ОТРАЖЕНИЕ ПАЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В СОСТОЯНИИ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ ПАЛЕОПОЧВ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

REFLECTION OF PALEOCLIMATIC CONDITIONS IN THE STATE OF MICROBIAL COMMUNITIES FROM PALEOSOILS OF ARCHEOLOGICAL MONUMENTS OF THE LOWER VOLGA REGION

Т.С.Демкина, В.А.Демкин

T.S.Demkina, V.A.Demkin

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
(142290, г. Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2)
Institute of physicochemical and biological problems in soil science of the RAS
(142290, Pushchino Moscow Region, Institutskaya str., 2)
e-mail: demkina@issp.serpukhov.su

Проведены микробиологические исследования палеопочв разновозрастных археологических памятников (курганов) эпох энеолита, бронзы, раннего железа и средневековья (IV тыс. до н.э. – XIV в. н.э.) на территории сухих и пустынных степей Нижнего Поволжья. Выявлены микробиологические параметры, дающие контрастную характеристику состояния почвенных микробных сообществ в аридные и гумидные климатические периоды. Особенности изменчивости микробиологических параметров в связи с вековой динамикой климата за историческое время оказались синхронными и однонаправленными, хотя исследованные палеопочвы были приурочены к различным почвенно-географическим зонам, природным районам и элементам рельефа.

Microbiological studies of the paleosols of archeological monuments (burial mounds) of the Neolithic, Bronze, Early Iron, and Middle Ages (the fourth millennium BC to the fourteenth century AD) located in the dry and desert steppe of the Lower Volga region were conducted. The microbiological parameters that give a contrasting characterization of the state of the microbial communities in the soils during the arid and humid climatic periods were revealed. The variations of the microbiological parameters relative to the century-long dynamics of the climate over the historical time were synchronous and unidirectional, though the studied soils were found in different soil-geographical zones, natural regions, and landforms.

Характеристика микробного сообщества почвы относится к числу важнейших диагностических показателей, отражающих условия почвообразования. Поскольку, будучи неотъемлемой составной частью почвы, почвенные микроорганизмы участвуют в той или иной степени практически во всех процессах, протекающих в ней. Проведенные микробиологические исследования подкурганных палеопочв сухих и пустынных степей Восточной Европы показали, что в них до настоящего времени сохраняются микробные сообщества, существовавшие во время сооружения археологических памятников [2, 3 и др.]. Это подтверждено данными определения возраста микробной фракции с использованием метода ¹⁴С атомной масс-спектрометрии [8] и выявленными закономерностями распределения численности микроорганизмов в профиле курганная насыпь – погребенная почва [4]. Следовательно, характеристики микробных сообществ разновозрастных палеопочв должны отражать экологические условия той или иной исторической эпохи.

К настоящему времени проведены палеопочвенно-микробиологические исследования более 100 археологических памятников (курганов) эпох энеолита (IV тыс. до н.э.), бронзы (III-II тыс. до н.э.), раннего железа (V в. до н.э.-IV в. н.э.) и средневековья (XIII-XIV вв. н.э.) в различных природных районах Нижнего Поволжья (Среднерусская, Приволжская и Ергенинская возвышенности, Прикаспийская низменность). Объекты (курганные могильники) находились в сухо- и пустынно-степной зонах в ареалах современных темно-каштановых и каштановых почв, светло-каштановых почв и солонцов. Проведенные исследования показали, что изменчивость микробных сообществ в отдельные исторические периоды была значительной (Северные Ергени, возраст курганов: рубеж IV-III тыс. до н.э., XIX-XVII вв. до н.э. II-IIIвв. н.э., IV в. н.э.; Северный Прикаспий, возраст курганов: рубеж III-II тыс. до н.э., XVI-XV вв. до н.э., III-IV вв. н.э., XIII-XIV вв. н.э. и др.), в другие – сравнительно небольшой (вторая терраса Волго-Ахтубы, возраст курганов: 1-я пол. I в. н.э., I-II вв. н.э., II-III вв. н.э.). Полученные микробиологические данные свидетельствуют об определенной динамике природных условий в исследованных регионах, которые вызывали изменения в состоянии микробных сообществ почв в разные исторические эпохи. Нами установлены микробиологические параметры, дающие контрастную характеристику микробного сообщества в степных палеопочвах в аридные и гумидные климатические периоды [5]. К их числу относятся: (1) активная биомасса микроорганизмов С-СИД [7]; (2) ее доля от Сорг почвы; (3) эколого-трофическая структура микробного сообщества (ПА:НА:БС), характеризующаяся соотношением микроорганизмов (в %), растущих на почвенном агаре и использующих элементы питания из рассеянного состояния (ПА), на нитритном агаре и потребляющие гумус (НА), на богатой органической среде и разлагающие растительные остатки (БС); (4) соотношение численности микроорганизмов, использующих легкодоступное органическое вещество – растительные остатки (БС), и труднодоступное – гумус (НА): БС/НА; (5) индекс олиготрофности (ПА/БС^.100) [6], который характеризует способность микробного сообщества ассимилировать из рассеянного состояния зольные элементы питания, то есть, чем выше его значение, тем к более бедным условиям питания приспособлены почвенные микроорганизмы, и наоборот, чем ниже, тем к более богатым условиям, связанным с большим поступлением в почву растительных остатков. Количественные характеристики состояния микробных сообществ, такие, как значительная биомасса активных микроорганизмов и их высокая доля от Сорг почвы, преобладание в эколого-трофической структуре микроорганизмов, использующих легкодоступные органические вещества, высокие значения отношения численности микробов, использующих растительные остатки и гумус, низкие величины индекса олиготрофности дают основания говорить о возрастающем поступлении в почву растительной массы. Известно, что в засушливых областях, к каковым относится и исследованная территория Нижнего Поволжья, увеличение растительной массы прежде всего обусловлено повышением атмосферных осадков в тот или иной исторический период. Усиление же аридизации климата в масштабе исторического времени, напротив, приводит к снижению четырех первых показателей и увеличению пятого. Особенности изменчивости микробиологических параметров в исследованных палеопочвах оказались синхронными и однонаправленными, хотя они были приурочены к различным почвенно-географическим зонам (сухо- и пустынно-степная), природным районам (Приволжская, Ергенинская возвышенности, Прикаспийская низменность), элементам рельефа (водоразделы, речные террасы, морская равнина). Таким образом, целенаправленное изучение этих свойств позволяет выявить динамику палеоклиматических условий, в первую очередь, периоды аридизации и гумидизации степей Нижнего Поволжья.

