CC BY
97
ПОДКУРГАННЫЕ ПАЛЕОПОЧВЫ НИЖНЕВОЛЖСКИХ СТЕПЕЙ КАК ИНДИКАТОРЫ ДИНАМИКИ КЛИМАТА ЗА ИСТОРИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ1
© 2013 г. В. А. Демкин , Т.С. Демкина, Т.Э. Хомутова,
М.В. Ельцов, С.Н. Удальцов, Н.Н. Каширская
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, г. Пущино ([email protected])
Ключевые слова: палеопочвы, увлажненность палеоклимата, сарматская эпоха, степи.
Проведены исследования палеопочв, погребенных под курганными насыпями ранне-, средне- и позднесарматского времени (IV в. до н.э. - IV в. н.э.) в сухих и пустынных степях Нижнего Поволжья (Приволжская и Ергенинская возвышенности, Прикаспийская низменность). Установлено, что временная изменчивость морфологических, химических, микробиологических, магнитных свойств палеопочв в хроноинтервале 24001600 лет назад характеризовалась ритмичностью, которая была обусловлена вековой динамикой увлажненности климата с колебаниями среднегодовой нормы атмосферных осадков в пределах ±30-50 мм. Периодическая смена гумидных и аридных климатических эпох оказывала весьма значительное влияние на процессы засоления/рассоления, солонце- и гумусообразования, биологическую активность палеопочв солонцовых комплексов. Это вызывало существенные изменения структуры почвенного покрова с обратимыми эволюционными преобразованиями палеопочв на уровне типов, родов или видов за несколько десятков лет. В природном отношении время существования сарматской культурно-исторической общности можно рассматривать как эпоху чередования микроплювиальных и микроаридных периодов продолжительностью 100-200 лет. В частности, как в сухих (Волго-Донское междуречье), так и в пустынных (Заволжье) степях относительно влажными условиями характеризовались I в. до н.э., I и IV вв. н.э., а наиболее засушливыми - IV-III вв. до н.э., вторая половина II - первая порловина III вв. н.э. Промежуточная и близкая к современности ситуация по степени увлажненности имела место в первой половине II в. н.э. и во второй половине III в. н.э.
Введение. В последние годы особенно важное значение приобрела проблема совершенствования и более детальной разработки методических и теоретических основ изучения па-леопочв как индикаторов состояния и
1 Исследования проводились при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Программы фундаментальных исследований Президиума РАН.
развития природной среды в различные геологические и исторические эпохи. В ее решении одно из ведущих мест занимают исследования голо-ценовых палеопочв поселенческих, погребальных (курганы), фортификационных и др. грунтовых историко-археологическихпамятниковкаменно-го века, эпох бронзы, раннего железа, средневековья и нового времени. Как известно, в палеопочвах, погребенных
под культурными слоями, курганными насыпями, оборонительными валами и пр., до настоящего времени сохранились многие признаки и свойства, отражающие климатические, литоло-гические, геоморфологические, геохимические, биологические, гидрологические и многие другие условия их формирования и развития.
На основе изучения подкурган-ных педохронорядов в степной зоне юга России нами выявлены основные диагностические палеопочвенные признаки, отражающие состояние и вековую динамику степени увлажненности климата за историческое время (Демкин и др., 2010, с. 9-18). Сравнительный анализ количественных и качественных показателей мор-фолого-химических, магнитных, микробиологических свойств палеопочв разновозрастных археологических памятников даетвозможностьреконстру-ировать направленность и масштабы вековой изменчивости атмосферной увлажненности, определить хронологическую позицию гумидных и аридных периодов в развитии климата за исторического времени. Вместе с тем, следует отметить, что достоверность и детальность климатических реконструкций при изучении подкурганных палеопочв прежде всего определяется пространственно-временной репрезентативностью фактического материала. Решение этой задачи возможно при изучении подкурганных педох-ронорядов длительностью несколько сотен лет с непрерывным временным шагом не более 100-150 лет. Данным условиям в должной мере отвечают палеопочвы близ расположенных курганных могильников с однотипными литолого-геоморфологическими условиями и включающие памятни-
ки различных этапов развития одной культурно-исторической общности, период существования которой достигает 800-1000 лет. В частности, речь идет о сарматской культуре ран-нежелезного века и о палеопочвах, погребенных под курганами ее носителей в хроноинтервале IV в. до н.э. - IV в. н.э. Следует отметить, что хронология и периодизация развития сарматской культурно-исторической общности разработаны достаточно детально (Скрипкин, 2008, с. 70-119). Поэтому время сооружения курганов рассматриваемой исторической эпохи надежно определяется по материалам археологических раскопок со следующей культурно-хронологической дифференциацией: ранний этап - вторая половина ГУ-Ш и 11-1 вв. до н.э.; средний этап - I - первая половина II вв. н.э.; поздний этап - вторая половина II - первая половина III и вторая половина Ш-ТУ вв. н.э. В связи со сказанным основные задачи работы заключались в следующем: на основе изучения подкурганных педохро-норядов установить закономерности развития почв и реконструировать вековую изменчивость увлажненности климата нижневолжских степей в хроноинтервале 2400-1600 лет назад.
Район и объекты исследований. Почвенно-археологические исследования курганов проводились на территории сухих и пустынных степей Нижнего Поволжья в подзонах каштановых и светло-каштановых почв. Регион включает Приволжскую, Ергенинскую возвышенности и Прикаспийскую низменность (рис. 1). Климат умеренно континентальный. Его характерными чертами являются большая инсоляция, резкие годовые и суточные амплитуды отдельных показателей (осадки, темпе-
ратура, влажность и др.), короткие переходные сезоны, резкая атмосферная сухость, устойчивость ветров, частые зимние оттепели. Норма атмосферных осадков в сухостепной зоне составляет 350-370 мм/год, в пустынно-степной -около 300 мм/год, а среднегодовая температура 6°С и 8°С соответственно.
