Выявление направленной изменчивости во времени палеопочв короткого хроноряда при значительном варьировании фоновых почв

УДК 631.4

ВЫЯВЛЕНИЕ НАПРАВЛЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ВО ВРЕМЕНИ ПАЛЕОПОЧВ

КОРОТКОГО ХРОНОРЯДА ПРИ ЗНАЧИТЕЛЬНОМ ВАРЬИРОВАНИИ ФОНОВЫХ ПОЧВ1

А.А. Юстус, О.С. Хохлова, Ю.Л. Мешалкина

Изучение свойств палеопочв курганного могильника Филипповка 1 в Оренбургской обл., функционировавшего во второй половине V—IV в. до н.э., проведено с использованием многомерных статистических методов, что позволило установить относительный хронологический порядок сооружения в нем курганов, подтвержденный радиоуглеродным датированием гумуса.

Ключевые слова: палеоклиматические реконструкции, палеопочвы, метод главных компонент, кластерный анализ.

Введение

Изучение подкурганных палеопочв — важный раздел археологического почвоведения, бурно развивающегося в последнее время. Можно перечислить целый ряд трудов монографического или обобщающего характера, изданных в России в последнее десятилетие [1, 3, 4, 6, 13]. Вместе с тем для второй половины голоцена имеется множество как глобальных, так и региональных схем реконструированных палеоклиматических колебаний, полученных на основе палеопочвенного изучения земляных археологических памятников, которые дают противоречивую либо взаимоисключающую информацию [10]. Это обусловливает актуальность проблем выявления связей между свойствами почв и биоклиматическими параметрами.

В данной работе использован подход [17], основанный на предположении, что в больших могильниках, относимых к одной культуре, становится возможным воссоздать относительный порядок сооружения курганов на основе различий свойств палеопочв. Однако варьирование величин, связанное с пространственной неоднородностью почвенного покрова, может перекрывать дифференциацию, обусловленную направленным изменением климата. В этом случае предлагается сравнивать погребенные почвы между собой не напрямую, а посредством их соотнесения с аналогами — современными фоновыми почвами, при этом последние могут различаться для каждого кургана (или группы курганов). Таким образом предполагается исключить варьирование, связанное с пространственной неоднородностью. Оставшееся варьирование свойств в погребенных почвах будет обусловлено, с одной стороны, неодинаковым воздействием климатических условий на момент погребения, а с другой — случайной составляющей, которая включает влияние микрорельефа, лабораторную ошибку и другие невыделяемые факторы. Так, например, если для двух погребенных почв с одинаковым содержанием гумуса подобраны

на основании некоторого подобия разные аналоги, то более благоприятные условия гумусонакопления будут определены для времени погребения той почвы, у которой разность запасов гумуса с современным аналогом будет меньше. При этом случайная составляющая варьирования может быть охарактеризована доверительным интервалом (разбросом) оценки разности запасов гумуса.

Поэтому цель данной работы — по возможности уменьшить влияние пространственной неоднородности почв при выявлении различий в их свойствах, вызванных изменением климатических условий. Необходимо установить относительный хронологический порядок сооружения курганов в могильнике Филипповка 1 и провести палеоклиматические реконструкции для времени его функционирования.

Объекты и методы исследования

Работа проведена нами в составе Приуральской экспедиции Института археологии РАН и Оренбургского государственного педагогического университета в 2004—2007 гг. По данным археологов, время функционирования могильника — середина V — середина или конец IV в. до н.э. Погребения расположены на площади около 16 км2, приуроченной к равнине Урало-Илекского водораздела. Это аккумулятивная озерно-аллювиальная равнина неоген-четвертичного возраста. Почвообразующие породы слоисты, в прошлом в разной степени засолены, гранулометрический состав легко- и среднесуглинистый. Климат континентальный. Годовая сумма атмосферных осадков составляет 350—400 мм при испаряемости около 500 мм. В почвенном покрове преобладают черноземы южные, практически повсеместно распаханные [7].

Изучены палеопочвы, погребенные под всеми раскопанными экспедицией к концу 2007 г. курганами (4, 11, 13, 15, 16, 25—28), а также палеопочвы под бровками курганов, оставшихся от предыдущих раскопок (1 и 23). Номера курганов и разрезов па-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 07-05-00905).

