Почвоведение, 2020, № 12, стр. 1425-1435

ВВЕДЕНИЕ

В течение четвертичного времени на Восточно-Европейской равнине неоднократно происходили климатические изменения, при этом климат в некоторые периоды существенно отличался от доиндустриального голоцена [8]. Хотя прошлые интервалы потепления были вызваны иными причинами, чем прогнозируемые антропогенные изменения, такие этапы могут дать представление о возможных климатических воздействиях и реакциях степных экосистем и почвенного покрова. Следует учесть, что при изучении палеопочв четвертичного периода рассматриваются временные масштабы от тысячелетий до сотен тысяч лет, которые часто не охватываются при моделировании динамики климата. В связи с этим количественные реконструкции прошлых условий окружающей среды представляют фундаментальный интерес для палеопочвоведения и палеогеографии. Почвенный покров является важным индикатором и памятью происходивших климатических изменений. В настоящее время разработаны различные методические подходы и инструментальные средства, позволяющие измерить и расшифровать палеопочвенные записи. Последние годы развитие палеопочвоведения идет по пути перехода из области качественного анализа к количественному подходу, к палеореконструкциям в различные исторические и геологические эпохи [5, 27, 36–38].

На современном этапе палеопочвенных работ востребована информация о значимых трендах развития почв. Особенно это важно для степной зоны юго-востока Восточно-Европейской равнины, где чередующиеся на протяжении голоцена климатические изменения вызывали эволюционные преобразования почвенного покрова. Настоящая проблема актуальна и с точки зрения понимания современных вопросов опустынивания и деградации земель этого региона [11]. Информация об эволюционных изменениях почвенного покрова в прошлом важна как ретроспективная основа для долгосрочных прогнозов развития почв в условиях меняющегося климата. Для степной зоны юга Восточно-Европейской равнины характерна меридиональная почвенно-географическая зональность: западную часть занимает сухая степь с черноземами и каштановыми почвами, а восточную – полупустыня со светло-каштановыми и бурыми полупустынными почвами. Это определяется приуроченностью к пограничной зоне двух крупных факторов динамики климата: сибирского антициклона и атлантического циклона, взаимодействие и взаимовлияние которых неоднократно приводило к динамичным изменения климатических условий в регионе [8, 19].

Начиная с 80-х годов ХХ в., проводятся исследования голоценовых палеопочв археологических памятников, погребенных под курганными насыпями разных временных интервалов, охватывающих средний и поздний голоцен на юго-востоке Восточно-Европейской равнины. Основы этих работ заложены сотрудниками Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино) И.В. Ивановым, В.А. Демкиным и др. [10, 12, 13, 16]. На сегодняшний день благодаря изучению разновозрастных археологических памятников достигнуты заметные успехи в решении генетико-эволюционных проблем степного почвообразования. Проводятся реконструкции условий природной среды различных этапов голоцена, территориально охватывающие регион степного пояса Восточно-Европейской равнины, включая Центрально-черноземные области [1, 18, 20, 28, 29], Северный Кавказ [2], Поволжье [14, 21].

Исследование магнитных свойств и магнитной минералогии почв широко используется в палеопочвенных работах для реконструкции количества атмосферных осадков в разные исторические и геологические эпохи. Формирование повышенной по сравнению с породой магнитной восприимчивости почв объясняется новообразованием магнитных минералов железа, которое рассматривается как специфический результат почвообразовательного процесса [4, 6, 31]. Наблюдаемое магнитное “усиление” связывают с зависящим от климата формированием и накоплением в почвах магнетита и маггемита. На сегодняшний день предложены модели накопления магнитных минералов в почвах при изменении климатических параметров [4, 33–35]. Однако знание о связях наблюдаемого увеличения содержания магнитных минералов с характеристиками климата до сих пор остается неполным и дискуссионным.

