ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 7, с. 836-846
БИОЛОГИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПОЧВ
УДК 631.46:631.48:930.26
ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ СТЕПНЫХ ПОДКУРГАННЫХ ПАЛЕОПОЧВ САРМАТСКОГО ВРЕМЕНИ
(I-IV ВВ. Н.Э.)*
© 2009 г. Т. С. Демкина, Т. Э. Хомутова, Н. Н. Каширская, И. В. Стретович, В. Ä. Демкин
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2 e-mail demkina@issp.serpukhov.su Поступила в редакцию 08.10.2008 г.
Проведены микробиологические исследования палеопочв разновозрастных курганов средне- (I—II вв. н.э.) и позднесарматского (II—IV вв. н.э.) времени в различных районах нижневолжских степей. В хроно-интервале I-IV вв. н.э. закономерности развития почвенных микробных сообществ были обусловлены динамикой климата, 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.). В гумидные климатические периоды увеличивалась активная биомасса микроорганизмов и ее доля от суммарной микробной массы и С орг почвы, в эколого-трофической структуре микробного сообщества возрастала доля микроорганизмов, использующих растительные остатки, при этом индекс олиготрофности снижался. В аридные климатические периоды указанные изменения имели противоположенную направленность. 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-географиче-ским зонам (сухо- и пустынно-степная), природным районам (Приволжская, Ергенинская возвышенности, Прикаспийская низменность) и элементам рельефа (водоразделы, речные террасы, морская равнина).
ВВЕДЕНИЕ
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. Результаты этих исследований позволили предположить [6, 16-20, 23, 31, 36], что микробные сообщества подкурганных палеопочв степной зоны сохраняют до настоящего времени ряд свойств, присущих им на момент сооружения памятника, и, следовательно, могут служить индикаторным показателем состояния и динамики климатических условий. Тем не менее необходимы дополнительные доказательства, что обнаруживаемые сейчас в подкурганных па-леопочвах микроорганизмы являются унаследованными, то есть существовавшими в момент сооружения археологического памятника.
Для решения этой проблемы нами с использованием метода 14С атомной масс-спектрометрии
* Исследования проводились при поддержке РФФИ (проекты 09-04-00233, 09-04-00699) и Программы фундаментальных исследований Президиума РАН.
впервые определен возраст микробной биомассы подкурганной и современной каштановых почв (курганный могильник "Аксай-3", Северные Ер-гени, Волгоградская обл.) [30]. Микробную фракцию выделяли из почвы методом экстракции и осаждения клеток по разработанной нами методике [29]. Установлено, что в современной каштановой почве возраст микробной фракции в гор. А1 составляет около 100 лет. С глубиной он увеличивается до 780 ± 30 лет в гор. В1 и до 3300 ± 30 лет в гор. В2. В связи с этим интересно отметить, что Рубилиным и Козыревой [26] был определен возраст гумуса каштановых почв Моздокской степи (Северная Осетия) и Ставропольской возвышенности (Ставропольский край). В гор. А1 он соответственно равен 1850 ± 90 и 1080 ± 120 лет, в гор. В - 4210 ± 130 и 4270 ± 190 лет. Таким образом, возраст микробных сообществ различных горизонтов исследованных нами каштановых почв значительно моложе, чем возраст гумуса сходных каштановых почв. По археологическим данным, время сооружения кургана относится к I в. н.э. (среднесарматская культура). Возраст микробной фракции в гор. А1 погребенной почвы составляет 2200 ± 35 лет. В фоновой почве возраст микробной фракции в этом же горизонте около 100 лет. Следовательно, результаты радиоуглеродного датирования дают основания счи-
тать, что возраст кургана составляет ~2100 лет. Некоторое увеличение возраста по сравнению с археологической датировкой памятника может объясняться следующим обстоятельством. Известно [32], что за последние 8000 лет наблюдались колебания концентрации 14С в атмосфере с отклонениями от стандартного уровня до 10-12%. По данным автора [32], в связи с этим для хроно-среза ~2000 лет назад отклонение радиоуглеродного возраста от истинного составляет 100-150 лет в сторону увеличения. С учетом этой поправки возраст микробной биомассы в гор. А1 не превышает 2100 лет. Следовательно, время создания кургана, датируемое по археологическим материалам, совпадает с данными радиоуглеродного возраста микробной биомассы в гор. А1 палеопочвы.