леопочв идентичны. Под курганом 4 разрезы были продублированы из-за его большой протяженности: разр. 4ю был заложен под южным склоном, разр. 4с — под северным. Практически возле каждого кургана были заложены разрезы на современных фоновых почвах. (Для их отличия к номерам добавлено 100.) Почвенные разрезы имеют глубину ~ 2 м, для них составлены подробные морфологические описания. Образцы почв для лабораторных анализов отбирались из каждых 10 см. (Из разреза под курганом 26 образцы не брали из-за малой мощности курганной насыпи и плохой сохранности палеопочвы.) Определяли органический углерод по методу Тюрина (до глубины 100 см); сумму обменных оснований — пламенно-фотометрическим, кальций и магний — комплексонометрическим, содержание карбонатов — ацидиметрическим [2], гранулометрический состав — пирофосфатным методами. Анализы выполнены в химико-аналитическом комплексе ИФХ и БПП РАН (аналитики канд. биол. наук. И.И. Скрипниченко, Н.Я. Плясова). Радиоуглеродное датирование гумуса верхних 5 см палеопочв проведено в радиоуглеродной лаборатории Института географии РАН, Москва (рук. О.А. Чичагова, Э.П. Зазовская) и Киевской радиоуглеродной лаборатории НАН Украины (рук. Н.Н. Ковалюх). Таким образом, в поле были изучены 12 разрезов палеопочв; современные фоновые почвы характеризовались 10 разрезами. В расчетах использовали данные по 11 разрезам палеопочв и 8 современных почв, так как только в них был определен гранулометрический состав.

Анализ данных проводили в два этапа. Сначала произвели поиск современных аналогов для палеопочв, а затем изучили различия между палеопочвами и их аналогами по запасам органического вещества в слое 0—100 см. Для поиска современных аналогов использовали метод главных компонент (МГК) и кластерный анализ. Такое сочетание методов часто применяют для сложноорганизованных данных, каковыми и являются профильные распределения свойств почв [16]. Объектами для МГК служили 10-сантиметровые слои, слагающие разрезы современных почв. В качестве признаков выступали свойства, которые были получены по глубине всего профиля: обменные основания, карбонаты и гранулометрический состав. Данные по погребенным почвам при вычислении главных компонент (ГК) игнорировали, так как они, с методологической точки зрения, могли заключать варьирование анализируемых свойств не только пространственное, но и связанное с изменением палеоклиматических условий.

Проекции 10-сантиметровых слоев современных и палеопочв на первую ГК были скомпонованы в разрезы и проведен кластерный анализ, что позволило сгруппировать почвы по профильному распределению свойств, объясняющих большую долю общего варьирования, заключенного в первой ГК. Эти резуль-

таты сопоставили с таковыми кластерного анализа, проведенного только по отношению изменения содержания физической глины по профилю. В целом они совпали, но в последнем случае были менее устойчивыми и зависели от выбранной меры связи. Поэтому для дальнейшего анализа использовали результаты, полученные по более сложной процедуре (по МГК). Таким образом, были найдены кластеры, образованные современными и палеопочвами. Для каждого из них оставили только один современный аналог погребенных почв, наиболее близкий по профильному распределению физической глины.

Для всех палеопочв и их современных аналогов рассчитали запасы органического углерода в слое 0—100 см. Объемный вес получили путем пересчета на содержание физической глины. Регрессионное уравнение связи строили по данным, представленным в коллективной монографии [12] (коэффициент детерминации — 0,96). Кроме того, для слоя 0—40 см гумусовых горизонтов погребенных почв объемный вес был увеличен на 15%, так как, согласно исследованиям И.В. Иванова, «...плотность гумусового горизонта погребенных почв в слое 0—40 см на 10—15% больше, чем плотность близрасположенных дневных почв. Глубже 40 см плотность дневных и погребенных под курганами почв одинаковая» [5].

Величину доверительного интервала рассчитывали согласно [11] (природное варьирование запасов гумуса в зональных почвах). Варьирование запасов гумуса в палеопочвах в момент погребения предположительно не превышало современное, составляющее около 10% от абсолютного значения. В результате диагенеза запасы гумуса в погребенных почвах сократились почти в два раза; следовательно, в абсолютных величинах произошло уменьшение ошибки среднего. Изменения запасов гумуса принимали как разность этого показателя в погребенных почвах и современных аналогах. Чем больше абсолютное значение разности, тем сильнее должны отличаться палеоклиматические условия от современных.

