалифицировать эти общие эффекты жизнедеятельности организма может быть сложно, потому что уровень их проявления так же связан с их природой, как и с количеством времени, доступным для образования почвы. Даже когда окаменелости палеопочв понятны, гораздо больше можно узнать об их сохранении, экологии и эволюции, изучая палеопочвы, в которых они обитали.

Ископаемые пни в палеопочве.

Окаменелые следы, норка, или же копролит (ископаемые фекалии), являются примерами следов ископаемых (ихнофоссилии ). Эти следы окаменелостей не представляют собой какую-либо физическую часть организма, а скорее свидетельствуют об активности организма в окружающей его среде. В то время как кость, лист или стебель могут предоставить достаточно информации для точной идентификации конкретного вида, ископаемые остатки редко позволяют провести такую ​​точную идентификацию. Однако, в отличие от окаменелых частей тела, на которые могут влиять многие переменные, следы окаменелостей не часто уносятся и обычно находятся в том месте, где жил организм. Это преимущество делает следы окаменелостей в палеопочвах особенно важными, поскольку они позволяют интерпретировать поведение животного в его естественной среде. Прекрасным примером этого являются простые неглубокие окаменевшие норы одиноких пчел, которые живут в почве. Подобно тому, как окаменелые следы, норы и копролиты представляют собой следы окаменелостей или организмов, палеопочвы можно рассматривать как следы окаменелостей древней экосистемы. Подобно небольшому проценту окаменевших видов, очень немногие виды в экосистеме оставляют заметные следы в палеопочвах. Однако их более общие эффекты в палеопочве могут быть сохранены. Хороший пример - следы корней. Анализ структуры следов корней, последовательности горизонтов почвы и других характеристик может помочь определить тип растительности, которая присутствовала во время формирования почвы. Общие характеристики, такие как рост и расстояние между ними, определяют то, что ботаники называют «формированием растений». В отличие от сообщества или ассоциации, формирование растений не определяется каким-либо конкретным видом. Примеры формирования растений включают леса, редколесья и луга. Поскольку невозможно определить, было ли конкретное растение дубом, эвкалиптом или другим видом, растительные образования в палеопочвах позволяют идентифицировать экосистему древних лесов по экосистеме древних пастбищ. (Retallack 2001^[2])

Топографический рельеф

Природа почв будет меняться в зависимости от топография, что можно понять, сравнив тонкие каменистые почвы горных вершин с толстыми плодородными почвами покрытых травой низменностей. Даже в безликой низменности природа почвы будет сильно различаться в зависимости от того, хорошо ли она дренирована; хотя дренаж почвы не является полностью независимым, потому что растительность, микроклимат и возраст поверхности земли будут варьироваться в пределах данного ландшафта. Однако на небольших территориях ограничивающие факторы могут быть настолько обширными, что вариации почв в ландшафте будут составлять истинную топографическую последовательность (топографическую последовательность), а особенности в этих почвах могут дать надежные топологические функции (топографические функции). Смелые ландшафты, такие как альпийские хребты и вершины, могут быть решены на основе четко выраженных процессов, связанных со склонами. Например, на крутых альпийских склонах есть редкая растительность с почвами, размытыми таянием снега морозное пучение, и пострадал от камнепада. Эти процессы создают тонкие, мелкокорневые, слабовыветрелые и каменистые почвы, которые указывают на среду горных склонов. Размер и степень этих процессов не позволяют проводить строгий анализ в качестве основных функций из-за обширных различий в климате, растительности, исходных материалах и возрасте поверхности земли на разных высотах на склоне горы. (Retallack 2001^[2])

Исходный материал

Порода или отложения, связанные с развитием почвы, называются ее исходный материал; это отправная точка процесса почвообразования. На раннем этапе формирования почвы не так уж сильно отличаются от исходного материала. Однако со временем почвы будут содержать все меньше и меньше черт своего исходного материнского материала, пока в конечном итоге не приобретут свою индивидуальность. Чтобы точно оценить объем образовавшейся почвы, необходимо знать исходный материал, чтобы установить базовую линию или начальную точку в образовании почвы.

Магматический исходный материал.

В большинстве случаев основной материал не зависит от почвообразования. Формирование Магматические породы и метаморфических пород происходят в местах и ​​в результате процессов, удаленных от поверхности Земли. Эти отложения часто являются исходным материалом для почв и происходят из почв, но степень сортировки и распределения осадочных пород варьируется настолько широко, что они также считаются независимыми от почв.

Осадочный материнский материал.

Очень немногие исходные материалы, связанные с почвами, полностью однородны по своему составу или структуре. Часто наблюдается некоторая степень неравномерности, включая слоистость, прожилковость, трещиноватость или слоистость, которые в некоторых случаях помогают формированию почвы, а в других - препятствуют ему. Например, некоторые осадочные слои способствуют образованию почвы, такой как илистый покров на коренной породе или песчаный покров на глинистом аллювий слой. В обоих случаях рыхлый поверхностный материал установлен непедогенными экземплярами. Другие случаи цементации осадочной поверхности или тонких переслаиваний глины и песка можно рассматривать как не способствующие образованию почвы. Неоднородные исходные материалы трудно найти в почвах и палеопочвах, хотя отклонения от обычно обнаруживаемых минералов могут дать ключ к разгадке исходного исходного материала. Если зерна первичных материалов не обнаружены в основном материале, можно сделать вывод, что произошли более поздние добавления. Например, кварц не находится в базальтовый фонолит, и оливин не находится в гранит.