Ранее применение широкого набора современных инструментальных минералогических и магнитных методов совместно с микробиологическими исследованиями позволило приблизиться к пониманию процессов оксидогенеза железа и магнитной минералогии при степном почвообразовании [3, 4, 21, 32]. Цикл преобразования оксидов железа в степной зоне при изменяющихся климатических условиях представляется следующим образом. Периодическое увлажнение–иссушение при близкой к нейтральной реакции среды (pН 7–8) способствует формированию магнетита в присутствии органического вещества и имеющегося источника железа. Формирование почвенного магнетита требует изначального присутствия катионов Fe²⁺, которые в сухих и окисленных степных почвах могут появляться в микрозонах. Здесь в периоды временного повышения влажности, благодаря железоредукторам, происходит восстановление железа с последующим медленным окислением. И наоборот, если уровень осадков возрастает до момента, когда происходит смена щелочной среды на нейтральную или слабокислую, магнетит может не формироваться или начинает растворяться. В погребенных почвах археологических памятников с помощью магнитных методов фиксируется состояние оксидов железа в почве, которое является равновесным для условий почвообразования на момент сооружения насыпи данного хроноинтервала. Содержание почвенного биогенного магнетита может быть использовано как “магнитная запись” о предшествующих условиях окружающей среды степей, что позволяет получать количественные характеристики климата [4, 5, 21, 33, 35]. Задача настоящего исследования состояла в количественной оценке сдвига границы сухостепной и пустынно-степной зоны, обусловленного климатическими вариациями на протяжении позднего голоцена на юге Восточно-Европейской равнины. Для проведения количественных реконструкций палеоосадков, палеотемпературы и аридности климата использовали свойства около ста палеопочв археологических памятников, широко представленных в регионе. Для получения региональных калибровок детально проанализировали зависимости магнитных свойств современных почв от климатических данных для региона, охватывающего территории Воронежской, Волгоградской и Астраханской, Ростовской областей, Республики Калмыкия и Ставропольского края.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Типичным подходом при изучении палеопочв и использовании петрофизических, минералогических и геохимических показателей почв для количественной реконструкции палеоклиматических условий древних эпох является определение эмпирических зависимостей свойств современных почв с климатическими параметрами. Для получения региональных калибровок зависимости магнитных свойств почв от климатических данных для территории степей Восточно-Европейской равнины использовали образцы из профилей почв, отобранные в ходе проведенных в 2018 г. маршрутных исследований в пределах трансекты отобранной по маршруту Пущино–Воронеж–Волгоград–Астрахань–Элиста протяженностью более 1500 км, включающей различные природно-климатические зоны (рис. 1, А). Отбор почв по профилю до почвообразующей породы проводили почвенным буром. Отбирали средний образец из трех скважин на расстоянии не более 5 м друг от друга с шагом по глубине 10 см. Среднегодовое количество атмосферных осадков в пределах трансекты изменяется в интервале от 200 до 700 мм/год, среднегодовая температура от +8 до +11°С [19]. Такой градиент осадков и температуры позволил получить достоверную эмпирическую связь климатических параметров с современными почвенными свойствами.

Изучение магнитных свойств почв включало данные о магнитной восприимчивости (χ) почв и пород. Измерения проводили с использованием Kappameter KT-5 (полевые исследования) и Kappabridge KLY-2 (лабораторные исследования).

Климатические параметры анализировали с использованием данных “Климатических справочников СССР”, охватывающих исследуемую территорию [19], базы данных Отдела климатических исследований (факультет естественных наук Университета Восточной Англии) Climatic Research Unit (CRU) [25] http://www.cru.uea.ac.uk/ и базы данных WorldClim [26], доступной на сайте http://www.worldclim.org/. Непосредственно данные метеостанций не могут дать ответа на вопрос о том, сухой климат или влажный: для этого нужно сравнить годовое количество осадков P с годовой потенциальной эвапотранспирацией E₀ [39], называемой также испаряемостью [7]. Последняя описывает теоретическое суммарное испарение увлажненной поверхности и обычно не измеряется метеостанциями, но может быть рассчитана. Эмпирическая методика расчета E₀ описана в [39], в ней для расчета используются среднемесячные температуры. Этот подход оценивают, как один из лучших при использовании только температур [30]. Связь E₀ с температурой месяцев нелинейна: E₀ быстро увеличивается с ростом температуры. Реальная эвапотранспирация E представляет собой испарение (суммарное), которое может быть измерено [7]. Отношение KU = P/E₀ называют коэффициентом увлажнения [7]. Считают, что в тундре и тайге KU > 1, в лесостепи 0.6–1, в степи 0.3–0.6, в полупустыне 0.12–0.3, в пустыне KU < 0.12 [17]. Помимо KU, используют также индекс аридности Де Мартона [22, 23] IDM = P/(T + 10), где T – среднегодовая температура. В почвоведении отмечено, что среднегодовая температура T является усредненным результатом смены сезонов, но при разных температурах сезонов T может быть одинаковой [15]. Для юга европейской части России в качестве одного из климатических параметров использовали сумму активных температур больше 10°С.