Объектами изучения послужили подкурганные палеопочвы ранне-, средне- и позднесарматского времени (IV-I вв. до н.э.; I—II и II-IV вв. н.э.), а также их современные фоновые аналоги. Раскопки курганов проводились археологическими экспедициями Волгоградского государственного университета. Всего исследовано около 100 археологических памятников сарматской эпохи в составе более чем 20 курганных могильников. Они приурочены к различным природным районам и элементам рельефа юга Приволжской возвышенности (9 могильников), Северных Ергеней (6), Волгоградского Заволжья (7) (рис. 1). Это позволило получить репрезентативную хроногеографическую информацию о состоянии почвенного покрова, морфологических, химических, магнитных и микробиологических свойствах палеопочв, о закономерностях их пространственно-временной изменчивости в связи с динамикой климата в хроноинтервале 2400-1600 лет назад.
Изменение морфологических, химических, магнитных свойств па-леопочв и динамика увлажненности климата. В данном разделе остановимся на характеристике морфолого-химических и магнитных свойств па-леопочв лишь нескольких ключевых объектов (курганных могильников), расположенных в различных природных районах сухих и пустынных сте-
пей упомянутых выше геоморфологических областей Нижнего Поволжья. Они приурочены к надпойменным речным террасам, водоразделам и древнеморской равнине.
Приволжская возвышенность. Курганный могильник «Авиловский» расположен на юге возвышенности (сухостепная зона) в 1 км к западу от с. Авилов Иловлинского р-на Волгоградской обл. на высокой правобережной первой надпойменной террасе р. Иловли (левый приток Дона). Абсолютные отметки поверхности 50-60 м. Терраса расчленена многочисленными оврагами и балками, что обеспечивает хорошие условия дренированности плакорных участков и глубокое (более 10 м) залегание грунтовых вод, которые имеют незначительную минерализацию (менее 1 г/л) и гидрокарбонатно-натриевый состав. Почвообразующими породами являются покровные лессовидные суглинки мощностью 4-5 м и более, подстилаемые мелкозернистыми песками аллювиального происхождения. Естественный растительный покров представлен белополынно-злаковой и белополынно-ромашниково-злаковой ассоциациями. В современном почвенном покрове террасы доминируют каштановые солонцеватые засоленные почвы.
Исследованные курганы относятся к среднему и позднему этапам развития сарматской культуры и датируются I и второй половиной II - первой половиной III вв. н.э. Подкурганные и современные фоновые почвы диагностированы как каштановые солонцеватые различной степени засоленности. Морфологические, химические и магнитные характеристики почв исследованного хроноряда свидетельствуют,
Рис. 1. Район и местоположение объектов (курганные могильники) исследований.
что большинство из них претерпевали заметные изменения. Прежде всего, это касается содержания и профильного распределения легкорастворимых солей, гипса и карбонатов. В зависимости от растворимости и миграционной активности расчетные толщи средневзвешенного содержания солей, гипса и СаСО3 соответственно составили 0-200, 0-100 и 0-50 см. По сравнению со среднесарматской в поздне сарматской палеопочве отмечается увеличение содержания этих компонентов соответственно в 1.9, 2.7 и 1.2 раза. Это свидетельствует о том, что в сухостепной зоне Приволжской возвышенности во II-III вв. климатические условия стали более засушливыми, чем в I в. Именно аридизация климата явилась причиной перераспределения в почвенно-грунтовой толще солей, гипса и карбонатов и перемещения их аккумуляций ближе к поверхности. Подтверждением сказанному является и резкое снижение величины магнитной восприимчивости в гор. А1 исследованных палеопочв с 76 до 46 ед. СИ. По степени атмосферной увлажненности современную эпоху можно считать более гумидной по сравнению со II-III вв. н.э., но более засушливой, чем I в. н.э.
Ергенинская возвышенность. Курганный могильник «Аксай-3» расположен в северной части Ерге-нинской возвышенности в зоне сухих степей в 100 км к юго-западу от г. Волгограда (в 2.5 км юго-восточнее с. Аксай Октябрьского р-на). Он приу-
рочен к плоской вершине водораздела с абсолютными отметками 100-110 м. Почвообразующими породами являются карбонатные засоленные лессовидные суглинки. Грунтовые воды залегают на глубине 30 м. В современном почвенном покрове преобладают каштановые почвы различной степени солонцеватости и засоленности.
Сооружение исследованного кургана датируется I в. н.э. (среднесар-матская культура). Как подкурганная, так и современная почвы являются каштановой солонцеватой глубоко со-лончаковатой. Сравнительный анализ их морфологических и химических свойств дает основания считать, что в I в. н.э. в сухих степях Северных Ер-геней климатические условия были более влажными по сравнению с современностью. Это подтверждается такими особенностями подкурганных палеопочв, как наличие новообразований оксидов марганца в гор. В1, выщелоченность верхних горизонтов от карбонатов, меньшими запасами и более глубоким залеганием аккумуляций легкорастворимых солей и гипса, чем в фоновых почвах.
Курганный могильник «Перегрузное» находится на западном склоне Северных Ергеней в пределах сухо-степной зоны (подзона каштановых почв) на плоском межбалочном водоразделе у с. Перегрузное Октябрьского р-на Волгоградской обл. (в 100 км к юго-западу от г. Волгограда). Характерными природными особенностями района являются: лессовидные суглинистые почвообразующие породы, засоленная и карбонатная почвенно-грунтовая толща, расчлененность рельефа, сравнительно хорошие условия дренированности, комплексный почвенно-растительный покров. В составе комплексов доминируют каштановые почвы различной степени солонцеватости и засоленности и солонцы. Естественный растительный покров представлен типчаково-по-лынной ассоциацией.
