ГУМУС ПАЛЕОПОЧВ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ СУХИХ СТЕПЕЙ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

HUMUS OF PALEOSOILS OF ARCHEOLOGICAL MONUMENTS IN THE LOWER VOLGA DRY STEPPES

Б.Н.Золотарева, В.А.Демкин

B.N.Zolotareva, 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: demkin@issp.serpukhov.su, azol2003@rambler.ru

Установлено, что изменения содержания и запасов гумуса в каштановых палеопочвах разновозрастных археологических памятников в результате диагенеза экспоненциально связаны с длительностью их погребения. За 3500 лет вследствие дегумификации потери гумуса из 50-см слоя каштановых палеопочв составили 78±14%, но система не достигла равновесного состояния. Качественные изменения состава гумуса связаны с периодической сменой аридных и гумидных климатических эпох на протяжении последних 4000 лет. Выявлен тренд увеличения отношения С гк/ С фк в каштановых почвах с середины II тыс. до н. э. вплоть до начала XVIII в. н. э. Определено увеличение ароматичности гуминовых кислот с увеличением длительности погребения почв.

It is established that the changes in the content and stocks of humus in the chestnut paleosoils of archeological monuments of different ages due to the diagenesis are exponentially bound to the duration of the soil burial. During past 3500 years due to the dehumification the losses of humus from 50 cm layer of chestnut paleosoils accounted for 78 14%, however the system has not reached the equilibrium state. Qualitative changes of humus composition are connected to the periodical recurrent of arid and humid climatic epochs within past 4000 years. The trend of increase of C HA/C FA ratio in chestnut soils from the middle of II mil. BC till the beginning of XVIII c. AD is found. The increase of aromaticity of humic acids with the duration of the soil burial is established.

Проблема истории развития природной среды и ее отдельных компонентов всегда занимала и занимает одно из ведущих мест в сфере интересов отечественных и зарубежных специалистов в области естественнонаучных дисциплин. В ее решении используется весьма широкий спектр методов и объектов изучения. Тем не менее, полученные на сегодняшний день данные о закономерностях голоценовой динамики климата, почвенно-растительного покрова в семиаридных и аридных областях Евразии зачастую носят неоднозначный и даже противоречивый характер. В последнее время в России благодаря тесной интеграции почвоведения и археологии в изучении поселенческих и погребальных (курганы) памятников древней и средневековой истории достигнуты заметные успехи в познании голоценовой эволюции почв и природной среды. Особенно большой размах эти исследования получили в степной зоне, где в огромном количестве встречаются курганные захоронения эпох энеолита, бронзы, раннего железа и средневековья (IV тыс. до н.э. – XIVв. н. э.). На основе изучения многочисленных педохронорядов нами разработана концепция эволюции почв степей Нижнего Поволжья в связи с вековой динамикой климата за последние 6000 лет [4]. В частности, установлено, что засушливые климатические эпохи приходились на конец III - начало II тыс. до н.э. и II-III вв. н. э. Увеличение атмосферной увлажненности имело место в I, IV и XII-XIV вв. н. э. В новое время (XVII-XIX вв.) на состоянии ландшафтов степей юга России существенно сказались влажные и холодные климатические условия Малого ледникового периода. Это подтверждается данными изучения палеопочв, погребенных под оборонительными валами Закамской [3] и Царицынской [2] линий в Поволжье, сооруженных в первой четверти XVIII в.

Выявить основные закономерности изменения в системе «почва-климат» в больших временных интервалах (сотни и тысячи лет) дают возможность исследования содержания и состава гумуса погребенных палеопочв разного возраста [1, 6, 8, 9]. Наиболее информативными и широко используемыми в системе индикаторных признаков динамики условий почвообразования являются общее содержание гуминовых кислот (ГК), степень их устойчивости к гидролизу, степень гумификации и С гк/С фк, молекулярная структура ГК. Основные задачи настоящей работы состояли в изучении содержания и состава гумуса палеопочв разновозрастных археологических памятников сухих степей Волго-Донского междуречья, в установлении закономерностей его трансформации в связи с вековой изменчивостью условий почвообразования и в результате диагенеза. Объектами исследования являлись каштановые палеопочвы, погребенные под курганами эпох бронзы (XVI-XV вв. до н.э., срубная культура), раннего железа (I-II и II-III вв. н.э., средне- и позднесарматские культуры), развитого средневековья (XIII-XIV вв. н.э., золотоордынское время) и оборонительным валом Царицынской линии (вал Анны Иоанновны, 1718-1720 гг.), а также их современные фоновые аналоги целинных степных участков. Фракционно-групповой анализ гумуса в почвах выполнен по методу Пономаревой - Плотниковой. Оценка изменений молекулярной структуры ГК почв проводилась по ароматичности (AR/AL) из спектров 13С ЯМР препаратов ГК [7].