Результаты и их обсуждение

Морфологические свойства палеопочв и современных аналогов. Изучение морфологических свойств показало, что палеопочвы могут быть разделены на две группы. Для почв под курганами 1, 4, 15, 16, 26 и 27 характерны более выраженные «аридные» признаки: языковатая нижняя граница гумусового горизонта и слабая прокрашенность гумусом органо-аккумуля-тивного горизонта, слабая изрытость землероями и четко выраженная белоглазка в гор. Вса, залегающая в нем как вертикальными, так и горизонтальными цепочками. У этих почв в среднем выше и глубина вскипания от HCl. Разрезы под курганами 11, 13, 23, 25 и 28 обладали более выраженными «гумидными» признаками: волнистая нижняя граница гумусового горизонта и его более темная окраска, сильная изры-

тость землероями, в гор. Bca размазанная белоглазка с нечетким контуром, переходящая в пропитку.

Морфологические признаки современных почв сильно варьировали. В одних случаях языковатая нижняя граница гумусового горизонта была выражена четко, и «языки» ясно отделялись от «заклинков» (разрезы 115, 127), в других — гумусовый горизонт имел однородную темно-серую и серую окраску до перехода его в гор. Bca (разрезы 111, 128); по этому признаку встречались и переходные варианты разрезов, в которых «языки» были выражены нечетко. Варьирование глубины вскипания от HCl в разрезах современных почв достигало значительных величин: в почвах, где карбонатные горизонты были припаханы, вскипание происходило с поверхности, тогда как, например, в разр. 128, оно начиналось лишь с глубины 80 см. Простейшая гипотеза о том, что современный аналог палеопочвы находится рядом с курганом, оказалась в большинстве случаев неверной. Только для двух пар «современный аналог — палеопочва» эта гипотеза выполнялась: 101—1, 15—115; остальные пары имели значительные отличия. В результате уже при полевых исследованиях стало ясно, что одного современного аналога для всех изученных палеопочв не существует.

Поиск современных аналогов для палеопочв. Территория исследования представляет собой выровненный водораздел с небольшим перепадом высот и глубоким залеганием грунтовых вод. Современную антропогенную нагрузку на нее можно считать равномерной, поэтому пространственное варьирование почвенных свойств обусловливается прежде всего исходной неоднородностью почвообразующих пород (озерно-аллювиальных отложений).

Значительное пространственное варьирование морфологических свойств современных почв на данной территории заставило предположить, что почвенный покров здесь в период заложения курганов также имел высокую исходную пространственную неоднородность, обусловленную пестротой почвообра-зующих пород. Поскольку факторы почвообразования реконструировать в палеопочвах затруднительно, то для поиска современных аналогов были использованы внутренние свойства почв.

Анализ показал, что, если рассматривать отдельные 10-сантиметровые слои из разрезов, то 78% от общего варьирования объясняется первыми четырьмя ГК, причем первая объясняет 42% общего варьирования. Максимальная факторная нагрузка на первую ГК наблюдается у гранулометрической фракции 0,05—0,01 мм, также высоки значения факторной нагрузки у фракции <0,001 мм и суммы обменных оснований. Вторая ГК может быть связана с одной переменной — содержанием обменного калия, третья ГК — с содержанием обменного натрия. Четвертая ГК не позволила выделить определенную факторную нагрузку. Высокая корреляция многих переменных с первой ГК говорит о возможном существовании

общего фактора, с которым, по всей видимости, связано большинство переменных. Таким фактором является, скорее всего, исходная литологическая неоднородность почвообразующих пород. Следовательно, можно предположить, что кластеры, выделенные на основе переменных, спроецированных на первую ГК, будут также связаны с литологической неоднородностью почвенного покрова.