Время сооружения изученных курганов относится ко II-I вв. до н.э. (раннесарматская культура), I-II и II-III вв. н.э. (средне- и позднесар-матская культуры соответственно). Морфолого-стратиграфические особенности и химические характеристики погребенных почв дают основания считать, что в конце I тыс. до н.э. - в первые века новой эры в исследуемом районе существовали сухостепные ландшафты, следовательно, условия почвообразования были близки современным. Вместе с тем, сравнительный анализ отдельных свойств разновозрастных палеокаштановых почв и палеосолонцов свидетельствует об их заметной временной динамике.
Сравнительный анализ свойств почв изученного хроноряда дает основания считать, что в исследуемом регионе климатические условия в конце I тыс. до н.э. - начале I тыс. н.э. были
более влажными по сравнению с современностью. Это подтверждается следующими данными. Палеосолон-цы в отличие от их фоновых современных аналогов характеризуются большей выщелоченностью профиля от легкорастворимых солей и гипса, большей глубиной залегания их аккумуляций и линии вскипания, более высокими значениями магнитной восприимчивости в гор. А1 и В1, наличием в солонцовом гор. В1 обильных новообразований оксидов марганца и его красновато-бурым цветом, большей мощностью гумусового слоя А1+В1. Полученные новые палеопочвенные материалы свидетельствуют, что гу-мидизация климата имела место не только в I в. н.э. («среднесарматский микроплювиал»), но и в I в. до н.э., а возможно и несколько ранее (вторая половина II в. до н.э.). В этот период среднегодовая норма атмосферных осадков превышала современные показатели не менее чем на 40-50 мм. Следовательно, продолжительность сравнительно влажной климатической эпохи составляла около 200 лет. Исследования подкурганных палеопочв позднесарматского времени, проведенные нами ранее на территории Ергенинской (в том числе и могильника «Перегрузное») и Приволжской возвышенностей, а также Прикаспийской низменности показали, что во второй половине II - первой половине III вв. н.э. климатические условия в регионе были более засушливыми по сравнению с предшествующей эпохой со снижением среднегодового количества атмосферных осадков примерно на 50 мм. Причем каштановые палео-почвы этого периода весьма существенно отличались от среднесармат-ских палеопочв. В свете полученных
данных вековая динамика степени увлажненности климата в рассматриваемую эпоху в сухостепной зоне Северных Ергеней представляется в следующем виде: вторая половина II в. до н.э. - I в. н.э. - плювиальный период; конец I - первая половина II вв. н.э. - усиление засушливости; вторая половина II - первая половина III вв. н.э. - аридный период.
Курганный могильник «Абганеро-во» расположен около с. Абганерово Октябрьского р-на Волгоградской обл. в северной части Ергеней. Памятники приурочены к плоскому балочно-речному водоразделу, ориентированному в направлении восток-запад. Абсолютные отметки 90-100 м. По-чвообразующими породами являются карбонатные лессовидные суглинки. Грунтовые воды залегают глубже 20 м. Растительный покров представлен типчаково-полынной ассоциацией. В почвенно-географическом отношении исследуемый участок находится в пустынно-степной зоне в западной части ареала светло-каштановых почв, занимающих вершину и восточный склон Ергенинской возвышенности. В 5-10 км к западу пустынно-степная зона сменяется сухостепной с каштановыми почвами.
Изучены палеопочвы, погребенные под курганами позднесарматской культуры, датируемые II-III и III-IV вв. н.э., а также современные почвы. Светло-каштановая солонцеватая солончаковатая палеопочва, погребенная во второй половине II - первой половине III вв. н. э., характеризуется высоким содержанием легкорастворимых солей и гипса. Профиль светло-каштановой солонцеватой глубоко солончаковатой палеопочвы конца III - начала IV вв. н.э. отражает более гу-
мидные условия почвообразования по сравнению с предшествующим периодом. Отличительными особенностями этой почвы являются сравнительно высокое содержание гумуса, более глубокое залегание аккумуляций карбонатов, легкорастворимых солей и гипса, появление красного оттенка в окраске гор. В1 и наличие в нем новообразований оксидов марганца, усиление текстурной дифференциации. Полученные данные свидетельствуют о том, что на протяжении поздне-сарматского времени (II-IV вв. н.э.) в пустынно-степной зоне Северных Ергеней наблюдалась заметная динамика климатических условий. Ранний период упомянутого хроноинтерва-ла характеризовался засушливостью климата, которая в конце III в. сменилась увеличением степени атмосферной увлажненности, причем даже несколько превышающей современные показатели - «позднесарматский микроплювиал». Эти изменения отразились на степени засоленности, гумусированности, солонцеватости палеопочв.
Таким образом, палеопочвенные исследования курганов сарматского времени свидетельствуют о том, что в хроноинтервале 2200-1600 лет назад в палеопочвах сухих и пустынных степей Северных Ергеней происходили ритмичные изменения морфологических, химических, микробиологических, магнитных свойств. Масштабы выявленных изменений приводили к обратимым эволюционным преобразованиям почв на типовом, родовом или видовом таксономических уровнях. Палеопочвенные данные свидетельствуют о вековой динамике среднегодового количества атмосферных осадков в пределах ±(30-50) мм с
периодической сменой кратковременных гумидных и аридных климатических периодов продолжительностью 100-150 лет.