В качестве примера рассмотрим результаты микробиологических исследований хроноряда подкурганных палеопочв, погребенных в I, II-III и III-IV вв. н.э. на территории Приволжской и Ергенинской возвышенностей в сухо- и пустынно-степной зонах (табл.). Так, в каштановых палеопочвах в I в. н.э. биомасса активных микроорганизмов (С-СИД) была в 7-32 раза, а доля С-СИД/Сорг в 12-23 раза выше, чем во II-III вв. н.э.. При этом в эколого-трофической структуре микробных сообществ рассматриваемых палеопочв зафиксированы несущественные отличия, что указывает на незначительные изменения климата в сторону аридизации. Выявленные различия в состоянии микробных сообществ подкурганных почв были обусловлены сменой относительно гумидных условий почвообразования более аридными, которые

Таблица

Характеристика микробных сообществ подкурганных и современных почв Нижнего Поволжья

*- СЧ – суммарная численность

приходились скорее всего на середину II в. В светло-каштановых палеопочвах к концу III-IV вв. н.э. по сравнению со II-III вв. н.э. отмечено возрастание в 1,5 раза С-СИД и в 1,4 раза С-СИД/Сорг. За это время в эколого-трофической структуре на 10% увеличилась доля микроорганизмов, использующих растительные остатки, и на 23% уменьшилась доля микроорганизмов, довольствующихся низкими концентрациями элементов питания из рассеянного состояния. Индекс олиготрофности, напротив, снизился в 2 раза. Известно, чем ниже его значение, тем в более богатых условиях по легкодоступному органическому субстрату обитают микроорганизмы, и наоборот, чем выше эта величина, тем к более бедным условиям приспособлены микробные сообщества. Следовательно, в конце III – начале IV вв. н.э. произошла заметная гумидизация климата. Таким образом, в хроноинтервале I-IV вв. н.э. закономерности развития почвенных микробных сообществ были обусловлены динамикой атмосферных осадков, сменой сравнительно влажных условий (I – первая половина II вв.) засушливыми (вторая половина II – первая половина III вв.), а затем вновь влажными (конец III – IV вв.). Изменение количества атмосферных осадков в рассматриваемые хроноинтервалы, реконструированное по результатам исследований морфологических и химических свойств подкурганных палеопочв сарматского времени [1], составляло 30-50 мм/год. Крайне важной представляется согласованность палеоэкологических выводов, полученных на основе микробиологических данных, с природными реконструкциями, проведенными путем традиционного морфолого-химического анализа палеопочв. Более того, микробиологические данные заметно детализировали и уточнили эти реконструкции. Причем по сравнению с параметрами солевого, гумусового, карбонатного профилей палеопочв микробиологические показатели оказались заметно более чувствительными к изменениям атмосферной увлажненности.

Исследования проводились при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Программы фундаментальных исследований Президиума РАН.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Демкин В.А., Демкина Т.С., Алексеев А.О. и др. Палеопочвы и климат степей Нижнего Поволжья в I-IV вв. н.э. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2009. 96 с.

2. Демкина Т.С., Борисов А.В., Демкин В.А. Микробиологические исследования подкурганных палеопочв пустынно-степной зоны Волго-Донского междуречья // Почвоведение. 2004. № 7. С.853-859.

3. Демкина Т.С., Борисов А.В., Демкин В.А. Микробные сообщества палеопочв археологических памятников пустынно-степной зоны // Почвоведение. 2000. № 9. С.1117-1126.

4. Демкина Т.С., Борисов А.В., Ельцов М.В., Демкин В.А. Сравнительная характеристика микробных сообществ курганных насыпей, подкурганных и современных почв степной зоны Нижнего Поволжья // Почвоведение. 2007. №6. С.738-748.

5. Демкина Т.С., Хомутова Т.Э., Борисов А.В., Демкин В.А. Микробиологические исследования подкурганных палеопочв в долине реки Иловли // Материалы по археологии Волго-Донских степей, Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2004. Вып. 2.С. 87-95.

6. Никитин Д.И., Никитина Э.С. Процессы самоочищения окружающей среды и паразиты бактерий (род Bdellovibrio). М., 1978. 205 с.

7. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V. 10. №3. Р.215-221.

8. Demkina T.S., Khomutova T.E., Kashirskaya N.N. et al. Age and activation of microbial communities in soils under burial mounds and in recent surface soils of steppe zone // Eurasian Soil Science. 2008. Vol.41. N 13. P.1439-1447.