Особый интерес представляют результаты определения возраста микробной биомассы, выделенной из гор. В2 подкурганной и современной почв [30]. Ее возраст практически одинаков -3680 ± 35 и 3300 ± 30 лет, что является еще одним подтверждением древности и практически неизменности состояния микробных сообществ в этом горизонте исследованных почв. Их формирование, вероятно, произошло в середине II тыс. до н.э., когда, согласно нашей гипотезе [12], в степях Нижнего Поволжья в результате смены аридных условий почвообразования более гумидными 4000-3500 лет назад каштановидные палеопочвы эволюционировали в зональные каштановые и около 3500 лет назад сложился современный облик почвенного покрова.
Таким образом, полученные данные подтверждают наше предположение о том, что в погребенных почвах археологических памятников до настоящего времени сохраняются микроорганизмы прошлых исторических эпох. Этому, вероятно, способствовали адаптационные механизмы выживания почвенных микробных сообществ (анабиоз, переход бактерий в наноформы и др.) в неблагоприятных экологических условиях [8, 9]. С применением электронной микроскопии установлено [23], что в гор. А1 подкурганной каштановой почвы около 80% клеток относятся к нано-формам (их объемы не превышают 0.09 мкм3), а в современном аналоге —60%. Цитологические исследования искусственно образованных нано-клеток позволили предполагать, что их формирование представляет универсальную ответную реакцию организма на неблагоприятные условия и стресс-факторы [9].
Итак, нами изложены основные доказательства консервации в подкурганных палеопочвах микробных сообществ прошлых исторических эпох, что дает основания использовать различные микробиологические параметры в качестве индикаторов динамики климата, в частности, степени его увлажненности. Перейдем к рассмотре-
Объекты исследования---- Граница природных зон
Рис. 1. Схема района и местоположение объектов (курганные могильники) исследований. Сухостеп-ная зона с каштановыми почвами: 1 - "Авиловский; 2 - "Аксай-1"; 3 - "Перегрузное"; пустынно-степная зона со светло-каштановыми почвами: 4 - "Абгане-рово"; 5 - "Маляевка"; 6 - "Колобовка".
нию выявленных закономерностей изменчивости микробных сообществ палеопочв нижневолжских степей в средне- (1-11 вв. н.э.) и позднесар-матское (II-IV вв. н.э.) время на примере нескольких курганных могильников, расположенных в различных природных районах.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводились в зонах сухих и пустынных степей Нижнего Поволжья (Волгоградская обл.) в ареалах каштановых и светло-каштановых почв со среднегодовой нормой атмосферных осадков 350-380 и около 300 мм соответственно. Объектами изучения послужили подкурганные палеопочвы среднесарматского ^-первая половина II вв. н.э.) и позднесарматского (вторая половина II-первая половина IV вв. н.э.) времени, приуроченные к различным природным районам и элементам рельефа Приволжской, Ергенинской возвышенностей, Прикаспийской низменности (курганные могильники "Авиловский", "Аксай-1", "Перегрузное", "Абганерово", "Маляевка", "Колобовка") (рис. 1).
Нами установлены микробиологические параметры, дающие контрастную характеристику микробного сообщества в степных палеопочвах в аридные и гумидные климатические периоды [20]. К их числу относятся: 1) активная биомасса
микроорганизмов (С-СИД); 2) ее доля от суммарной микробной биомассы (С-МБ), и 3) ее доля от С орг почвы; 4) 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); 5) соотношение численности микроорганизмов, использующих легкодоступное органическое вещество - растительные остатки (БС) и труднодоступное - гумус (НА): БС/НА; 6) индекс олиготрофности (ПА/БС100), 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 С-МБ и С орг 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
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.