При палеоклиматических реконструкциях опирались на данные магнитных свойств палеопочв (около 100 профилей) для более чем 20 курганных групп на территории Нижнего Поволжья и Прикаспийской низменности (рис. 1, Б). Обобщали результаты реконструкций условий почвообразования степной зоны, базирующиеся на исследовании магнитных свойств почв хронорядов, включающих современные фоновые и погребенные под курганными насыпями почвы эпох бронзы (конец IV–II тыс. до н. э.), раннего железа (V в. до н. э.–IV в. н. э.) и средневековья (XII–XIV вв. н. э.). Наиболее представительные педохроноряды охватывают почвы, погребенные ~5100, ~4900, ~4000, ~3600~1900, ~1750, ~700 л. н., и современную почву [4, 21].

Моделирование пространственного распределение индекса аридности IDM (по Де Мортону) для анализа сдвига границ сухостепной и пустынно-степной зоны на протяжении позднего голоцена на юге Восточно-Европейской равнины в разные периоды позднего голоцена, базирующееся на палеопочвенных палеоклиматических реконструкциях, проводили с помощью приложения пространственного анализа геоинформационной системы QGIS. Положение границ сухостепной и пустынно-степной зоны (IDM = 20) рассчитывали методом обратных взвешенных расстояний (IDW).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Цикл преобразования оксидов железа в степной зоне при изменяющихся климатических условиях позволяет предположить, что для каждого характерного значения атмосферных осадков в пределах 200–600 мм/год достигается равновесное содержание магнитного материала, в первую очередь магнетита. Длительные засушливые периоды с увеличением скорости окисления и уменьшением влажности способствуют формированию наиболее окисленных форм железа: гематита и гетита. При этом высокая скорость окисления, большое содержание органического вещества и низкие значения рН (4–6) способствуют формированию гетита. Высокая температура, уменьшение влажности и щелочные значения рН приводят к формированию гематита. Таким образом, наблюдаемое “магнитное усиление” в гумусовых горизонтах степных почв связывается с зависящей от климата аккумуляцией мелких частиц магнетита Fe₃O₄ и маггемита γ-Fe₂O₃ [4].

Следует заметить, что на сегодняшний день используют разные показатели минералогии оксидов железа в почвах, связанные с климатическими вариациями. Во-первых, это содержание магнетита, определяемое экспрессными измерениями магнитной восприимчивости почв. Этот параметр имеет ограничения использования при реконструкциях в пределах среднегодовых осадков до 1000 мм/год [31–34]. Кроме того, для климатических реконструкций предлагается использовать отношение содержания гетита к гематиту в почвах [24], позволяющее существенно расширить диапазон реконструируемых атмосферных осадков (100–3000 мм/год). Однако в последнем методе для проведения детального изучения магнитной минералогии применяются дорогостоящие криогенные магнетометры. Точное определение соотношения гетит/гематит в почвах другими минералогическими методами затруднено.

Для использования “магнетитового” параметра анализа сдвига границ сухостепной и пустынно-степной зоны на протяжении позднего голоцена детально изучали связи магнитной восприимчивости почв с климатическими характеристиками для юга Восточно-Европейской равнины.

Основным источником данных для расчета характеристик климата была глобальная база данных WorldClim [26]. В ней хранятся данные об осадках, минимальной, средней и максимальной температуре каждого месяца, усредненные за 50 лет (1950–2000 гг., что близко к климатическим нормам, т. е. средним за 1961–1990 гг.), представленные с высоким разрешением 900 м. Они получены интерполяцией данных метеостанций по широте, долготе и высоте. Кроме того, WorldClim содержит 19 “биоклиматических” переменных: среднегодовые данные о температуре и осадках, вариабельность температуры, коэффициент вариации количества осадков. Все описанные характеристики климата рассчитывали по данным WorldClim в проекции Ламберта с разрешением 1 км.