Установлено, что содержание гумуса в гор. А1 исследованных разновозрастных почв уменьшается с 1,30±0,30% С орг (современные почвы) до 0.39% (палеопочва, погребенная в XVI-XV вв. до н.э.) (табл. 1). Связь между общим содержанием С орг в палеопочвах и длительностью их погребения экспоненциальная. Анализ экспонент показал, что содержание С орг в гор. А1 практически достигло равновесных значений за 3500 лет после погребения. Более низкое содержание С орг в гор. В1 и В2 палеопочв далеко от равновесия даже спустя 3500 лет после погребения. Запасы углерода гумуса в слое 0-50 см в современных почвах составляют 6,04±0,49 кг С орг/ м2. В палеопочве срубного времени они в шесть раз меньше. В первые сотни лет наблюдается резкое уменьшение запасов гумуса, затем темпы дегумификации ослабевают. Связь между запасами С орг и длительностью погребения почв экспоненциальная с уравнением y=5,83?exp?(- 0,00051t), R2 = 0,957, где 0,00051 – константа скорости минерализации углерода, t – длительность погребения почв. Расхождения между экспериментальными и расчетными значениями не превышают 10%. По изменению запасов гумуса в полуметровом слое палеопочва, погребенная 3500 лет назад, не достигла равновесного состояния. Экспериментальные материалы показали, что все компоненты гумусовых веществ не устойчивы и подвергаются биоминерализации при диагенезе. В палеопочвах, погребенных в аридные климатические эпохи (XVI-XV вв. до н.э. и II-III вв. н.э.), преобладает минерализация гумусовых кислот (ГК и ФК). В сумме общих потерь С орг их минерализация в гор. А1 и В1 составила 67-87% в первый из указанных аридных периодов и 62-68% - во второй. Более 50% потерь С орг в палеопочве первого из аридных периодов произошло за счет минерализации ГК. В почвах, погребенных в гумидные эпохи (I-II и XIII–XIV вв. н.э., 1718-1720 гг.), преобладает минерализация гумина. Это наводит на мысль о том, что микробные сообщества палеопочв в условиях погребения сохраняют стратегию питания [5].

К особенностям состава гумуса каштановых почв за рассматриваемый период времени следует отнести значительные колебания содержания основных его компонентов - гуминовых и фульвокислот, что хорошо видно по линии тренда содержания ГК (рис. 1). Как показывает анализ данных, колебания содержания ГК и ФК связаны со сменой аридных и плювиальных климатических фаз почвообразования, но динамика содержания ГК и ФК чаще не синхронна. Максимум содержания ГК и ФК в составе гумуса в гор. А1 обнаруживается в палеопочвах I-II в. н.э., второй пик приходится на почвы средневекового климатического оптимума и растянут на последующее 500-летие (XIII-XIV вв. н.э. и 1718-1720 гг.). Следовательно, периоды наибольших величин степени гумификации органического вещества почв (доля ГК в С орг) совпадают с гумидными климатическими эпохами. Степень гумификации в гор. А1 достигает 33% в палеопочве I-II вв. н.э. и 28% - в палеопочве средневековья. В аридные периоды почвообразования (XVI-XV вв. до н. э., II-III вв. н.э., современность) она не превышает 20%. Наиболее резко отличались условия гумификации и почвообразования в период от XVI в. до н. э. до I-II вв. н.э. В течение этого хроноинтервала вместе с увеличением увлажненности климата резко возросла гумификация, снизилось до минимальных значений содержание гуминов, отношение (С гк+С фк)/ГМ достигло 3,3. Это связано не только с увлажненностью климата. В почвах I-II вв. н.э. в заметных количествах появился поглощенный натрий. С увеличением солонцеватости почв [4] увеличивалась степень гумификации органического вещества. Одновременно увеличивалась щелочность почв и гидролизуемость органического вещества, поэтому содержание ФК заметно превышает ГК. В период средневекового климатического оптимума и последующие 500 лет значительная гумидизация климата сопровождалась интенсивной гумификацией и образованием гумуса, в котором доли ГК, ФК практически равны и в сумме незначительно больше содержания ГМ. В гор. В1 содержание ГК в палеопочвах увеличивается, а доля ФК – уменьшается с сокращением длительности погребения почв, связь имеет почти линейный характер. Содержание ГМ колеблется около 49 ± 3,9% С орг и не зависит от длительности погребения почв.