Группировка профилей всех почв методом кластерного анализа на основе спроецированных на первую ГК данных выявила три стабильных кластера. Их состав не изменялся в зависимости от мер расстояний и методов объединения, используемых в кластерном анализе: 1-й кластер объединил разрезы 4с, 4ю, 15, 16, 25, 27, 113, 115, 116; 2-й кластер — 1, 101, 104, 128; 3-й кластер — 11, 13, 23, 28, 127. Группы образовывались и на более низком уровне. В частности, разрезы 116, 113 и 16 часто выделялись в свою группу, однако изменение параметров кластерного анализа смешивало их с почвами первого кластера. Дополнительный 4-й кластер образовывал разр. 111. Полученные кластеры различались по распределению по профилю физической глины. В почвах 2-го кластера оно было почти равномерным: 25% — в верхних горизонтах и 30% — на глубине 2 м. Распределение физической глины в почвах 1-го и 3-го кластеров в верхней части профиля совпадало при среднем ее содержании от 35 до 40%, в нижней части профиля содержание фракции снижалось до 30% в 1-м кластере и до 15—20% — в 3-м. Разрез 111 отличался резким увеличением содержания физической глины на глубине 100—180 м — 45%. В результате сравнения распределений физической глины по профилям почв в каждой группе в качестве современного аналога разрезам 4ю, 4с, 15, 16, 25 и 27 погребенных палеопочв был установлен разр. 113, разр. 1 — 101, а разрезам 11, 13, 23 и 28 — разр. 127.

Относительные запасы органического углерода и результаты радиоуглеродного датирования гумуса. Из рис. 1 видно, что погребенные почвы можно разделить на две группы. В первой группе, куда вошли разрезы 1, 4с, 4ю, 15, 16 и 27, отличия запасов орга-

-20 —-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

1 4с 4ю 11 13 15 16 23 25 27 28

Разрезы

Рис. 1. Относительное изменение запасов органического углерода в метровом профиле погребенных почв хроноряда

нического углерода от средних запасов в современных почвах-аналогах больше, во второй (11, 13, 23, 25, 28) — меньше. Это свидетельствует о менее благоприятных условиях для накопления гумуса в почвах первой группы по сравнению со второй. Условно назовем эти группы «аридная» (первая) и «гумидная» (вторая). Различия между ними по средним запасам гумуса статистически достоверны (а = 0,01). Значит между датами погребения палеопочв в группах должен быть достаточный промежуток времени, не менее 100 лет. Выделенные таким образом группы «аридных» и «гумидных» палеопочв полностью совпали с аналогичными группами, полученными по морфологическим признакам.

Радиоуглеродное датирование верхних 5 см гумуса погребенных почв показало (рассматриваются нека-либрованные даты), что образовались группы (рис. 2) с большими, чем 2900 радиоуглеродных лет, датами (разрезы 1, 4с, 4ю, 15, 27) и меньшими (разрезы 11, 13, 16, 23, 25). Лишь 14С-дата для разр. 28 получилась завышенной — 3530±200 (ИГАН-3239), выпадающей из общего ряда дат. Возможно, это связано с тем, что при отборе образца в него мог попасть материал из нижних гумусовых горизонтов, так как почва в значительной степени была перерыта землероями. Эта дата была исключена нами из дальнейшего рассмотрения. Усреднение по полученным группам позволило получить даты для двух групп: 3002±110 и 2774±100 соответственно.

Для установления календарных дат сооружения насыпей курганов использовали подход, предложенный О. А. Чичаговой, А. Л. Александровским и Н.И. Шишлиной [14, 15], согласно которому «собственный» возраст гумуса верхних 5 см в степных черноземах варьирует от 300 до 500 радиоуглеродных лет в зависимости от гранулометрического состава. Вычтя по 500 лет ввиду суглинистого гранулометрического состава изучаемых почв из полученных средних 14С-дат для двух групп, получаем 2500±110 и 2300±100 лет — даты, примерно соответствующие археологическим представлениям о времени функционирования могильника (с середины V до середины или конца IV в. до н.э.).

Палеоклиматические реконструкции. Сопоставив группы, полученные двумя способами, уверенно

Рис. 2. Радиоуглеродные даты для гумуса из верхних 5 см погребенных почв хроноряда

можно говорить, что курганы 1, 4, 15, 27 — наиболее ранние в могильнике, а 11, 13, 23, 25 — более поздние. Палеопочву, погребенную под курганом 28, для которой гумусовая дата не получилась, на основе рассмотрения набора аналитических и морфологических свойств с полной уверенностью можно отнести к поздней группе. Высокая изрытость землероями палеопочвы под этим курганом также свидетельствует в пользу отнесения ее к группе «гумидных». Палеопочва под курганом 16 на основе практически полного ее сходства по морфологическим и аналитическим свойствам с палеопочвой расположенного рядом кургана 15 отнесена нами к ранней, «аридной» группе (курганы 1, 4, 27, 15). Курган 26 был отнесен к этой же группе на основе полного сходства морфологических свойств палеопочвы, погребенной под этим курганом, с таковой под курганом 27.