С целью получения региональных калибровок связи магнитных свойств почв с климатическими параметрами использовали образцы профилей почв, отобранных в ходе проведенных в 2018 г. маршрутных экспедиционных исследованиях в пределах трансекты, охватывающей полупустыню, степь и лесостепь (рис. 1, А). Сформирована выборка для 24 точек, в каждой из которых рассчитали три показателя, характеризующие прирост магнитной восприимчивости в почвенном профиле: Δχ_0–100 – средний взвешенный прирост относительно материнской породой до глубины 1 м, Δχ_0–50 – средний взвешенный прирост до глубины 0.5 м и прирост Δχ за счет почвообразования, определенный как разность значений χ верхнего слоя почв (0–20 см) и почвообразующей породы. Величины Δχ_0–100 и Δχ_0–50 определяются как средневзвешенная для почвенного профиля разность между χ генетических горизонтов или слоев почвы и χ породы:

где h_i – мощность горизонта i, χ_мп – магнитная восприимчивость материнской породы, χ_i – магнитная восприимчивость горизонта i.

Показатель средневзвешенного прироста обычно используется для сравнительного анализа близких по генезису и магнитной восприимчивости (χ) почв, он позволяет более полно отразить особенности χ почвенного профиля.

Для оценки связи Δχ_0–100, Δχ_0–50 и Δχ с осадками и температурой учтем, что эти связи существенно нелинейны (обычно немонотонны) и удовлетворительно описываются многочленом второй степени, коэффициент детерминации с которым (в полиномиальной регрессии) использовали для оценки тесноты связи. Знак связи оценивали по линейной парной связи. Связи Δχ_0–100, Δχ_0–50 и Δχ с осадками и температурами месяцев показаны на рис. 2. Полученные результаты свидетельствуют, что в теплый период (апрель–октябрь) связь Δχ_0–100, Δχ_0–50 и Δχ с температурой усиливается, а связь с осадками слабо зависит от времени года. В целом связи с количеством осадков более тесные, чем с температурой. Все три показателя прироста магнитной восприимчивости демонстрируют близкие распределения, поэтому в дальнейшем остановимся на описании результатов для Δχ. Кроме того, этот параметр ранее использовали при проведении реконструкций климата по магнитным свойствам палеопочв археологических памятников региона [4, 21].

Считается, что магнитное “усиление”, описываемое приростом магнитной восприимчивости (Δχ), связано, главным образом, со среднегодовыми осадками, что используется для оценки палеоклимата по магнитным свойствам палеопочв [4, 21, 31–33]. В то же время отмечается, что магнитное усиление не может быть связано только с осадками P, поскольку, например, при коэффициенте увлажнения P/E₀ ≥ 1 магнитное усиление исчезает. В областях с низкой эвапотранспирацией эффект увеличения магнитной восприимчивости при росте количества осадков “обнуляется”, при этом следует учитывать, что потенциальная эвапотранспирация E₀ существенно зависит от температуры [35].

Коэффициенты детерминации R² парных связей прироста Δχ с климатическими факторами образуют спектр тесноты связей, который мы для наглядности упорядочили по убыванию R². Из-за нелинейности большинства связей оценивали связь Δχ с каждым климатическим фактором в полиномиальной квадратичной регрессии, как при построении кривых (рис. 2). Поскольку прирост магнитной восприимчивости (Δχ) в целом убывает или возрастает с изменением климатических параметров, знак связи оценен с помощью простой линейной регрессии. Мы исключаем из рассмотрения связи Δχ с осадками и температурами отдельных месяцев, ограничиваясь осадками и температурой времен года, а также теплого (апрель–октябрь) и холодного периодов. Основные результаты для нелинейных связей прироста магнитной восприимчивости (Δχ) с характеристиками климата показана на рис. 3.

Наиболее тесная парная связь прироста магнитной восприимчивости (Δχ) наблюдается не со среднегодовым количеством осадков, которое находится на шестом месте в списке коэффициентов детерминации (рис. 3), а с индексом аридности Де Мартона (IDM) и коэффициентом увлажнения KU, концептуально близкими друг к другу. Полученные результаты согласуется с физической теорией Оргейра с соавт. [35], согласно которой величина KU, наряду с осадками и потенциальной эвапотранспирацией, играет важную роль в формировании магнитного “усиления” почв. Особенно резко меняются магнитные свойства почв в небольшом диапазоне значения KU = 0.5–1.0. В нашем случае это отвечает значению KU ~ 0.6 (разделяющему степь и лесостепь), выше которого прирост магнитной восприимчивости (Δχ) уменьшается с ростом KU, как и с увеличением количества осадков >600 мм/год (рис. 4). В полупустыне, при KU < 0.2, происходит ослабление или даже исчезновение прироста магнитной восприимчивости, выражающееся в малости или даже отрицательности прироста Δχ (рис. 4, А). Этому отвечает малая сумма годовых осадков, меньше 250 мм/год (рис. 4, Б). При количестве среднегодовых осадков >600 мм/год или при коэффициенте увлажнения >0.6 (в лесостепи при KU от 0.6 до 0.9) магнитное усиление также имеет тренд уменьшения, но не исчезает. Как уже отмечалось, оно исчезает при KU ≥ 1 (MAP > > 1000 мм/год) [33–35].