Прикаспийская низменность. Курганный могильник «Колобовка» расположен в Заволжье в 1 км к северу от с. Колобовка Ленинского р-на Волгоградской обл. на второй надпойменной террасе Волго-Ахтубы с абсолютными отметками 10-15 м. В природном отношении район входит в зону пустынной степи Прикаспийской низменности. Участок представляет собой выровненную поверхность со слабым уклоном в западном направлении. С поверхности терраса сложена желто-бурыми лессовидными засоленными суглинками, которые с глубины 1.5-2.5 м подстилаются песчаными отложениями. Грунтовые воды расположены на глубине 10 м. Могильник находится на старозалежном участке с восстановившимся естественным растительным покровом. Доминирует полынная ассоциация. В современном почвенном покрове преобладают светло-каштановые почвы в комплексе с солонцами.
Проведены палеопочвенные исследования курганов средне- (I-II вв. н.э.) и позднесарматского (II-III вв. н.э.) времени. Сравнительный анализ строения и свойств подкурган-ных и современных почв дает основания сделать следующие выводы о динамике природных условий в первые века новой эры на территории пустынно-степного Заволжья. Характер выявленных изменений подкур-ганных светло-каштановых палеопочв свидетельствует о том, что в I в. н.э. наблюдалось увеличение степени атмосферной увлажненности, которое в итоге привело к интенсификации нис-
ходящей миграции водорастворимых компонентов (соли, гипс, карбонаты) и увеличению мощности гумусового горизонта. Морфолого-стра-тиграфические особенности профиля палеосолонца также свидетельствуют о том, что он переживал стадию активного выщелачивания. Во второй половине II в. н.э. наступил засушливый климатический период, продолжавшийся, вероятно, около столетия.
Морфолого-химические свойства подкурганных палеопочв близ расположенного курганного могильника «Маляевка» дают основания полагать, что в конце III в. н. э в полупустынном Заволжье наметилась тенденция гумидизации климата, получившая развитие в IV в. н.э. в качестве «мик-роплювиала». Это подтверждается и данными микробиологических исследований палеопочв, для которых были характерны достаточно высокие величины численности микроорганизмов различных трофических групп, микробной биомассы, в эколого-трофической структуре преобладали микроорганизмы, использующие легкодоступное органическое вещество.
Таким образом, исследования под-курганных педохронорядов позволили установить, что в конце I тыс. до н.э. - в первые века новой эры на территории Нижнего Поволжья доминировали сухо- и пустынно-степные ландшафты. Почвенный покров, как и в настоящее время, характеризовался комплексностью. В сухих степях ведущее место занимали каштановые почвы и солонцы, в пустынных степях - светло-каштановые почвы и солонцы. В хроноинтервале 2400-1600 лет морфологические, химические, магнитные свойства палеопочв испытывали определенную динамику, обу-
словленную вековой изменчивостью увлажненности климата. Масштабы преобразований почвенных свойств дают основания считать, что изменчивость средней многолетней нормы атмосферных осадков не превышала 50-70 мм/год в сторону аридизации или гумидизации климата.
Отражение вековых климатических изменений в состоянии микробных сообществ палеопочв. Заметный прогресс, достигнутый в последние годы в области познания закономерностей изменения микробных сообществ в связи с эволюцией почв и вековой динамикой климата степей юга России за историческое время, во многом обязан комплексным почвенно-микробиологическим исследованиям археологических памятников, в первую очередь курганов эпох бронзы, раннего железа и средневековья (Дем-кина и др., 2000, с. 1117-1126; Демки-на и др., 2007, с. 738-748; КЪошШоуа й а1., 2007, с. 328-336 и др.). Полученные нами доказательства (Демкина и др., 2007, с. 738-748; Бешкша й а1., 2008, с. 1439-1447; Каширская и др., 2010, с. 1229-1238) консервации в подкурганных палеопочвах микробных сообществ прошлых исторических эпох дают основания использовать различные микробиологические параметры в качестве индикаторов динамики климата, в частности, степени его увлажненности. Нами установлены микробиологические параметры, дающие контрастную характеристику микробного сообщества в степных палеопочвах в аридные и гумидные климатические периоды (Демкин и др., 2010, с. 15).
Эколого-трофическая и физиологическая структура микробных сообществ палеопочв. Микробио-
логические исследования 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 показали, что характеристики состояния микробных сообществ отражают вековые изменения увлажненности климата. Так, в каштановых палеопочвах в I в. н.э. биомасса активных микроорганизмов (С-СИД) была в 7-32 раза, а доля С-СИД/С орг в 12-23 раза выше, чем во II-III вв. н.э. (табл. 1). При этом в эколого-трофической структуре микробных сообществ рассматриваемых палео-почв зафиксированы несущественные отличия, что указывает на незначительные изменения климата в сторону аридизации. В светло-каштановых па-леопочвах (табл. 1) 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/С орг. 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 два 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.
В подкурганных палеопочвах, ко -торые пребывают в состоянии длительной изоляции от воздействия
Таблица 1.
Характеристика микробных сообществ гор. А1 подкурганных и современных почв Нижнего Поволжья
Время С-СИД, мкг С/г почвы СЧ микро-организмов, млн КОЕ/г почвы ЭТС, % ПА:НА: БС БС/ НА Индекс олиготроф-ности С-СИД/ С орг, %
Каштановые почвы, курганный могильник «Авиловский»
I в. н.э. 45.9 68.96 56 : 4 : 40 11 143 0.6
II-III вв. н.э. 6.5 50.58 58 : 3 : 39 11 146 0.05
Современность 657.9 42.80 55 : 4 : 41 9 135 4.2
Каштановые почвы, курганный могильник «Перегрузное»
I в. н.э. 63.2 62.87 65 : 4 : 31 7 208 0.7
II-III вв. н.э. 2.0 68.40 64 : 5 : 31 6 206 0.03
Современность 497.2 61.76 59 : 2 : 39 21 155 3.2
Светло-каштановые почвы, курганный могильник «Абганерово»
II-III вв. н.э. 21.4 16.30 58 : 6 : 36 6 157 0.5
III-IV вв. н.э. 32.6 8.91 35 : 19 : 46 2 75 0.7
Современность 1310.8 159.76 42 : 14 : 44 3 95 9.0
Примечание. СЧ - суммарная численность микроорганизмов, выросших на почвенном агаре, нитритном агаре и богатой органической среде; ЭТС - эколого-трофическая структура микробного сообщества, представленная соотношением долей микроорганизмов, выросших на разных средах: ПА, НА, БС.