Глубина гумификации, отраженная величиной отношения С гк/С фк, увеличивается от эволюционно молодой палеопочвы, погребенной 3500 лет назад, к палеопочвам средневековья (XIII-XIV вв. н.э.) и нового времени (1718-1720 гг.), характеризуя постепенную смену типов гумуса от фульватного до фульватно-гуматного.

Особенностью фракционного состава гумуса палеопочв является доминирование фракций, связанных с Ca, преобладание в них ГК (рис. 2). Под влиянием вековой динамики увлажненности климата все группы гумусовых веществ и фракционный состав гумуса подвержены трансформации. Направленность и интенсивность превращений зависят от уровня гумидности - аридности. В гор. А1 отношение С гк/С фк во второй фракции ?1 с максимумом в палеопочве засушливой эпохи II-III вв. н э. С нарастанием гумидности климата в XIII-XIV вв. н.э. резко увеличивается доля ФК во фракции гумуса, но не превышая содержание ГК. Изменения группового состава третьей фракции противоположны. Отношение С гк/С фк в ней <1 с минимумом в палеопочве аридного позднесарматского времени (II-III вв. н э.).

Исследованиями установлены значительные изменения в молекулярной структуре ГК, которые произошли уже в первые 300 лет после погребения каштановой палеопочвы под валом Анны Иоанновны (1718-1720 гг.). Повысилась ароматичность ГК, снизилось содержание алифатических фрагментов, увеличилось количество карбоксильных и незначительно карбонильных групп в их составе (рис. 2). Максимальные количественные трансформации в молекулярной структуре ГК отмечены в подкурганной каштановой палеопочве, погребенной в I-II вв. н.э. Выявленное нарастание степени ароматичности ГК в палеопочвах с нового времени (1718-1720 гг.) к эпохе поздней бронзы (XVI-XV вв. до н.э.) свидетельствует о повышении однородности углеродного скелета ГК и их термодинамической стабильности с длительностью погребения почв..

Таким образом, исследования гумуса каштановых палеопочв разновозрастных археологических памятников позволили установить особенности гумусообразования в связи с вековой динамикой увлажненности климата в сухих степях Нижнего Поволжья за историческое время, а также выявить направленность и масштабы изменений его содержания и состава в результате диагенеза.

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

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Бирюкова О.Н., Орлов Д.С. Состав и свойства органического вещества погребенных почв //Почвоведение. 1980. № 9. С. 49-66.

2. Бухонов А.В., Золотарева Б.Н., Борисов А.В., Демкин В.А. Палеопочвенные исследования оборонительного вала Царицынской линии (XVIII век) // Проблемы древнего земледелия и эволюции почв в лесных и степных ландшафтах Европы. Белгород. 2006. С. 126-127.

3. Демкин В.А. Погребенные почвы засечных черт Русского государства и вопросы древней и современной истории почвообразования // Почвоведение. 1999. №10. С. 1224-1234.

4. Демкин В.А., Борисов А.В., Демкина Т.С. и др. Волго-Донские степи в древности и средневековье (по материалам почвенно-археологических исследований). Пущино: SYNCHROBOOK. 2010. 120 с.

5. Демкина Т.С., Хомутова Т.Э., Каширская Н.Н., Стретович И.В., Демкин В.А. Микробиологические исследования палеопочв археологических памятников степной зоны // Почвоведение. 2010. №2. С. 213-220.

6. Дергачева М.И. Педогумусовый метод диагностики палеоклиматов // Проблемы климатических реконструкций в плейстоцене и голоцене Сибири. Новосибирск: Изд-во ИАЭ СО РАН. 1998. С. 132-142.

7. Ковалевский Д. В., Пермин А. Б., Перминова И. В., Петросян В. С. Выбор условий регистрации количественных 13С ЯМР - спектров гумусовых кислот // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 2, химия. 2000. Т. 41. № 1. С. 39-42.

8. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во МГУ, 1990. 325 с.