Роль исходного материала лучше всего понять из исследований почв, которые сформировались в одинаковых условиях на разных исходных материалах или литосеквенциях (различные характеристики профиля почвы из-за разных исходных материалов). Это дает отправную точку для понимания того, какую роль исходный материал играл при формировании почвы. Обобщенные зависимости, полученные в результате этих исследований, могут быть использованы для определения того, какое влияние исходный материал оказал на палеопочву во время ее формирования. Сложность заключается в том, что исходного материала больше не существует, и поэтому его характер можно оценить только с использованием близлежащих материалов.

Эти оценки обычно основаны на четырех критических допущениях, которые следует признать в качестве допущений и, таким образом, оценивать с осторожностью при оценке почв и палеопочв.

1. Первое предположение состоит в том, что исходный материал свежий. Это означает, что исходный материал, который считается заместителем исходного исходного материала, должен быть как химически, так и физически подобен исходному материалу. Например, сапролит не может рассматриваться как точное представление исходного материала, полученного из лесной почвы на граните, но может рассматриваться как представление исходного материала культивируемой почвы, образовавшейся после четкий и эрозия лесной почвы.
2. Второе предположение - исходный материал был однородным. Это предположение утверждает, что исходный материал имел однородный состав в пределах профиля почвы. Если свойства материала, находящегося под профилем, следует рассматривать как репрезентативные для основного материала всего профиля, это должно быть так. Однако это сложно, учитывая, что немногие породы или отложения достаточно однородны, чтобы их можно было считать точным представлением исходного материнского материала. Например, чрезвычайно трудно обнаружить тонкий слой пыли, принесенной ветром, поверх гранита в толстой глинистой почве.
3. Третье предположение состоит в том, что одна составляющая стабильна. Это означает, что по крайней мере один из компонентов исходного материала не изменился под воздействием атмосферных воздействий и все еще присутствует. Основная проблема заключается в том, что ни один из компонентов не является полностью защищенным от обширных процессов выветривания, существующих в природе (Gardner 1980^[10]). Например, кварц - довольно устойчивый минерал в почвах с pH> 9, где глинозем (Al₂О₃) стабильна в диапазоне pH от 4,5 до 8 (в основном в глине). Микроэлементы, которые обычно стабильны в почвах в более широком диапазоне условий окружающей среды, включают: вести (Pb) и цирконий (Zr), но не всегда присутствуют в достаточном количестве, чтобы быть полезными.
4. Четвертое предположение заключается в том, что изменение объема пропорционально толщине и плотности. Это говорит о том, что потеря объема почвы и степень уплотнения во время захоронения связаны с изменением их плотности или толщины. Хотя здравый смысл подсказывает, что объем и плотность являются трехмерными, а толщина - одномерными, наблюдения за различными материалами, включая ископаемые растения известной формы (Walton 1936;^[11] Бриггс и Уильямс 1981), показывают, что в условиях статической вертикальной нагрузки почвы и окаменелости поддерживаются боковым давлением.

Эти четыре упрощающих допущения позволяют провести подробный анализ изменений, происходящих во время формирования почвы и захоронения почвы. (Retallack 2001^[2])

В геохимия, знание структуры бывших почв также важно для понимания состава палеоконтинентов.

Смотрите также

• Кутанс
• Палеопочвы

Рекомендации

1. Джонсон Д. и Уотсон-Стегнер Д. (1987). «Эволюционная модель почвообразования». Почвоведение. 143: 349–366. Дои:10.1097/00010694-198705000-00005.
2. Реталлак, Грегори Дж. (2001). Почвы прошлого: введение в палеопедологию (2-е издание). Молден, Массачусетс: Blackwell Science. стр.171 –172, 180–182. ISBN  9780632053766.
3. Саймонсон, Р.В. (1978). Многопроцессорная модель генезиса почв. Норидж: Геоабстракты. С. 1–25.
4. Андерсон, Д. (1988). «Влияние материнского материала и развития почвы на круговорот питательных веществ в экосистемах умеренного пояса». Биогеохимия. 5: 71–97. Дои:10.1007 / bf02180318.
5. Дженни, HJ (1941). Факторы почвообразования. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.
6. Буол, С. (1997). Генезис и классификация почв (4-е издание). Эймс: Издательство государственного университета Айовы.
7. Сотрудники службы почвенного исследования (1998 г.). Ключи к таксономии почв. Блэксбург, Вирджиния: Pocahontas Press.
8. Мюллер, М.Дж. (1982). Избранные климатические данные для глобального набора эталонных станций для науки о растительности. Джанк, Гаага.
9. Trewartha, G.T. (1982). Проблемы климата Земли. Мэдисон, Висконсин: University of Wisconsin Press.
10. Гарднер, Л. (1980). «Мобилизация Al и Ti при выветривании - изоволюметрическое химическое свидетельство». Химическая геология. 30: 151–165. Дои:10.1016/0009-2541(80)90122-9.
11. Уолтон, Дж. «О факторах, влияющих на внешнюю форму ископаемых растений; с описанием некоторых видов палеозойского рода хвоща Annularia Sternberg». Философские труды Лондонского королевского общества. Series B, 226: 219–237. Дои:10.1098 / рстб.1936.0008.