внешних факторов (сотни и тысячи лет), значительная часть микробного сообщества находится в покоящемся состоянии. Добавление различных питательных веществ (в частности, глюкозы) может стимулировать реактивацию клеток и переход их в активное состояние. Поэтому при исследовании состояния микробных сообществ погребенных палеопочв определение суммарной микробной биомассы (С-МБ), включающей как реактивируемые глюкозой, так и глубоко покоящиеся микробные клетки, дает нам общее представление о величине микробного сообщества, а биомасса реактивируемых глюкозой клеток (С-СИД) характеризует физиологическое состояние микро-
организмов. Соотношение этих двух показателей может в определенной степени служить характеристикой метаболической активности микробного сообщества.
Установлено, что в палеопочвах могильника «Авиловский» (Приволжская возвышенность) суммарная микробная биомасса, активная биомасса и ее доля существенно ниже, чем в современном аналоге (рис. 2). При сравнении же двух палеопочв, погребенных в I и во II-III вв. н.э., выявилось следующее. Суммарная микробная биомасса достоверно не различалась. Активная биомасса и ее доля в суммарной биомассе в этих па-леопочвах существенно отличаются, что указывает на различные физиоло-
гическое состояние микроорганизмов и структуру микробных сообществ. Заметно более высокие значения этих показателей в среднесарматской па-леопочве свидетельствуют о большей увлажненности климата в I в. н.э.
Выявленная закономерность прослеживается и в палеопочвах курганного могильника «Перегрузное» (Северные Ергени) (рис. 3). Доля активной биомассы в микробном сообществе гор. А1 каштановой палео-почвы I в. н.э. сопоставима с таковой в современной почве и существенно превышает этот показатель в почве, погребенной во II-III вв. Выявленные различия в состоянии микробных сообществ подкурганных почв были обусловлены сменой относительно гумидных условий почвообразования более аридными, которая приходилась скорее всего на середину II в. н. э.
Таким образом, проведенный сравнительный анализ состояния микробных сообществ подкурганных палеопочв дает основания считать, что первые века новой эры в сухих и пустынных степях Нижнего Поволжья характеризовались сменой сравнительно влажных климатических условий засушливыми, а затем вновь влажными.
Суммарная и живая микробная биомасса в палеопочвах. Одной из важных характеристик микробных сообществ является их биомасса -суммарная, охватывающая микроорганизмы на разных стадиях жизненного цикла, а также погибшие и мумифицированные клетки, и живая - включающая только активные и покоящиеся клетки. Суммарная биомасса определялась методом экстракции и осаждения микробной фракции с оценкой полноты выделения и из-
Рис. 2. Биомасса (а - суммарная, б - активная) микроорганизмов и доля активных микроорганизмов в суммарной микробной биомассе (в) в гор. А1 подкурганных и современной каштановых почв (курганный могильник «Авиловский»).
Рис. 3. Доля активных микроорганизмов (С-СИД) в суммарной микробной биомассе (С-МБ) в гор. А1 подкурганных и современной каштановых почв (курганный могильник «Перегрузное»).
мерением содержания выделенного микробного углерода (Хомутова и др., 2004, с. 241-247; Каширская и др., 2009, с. 581-587). Живую микробную
биомассу оценивали по содержанию почвенных фосфолипидов (Хомутова и др., 2011, с. 1496-1503). Фосфоли-пиды являются необходимыми компонентами всех живых клеток. Они входят в состав клеточных мембран бактерий, актиномицетов, грибов, низших растений и пр. и не встречаются в клеточных продуктах запасания, а после гибели клеток быстро разрушаются (Frostegard е! а1., 1991, с. 151163). Поэтому биомасса, оцененная на основании содержания фосфоли-пидов, характеризует живую часть микробных сообществ, включающую клетки на разных стадиях жизненного цикла, в том числе покоящиеся и не-культивируемые формы. Поскольку в засушливых регионах, к которому относятся исследованные почвы, клетки микробных сообществ находятся в основном в покоящемся состоянии, соотношение содержания фосфоли-пидов и органического углерода в них квазипостоянно. Было установлено, что 1 г углерода клеток соответствует 521 мкмоль фосфатов фосфолипидов ^М1ау е! а1., 1989, с. 2888-2893). Используя это соотношение, мы рассчитали живую биомассу микробных сообществ в единицах углерода, а также долю живой микробной биомассы в суммарной биомассе.
Исследованы палеопочвы, погребенные под курганами ~2000 лет назад в сухих степях Северных Ергеней (могильники «Аксай-3» и «Перегрузное-2009»). На объекте «Аксай-3» исследован солонцовый комплекс I в. н.э. (рр. Д-679, Д-680, Д-681, 682, курган № 3). Современные фоновые почвы были изучены в разрезах на целинном участке (р. Д-677 - солонец, р. Д-678 - каштановая почва). На объекте «Перегрузное-2009» исследова-
ны палеосолонцы, погребенные в I в. н.э. (р. Д-732, курган № 42 и р. Д-729, курган № 44) и современный фоновый солонец на целинном участке (р. Д-728).
Величину углерода, связанного с суммарной микробной биомассой, определяли по разработанной нами методике (Каширская и др., 2009, с. 581-587). Величину углерода живой микробной биомассы определяли на основании содержания почвенных фосфолипидов (Хомутова и др., 2011, с. 1496-1503).