Ранее на основе изучения савроматских палеопочв курганных могильников Покровка 10 [8] и Шумае-во II [9] в Оренбургской обл., отнесенных ко второй половине V в. до н.э., был сделан вывод о повышенной в то время континентальности климата. Поэтому работа на курганном могильнике Филипповка 1 подтверждает ранее полученные данные о климатических условиях этого времени. Можно сделать вывод, что во время его функционирования климат менялся в направлении усиления увлажнения и смягчения степени континентальности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александровский А.Л, Александровская Е.И. Эволюция почв и географическая среда. М., 2005.

2. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970.

3. Демкин В.А., Демкина Т. С. Археологическое почвоведение на пороге третьего тысячелетия // Проблемы эволюции почв. Пущино, 2003.

4. Дергачева М.И., Вашукевич Н.В., Гранина Н.И. Гумус и голоцен-плиоценовое почвообразование в Предбайкалье. Новосибирск, 2000.

5. Иванов И.В. Эволюция почв степной зоны в голоцене. М., 1992.

6. Иванов И.В., Демкин В.А. Почвоведение и археология // Почвоведение. 1999. № 1.

7. Клевцова И.Н., Умарова А.Б., Анилова Л.В., Тесля А.В. Биоклиматические ресурсы и физические свойства черноземов и темно-каштановых почв Оренбургского Пред-уралья // Вестн. ОГУ. 2007. № 5 (69).

8. Малашев В.Ю., Яблонский Л. Т. Степное население Южного Приуралья в позднесарматское время. М., 2008.

9. Моргунова Н.Л., Гольева А.А, Краева Л.А. и др. Шума-евские курганы. Оренбург, 2003.

10. Николаев В.А, Якумин П, Александровский А.Л. и др. Среда обитания человека в голоцене по данным изотопно-

геохимических и почвенно-археологических исследований. М., 2002.

11. Рыжова И.М., Подвезенная М.А. Пространственная вариабельность запасов органического углерода в почвах лесных и степных биогеоценозов // Почвоведение. 2008. № 12.

12. Теории и методы физики почв. М., 2007.

13. Чендев Ю.Г. Естественная эволюция почв Центральной лесостепи в голоцене. Белгород, 2004.

14. Чичагова О.А. Радиоуглеродное датирование гумуса почв. М., 1985.

15. Alexandrovskiy A.L., Chichagova O.A., Shishlina N.I. 14C studies of burial mounds in the steppe zone: chronology and paleoenvironment // 11th Intern. workshop on isotope-geochem. res. in Baltic region, March 14—16, 1996. Lohusalu, (Estonia), 1996.

16. Jolliffe I.T. Principal component analysis. 2nd ed. N.Y., 2002.

17. Khokhlova O.S., Khokhlov A.A., Morgunova N.L. Evolution of soils in the holocene chronosequence in the Ural River Valley (Cis-Ural Steppe) // Eurasian Soil Sci. 2004. Vol. 37. Suppl. 1.

Поступила в редакцию 24.02.2009

REVEALING OF THE TIME DIRECTIONAL VARIATION IN THE SHORT-TERM CHRONOSEQUENCE OF BURIED SOILS IN CONDITIONS OF SIGNIFICANT BACKGROUND VARIATION

A.A. Justus, O.S. Khokhlova, J.L. Meshalkina

A study of paleosoils properties of Fillipovka 1 kurgan cemetery in Orenburg region that was active in second part of V-IV century B.C. was made with the use of multivariate statistic methods. It allowed to establish the relative chronology of burial mounds construction that was confirmed by the humus carbon-14 dating.

Key words: paleoenvironmental reconstruction, paleosols, principal component analysis and cluster analysis.

Сведения об авторах

Юстус Александр Александрович, аспирант 2-го года обучения, Лаборатория геохимии и минералогии почв Ин-та физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН; тел.: 8-905-591-51-96, e-mail: aljust@yandex.ru. Хохлова Ольга Сергеевна, докт. геогр. наук, Лаборатория геохимии и минералогии почв Ин-та физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН; тел.: 8-917-48-32, e-mail: akhokhlov@mail.ru. Мешалкина Юлия Львовна, канд. с.-х. наук, доц. каф. земледелия ф-та почвоведения МГУ; тел.: 8 495 939-35-24, e-mail: jlmesh@list.ru