Данные по содержанию суммарной микробной биомассы в современных и подкурганных палеопочвах солонцового комплекса I в. н.э. объекта «Аксай-3» представлены на рис. 4. Средневзвешенные величины (гор. А1+В1+В2) суммарной микробной биомассы (рис. 4а) были максимальны в фоновом солонце (1980 мкг С/г) и ниже на 53% (940 мкг С/г) в фоновой каштановой почве. В погребенном палеосолонце суммарная микробная биомасса составляла 86%, а в погребенных каштановых почвах - 94% от фона (среднесолонцеватая каштановая палеопочва) и превышала фон в два раза (сильносолонцеватая и несолонцеватая каштановые палеопочвы). Доля суммарной микробной биомассы в общем органическом углероде современных почв составляла 20-26%, а в палеопочвах достигала 40-58%. Средневзвешенные величины живой микробной биомассы (рис. 4б) были максимальны в фоновой каштановой почве (131 мкг С/г) и ниже на 16% (110 мкг С/г) в фоновом солонце. В погребенных палеопочвах средневзвешенные величины живой микробной биомассы составляли 34-40% (каштановая сильносолонцеватая и несо-
лонцеватая палеопочвы) и 64-68% от фона (каштановая среднесолонце-ватая палеопочва и палеосолонец). Доля живой микробной биомассы в суммарной рассматривалась как показатель сохранности микроорганизмов в конкретных почвенных условиях. Она была максимальна в фоновой каштановой почве (14%) и ниже в фоновом солонце (5.6%). В погребенных палеопочвах доля живой микробной биомассы составляла 2.4-2.7% (сильносолонцеватая и несолонцеватая каштановые палеопочвы), увеличивалась до 4.2% (палеосолонец) и достигала 10.2% в среднесолонцеватой каштановой палеопочве. Живая микробная биомасса в фоновых почвах составляла 2.8% от общего органического углерода и 1.5-4.1% - в погребенных палеопочвах.
На объекте «Перегрузное-2009» исследована динамика живой микробной биомассы (рис. 5) в палеосолон-цах (курганы № 42 и № 44) и в современном солонце на целинном участке, а также в солонцовом комплексе, погребенном в I в. н.э., и современных фоновых аналогах. Средневзвешенное содержание живой микробной биомассы (гор. А1+В1+В2) в современном солонце было 40 мкг С/г, а в па-леосолонцах составляло 21% (курган № 44) и 46% (курган № 42) от фона (рис. 5б). Абсолютные величины живой микробной биомассы в глубь профиля в фоновом солонце последовательно уменьшались от 167 до 16 мкг С/г (рис. 5а). В палеосолонцах они колебались на уровне 7-19 мкг С/г, а в сравнении с содержанием живой биомассы в фоновой современной почве по горизонтам они последовательно увеличивались и составляли около 7% от содержания в гор. А1, 19% (курган
№ 44) и 50% (курган № 42) от содержания в гор. В1 и 51% (курган № 44) и 122% (курган № 42) от содержания в гор. В2. Таким образом, полученные результаты указывают на то, что в па-леосолонцах сохраняется живая микробная биомасса, причем в большей степени - в нижележащих горизонтах. В палеопочве кургана № 42 живая биомасса была больше, чем в таковой кургана № 44 в 2.7 (гор. В1) и 2.3 (гор. В2) раз, что может свидетельствовать о более высоком уровне увлажненности климата во время сооружения кургана № 42.
Таким образом, в исследованных подкурганных палеопочвах суммарная микробная биомасса сохранилась до настоящего времени, причем ее величина сопоставима, а в некоторых случаях превышает таковую в современных фоновых аналогах. Сохранилась также и живая микробная биомасса. Доля живых клеток в суммарной микробной биомассе в палео-почвах солонцового комплекса в некоторых случаях была близка таковой фоновых почв. Сопоставление относительных величин живой микробной биомассы в гор. В1 и В2 двух палеосо-лонцов свидетельствует о том, что на протяжении I в. н.э. происходило постепенное увеличение засушливости климата. Это дает основания полагать, что показатели состояния микробных сообществ в подкурганных палеопоч-вах могут служить индикаторами вну-тривековой (короткопериодной) изменчивости увлажненности климата. Соотношение углерода, связанного с суммарной микробной биомассой, и общего органического углерода в па-леопочвах оказалась выше, чем в современных аналогах, что очевидно, связано с минерализацией органиче-
Рис. 4. Средневзвешенные величины (гор. А1+В1+В2) суммарной микробной биомассы (а) и живой микробной биомассы (б) современных фоновых почв объекта «Аксай-3». Фоновые почвы: Д-677 - солонец, Д-678 - каштановая почва). Подкурганные палеопочвы I в. н.э.: Д-679 - палеосолонец, Д-680 - сильносолонцеватая, Д-681 - среднесолонцеватая, Д-682 - несолонцеватая каштановые палеопочвы.
Рис. 5. Содержание живой микробной биомассы в гор. А1, В1, В2 (а) и средневзвешенное по профилю (б) в подкурганных
(I в. н.э.; Д-729, курган № 44; Д-732, курган № 42) и современном (Д-728) солонцах объекта «Перегрузное-2009».
ского вещества и исчерпанием запасов доступного органического углерода в процессе длительного погребения (около 2000 лет).
Заключение. Выявленные нами закономерности изменчивости морфологических, химических, магнитных свойств, биологической активности и эволюции палеопочв дают основания
считать, что в степях юга России на протяжении исторического времени ведущим фактором почвообразования являлся климат. Вековая динамика степени его увлажненности определяла направленность, скорость и масштабы преобразований почвенных свойств, оказывала существенное влияние на интенсивность и направленность эле-
ментарных почвенных процессов, на пространственно-временную организацию почвенного покрова. Поэтому одной из важнейших задач почвенно-археологических исследований является реконструкция изменчивости климатических условий за историческое время. Как известно, достоверность и детальность природных реконструкций, в том числе климатических, определяется прежде всего палеообъ-ектами ретроспективных исследований, которые должны отвечать определенным требованиям. Таковыми, на наш взгляд, являются: положение in situ; интегральное отражение природных условий; достаточно точная, экспрессная и малозатратная датировка; хорошая сохранность исходных характеристик; пространственно-временная репрезентативность; тесная хронологическая последовательность; приуроченность к различным ландшафтно-геоморфологическим районам; кратковременный (дни, недели) переход в состояние консервации (погребения); легкость обнаружения и вскрытия; возможность комплексных междисциплинарных исследований с использованием различных полевых и лабораторных методов. Очевидно, что перечисленным требованиям в полном объеме отвечают палеопочвы разновозрастных археологических памятников - курганов. Их сооружение происходило непрерывно носителями последовательно сменявших друг друга культур эпох энеолита, бронзы, раннего железа и средневековья с конца V тыс. до н.э. до начала XV в. н.э. Курганный погребальный обряд на большей части территории степей осуществлялся в период от оттаивания до промерзания почвенно-грунтовой толщи, то есть с ранней весны до
поздней осени. Время сооружения памятников в зависимости от их размеров и численности занятых в этом процессе людей занимало от нескольких дней до одного-двух месяцев. Точ -ность определения возраста курганов, а следовательно, и времени погребения палеопочв, по археологическим материалам раскопок, как правило, не превышает одного-двух столетий, причем датировка курганного захоронения может быть проведена в ходе полевых исследований. В евразийских степях курганы распространены в огромном количестве, в частности, только в южных регионах России их число достигает нескольких сотен тысяч. Они приурочены к различным природным районам и элементам рельефа (водоразделы, склоны, остан-цовые поверхности, речные долины, равнинные и предгорные участки и др.), где зачастую встречаются группами, формируя курганные могильники. Как правило, в составе могильников встречаются памятники различных культур, что дает возможность исследования подкурганных педохроноря-дов, приуроченных к определенному ландшафту с одинаковыми климатическими, геоморфологическими, ли-тологическими, геохимическими, почвенно-растительными условиями. Достаточно надежная сохранность исходных свойств подкурганных па-леопочв обеспечивается спецификой биоклиматических условий степной зоны и довольно мощной (от 50-100 см до 2-3 м и более) перекрывающей их насыпной толщей полусферической формы. Это особенно важно, учитывая, что почвы относятся к числу объектов, интегрально отражающих природные условия их функционирования и развития за историческое
400
=1
а 380
s s 360
s" и 340
s о 320
О
300
I I
•s.'
IV 111 II
Рис. 6. Динамика увлажненности климата сухих степей Нижнего Поволжья в савромато-сарматскую эпоху (VI в. до н.э. - IV в. н.э.).
время. В исследованиях подкурганных палеопочв с целью реконструкции динамики увлажненности климата возможно использование комплекса разнообразных методов почвоведения, ботаники, почвенной микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, минералогии, изотопной геохимии, аналитической химии, геофизики, агрохимии, радиоуглеродного датирования, электронной микроскопии и др.
Почвенно-археологические исследования курганов ранне-, средне-и позднесарматского времени свидетельствуют о том, что временная изменчивость морфологических, химических, микробиологических, магнитных свойств палеопочв сухих и пустынных степей Нижнего Поволжья в хроноинтервале 2400-1600 лет назад характеризовалась ритмичностью, которая была обусловлена вековой динамикой увлажненности климата с колебаниями среднегодовой нормы атмосферных осадков в пределах ±30-50 мм. Впервые установлено, что на протяжении сарматской эпохи периодическая смена кратковременных (100-150 лет) гумидных и аридных климатических эпох оказывала весьма
I_ 0_ Г1_ 1П_ ГУ_
до н.э. н.э. века
Ранне- Средне- Поздне-сарматская сарматская сарматская
Археологические культуры
значительное влияние на скорость и направленность процессов засоления/ рассоления, солонце- и гумусообра-зования, биологическую активность палеопочв солонцовых комплексов исследуемого региона. В частности, в сухостепной зоне Северных Ерге-ней вековая динамика увлажненности вызывала существенные преобразования структуры почвенного покрова с обратимыми эволюционными трансформациями палеопочв на уровне типов, родов или видов.
В климатическом отношении сарматская эпоха характеризовалась чередованием микроплювиальных и микроаридных периодов (рис. 6). Относительно влажные условия имели место в I в. до н.э., I и IV вв. н.э. (~380-400 мм/год), а наиболее засушливые -в IV-III вв. до н.э., во второй половине II - первой половине III вв. н.э. (~330-350 мм/год). Промежуточная и близкая к современности ситуация по степени увлажненности климата зафиксирована в первой половине II в. н.э. и во второй половине III в. н.э. (~350-380 мм/ год). Предложенная оценка количества атмосферных осадков приведена для сухих степей Нижнего Поволжья
и опирается на их современную норму (~350-370 мм/год) с учетом масштабов изменчивости свойств палеопочв, развитых в исследуемом регионе во II-I вв. до н.э., I-II, II-III и III-IV вв. н.э., а также особенностей современных фоновых почв.
Установленная нами периодизация и хронология динамики климатических условий нижневолжских степей в сарматское время в целом согласуется с закономерностями развития природных процессов в других регионах степей и пустынь Евразии. В частно-
сти, по результатам палеогеографических и почвенно-археологических исследований микроплювиалы в I-II и/ или в конце III-IV вв. зафиксированы на Ближнем Востоке (Enzel et al., 2003, с. 263-273), в Приазовье (Песочина, 2004, с. 18-22), в Южном Приуралье (Рысков, Демкин, 1997, с. 142-145), в Зауралье (Плеханова, Демкин, 2008, с. 5-16). Установлено (Виноградов, Мамедов, 1991, с. 66-75; Маев и др., 1991, с. 76-86), что в бассейне Аральского моря во II-III вв. заметно усилилась засушливость климата.
ЛИТЕРАТУРА
Виноградов А.В., Мамедов Э.Д. Изменения климата и ландшафтов междуречья Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи (по археологическим и палеогеографическим данным) // Аральский кризис. - М., 1991.
ДемкинВ.А., Борисов А.В., Демкина Т.С. и др. Волго-Донские степи в древности и средневековье (по материалам почвенно-археологических исследований). - Пу-щино: SYNCHROBOOK, 2010.
Демкина Т.С., Борисов А.В., Демкин В.А. Микробные сообщества палеопочв археологических памятников пустынно степной зоны // Почвоведение. - 2000. -№ 9.
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.
Каширская Н.Н., Хомутова Т.Э., Демкина Т.С., Демкин В.А. Микробная биомасса подкурганных и современных почв степной зоны Нижнего Поволжья // Почвоведение. - 2009. - № 5.
Каширская Н.Н., Хомутова Т.Э., Дмитриев В.В., Дуда В.И., Сузина Н.Е., Дем-кин В. А. Морфология клеток и биомасса микроорганизмов подкурганных и современных степных почв Нижнего Поволжья // Почвоведение. - 2010. - №10.
Маев Е.Г., Маева С.А., Карпычев Ю.А. Аральское море в голоцене // Аральский кризис. - М., 1991.
Песочина Л. С. Развитие почв и природной среды Нижнего Дона во второй половине голоцена. Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - М., 2004.
Плеханова Л.Н., Демкин В.А. Палеопочвы курганов раннего железного века степного Зауралья // Почвоведение. - 2008. - № 1.
Рысков Я.Г., Демкин В.А. Развитие почв и природной среды степей Южного Урала в голоцене. - Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1997.
Скрипкин А. С. История Волгоградского края от каменного века до Золотой Орды. - Волгоград, 2008.
Хомутова Т.Э., Демкина Т.С., Демкин В.А. Оценка суммарной и активной микробной биомассы в погребенных подкурганных палеопочвах разного возраста // Микробиология. - 2004. - Т. 73, № 2.
Хомутова Т.Э., Каширская Н.Н., Демкин В.А. Оценка живой и суммарной биомассы микробных сообществ современной каштановой почвы и подкурганных палеопочв // Почвоведение. - 2011. - № 12.
Demkina T.S., Khomutova T.E., Kashirskaya N.N., Demkina E.V., Stretovich I.V., El-Registan G.I. andDemkin V.A. Age and activation of microbial communities in soils burial mounds and in recent surface soils of steppe zone // Eurasian Soil Science. - 2008. - Vol. 41, № 13.
Enzel Y., Bookman R., Sharon D., Gvirtzman H., Dayan U., Ziv B., Stein M. Late Holocene climates of the Near East deduced from Dead Sea level variations and modern winter rainfall // Quaternary Research. - 2003. - Vol. 60.
FrostegardA., TunlidA., Baath E. Microbial biomass measured as total lipid phosphate in soils of different organic content // J. Microbiol. Methods. - 1991. - Vol. 14.
Findlay R.H., King G.M., Watling L. Efficacy of phospholipid analysis in determining microbial biomass in sedimends // Applied and Environmental Microbiology. - 1989. -Vol. 55, № 11.
Khomutova T.E., Demkina T.S., Borisov A.V and et al. An assessment of changes in properties of steppe kurgan paleosoils in relation to prevailing climates over recent millennia // Quaternary Research. - 2007. - Vol. 67, № 3.
UNDERKURGAN PALEOSOILS OF THE LOWER VOLGA STEPPES AS INDICATORS OF CLIMATE DYNAMICS DURING HISTORICAL TIME
, T.S. Demkina, T.E. Khomutova, S.N. Udaltsov, N.N. Kashirskaya
Keywords: paleosoils, paleoclimate humidity, sarmatian epoch, steppes.
The studies of paleosoils buried beneath kurgan embankments of the early, middle, and late sarmatian time (IV c. BC - AD IV c.) were carried out in the dry and desert steppes of the Lower Volga (Privolzhskaya and Yergeninskaya uplands, Cis-Caspian Lowland). It was established that within chronointerval 2400-1600 years ago temporal variability of morphological, chemical, microbiological, and magnetic properties of paleosoils was rhythmic and was conditioned by the centennial dynamics of climate humidity with oscillations of mean annual precipitation rate within ±30-50 mm. Periodical change of humid and arid climatic epochs influenced considerably on the processes of salinization-desalinization, solonetz and humus formation, biological activity of paleosoils of the solonetz complexes. This stimulated essential changes in the structure of soil cover with reversal evolutionary transformations of paleosoils on the levels of types, genera or species within several decades of years. Under the shifts to arid conditions these paleosoils changed again to solonetzes and zonal chestnut soils. Natural conditions within the existence of the sarmatian culture society may be characterized as alternation of micropluvial and microarid periods with 100-200 years duration. In particular, both in dry (Volga-Don interfluve) and in desert (Trans-Volga) steppes I c. BC, AD I and IV cc. were characterized by relatively humid conditions, while IV-III cc. BC, AD second half II - first half III cc. were most arid. Intermediate and close to modern time humidity situation took place in AD first half II c. and in the second half of III c.
V.A. Demkin M.V. Yeltsov,