Отметим, что нелинейная связь Δχ с индексом аридности Де Мартона (IDM) оказывается более тесной, чем с коэффициентом увлажнения. Следует подчеркнуть, что гидротермический показатель IDM – наиболее подходящий с точки зрения возможных палеоклиматических реконструкций, позволяющих количественно проследить тренд аридизации климата. По индексу аридности засушливые регионы мира подразделяются на три зоны: аридную, семиаридную и сухую субгумидную. В аридной зоне индекс IDM изменяется в пределах 0–10, почвы бурые пустынные, зональная растительность солянково-полынная, годовое количество осадков 100–200 мм. В семиаридной зоне индекс аридности IDM изменяется в пределах 10–20, почвы светло-каштановые, зональная растительность злаково-полынная, среднее годовое количество осадков 200–400 мм. В сухой субгумидной зоне (сухие степи) IDM составляет 20–25, почвы каштановые и южные черноземы, зональная растительность бедно разнотравная ксерофильно-злаковая, количество осадков 400–600 мм [9, 23].

Полученные результаты указывают на то, что не только количество палеоосадков, но и температура могли бы быть оценены по данным о приросте магнитной восприимчивости (Δχ). Однако это касается не среднегодовой температуры, а суммы активных температур >10°С или температуры теплого периода, так как в холодный период связь Δχ с температурой становится существенно менее тесной (рис. 2).

Наблюдаемая связь прироста (Δχ) с коэффициентом увлажнения KU (IDM), а также со среднегодовым количеством осадков MAP не только нелинейная, но и немонотонная. Следовательно, данному значению (Δχ), например 50 × 10^–8 м³/кг, отвечают два значения коэффициента увлажнения KU (~0.32 – степь и ~0.8 – лесостепь) и осадков MAP (~370 и ~580 мм/год). Для детализации полученных зависимостей планируется дальнейшее исследование магнитных свойств почв лесостепи (KU 0.6–1). Учитывая выявленные на сегодняшний день ограничения, в дальнейших калибровках для полеореконструкции индекса аридизации IDM использовали выборку точек для степной зоны с каштановыми и бурыми пустынными почвами, соответственно, ограничиваясь интервалом среднегодовых атмосферных осадков (МАP) <600 мм/год. Отметим, что в случае больших МАР или KU (в северных участках изучаемой территории) палеореконструкция становится неоднозначной. При исключении этих участков зависимость монотонна, и решение для предсказанных значений однозначно. Кроме того, именно в зоне с каштановыми и бурыми пустынными почвами сосредоточены все исследуемые палеопочвенные объекты, используемые в палеореконструкциях. Для расширения выборки кроме образцов почв, отобранных в 2018 г., для исследования зависимости (“калибровки”) индекса аридизации IDM с магнитными свойствами почв включили данные прироста магнитной восприимчивости для современных степных почв климатической трансекты 1999 г. от Заволжья до Северного Кавказа [3, 4, 22]. Статистическая обработка данных, включающих результаты магнитных свойств 35 почвенных профилей почв степной зоны, для получения эмпирических климатических зависимостей продемонстрировала надежную связь прироста магнитной восприимчивости (Δχ) в почвенном профиле с индексом аридности IDM (коэффициент корреляции R² = 0.86) (рис. 5). На основании установленной зависимости по данным магнитных измерений палеопочв возможно определение индекса аридности (IDM) в прошлые исторические и геологические эпохи. Полученный инструмент применяли ко всем накопленным на сегодняшний день данным о магнитных свойствах для более 100 погребенных почв археологических памятников региона (рис. 1, Б) и проводили реконструкцию гидротермического показателя индекс аридности (IDM) для количественной оценки сдвигов границ климатических зон на протяжении позднего голоцена на юге Восточно-Европейской равнины (рис. 6). Картографическая реконструкция изменения индекса аридности (IDM) и положения границ сухостепной и пустынно-степной зоны (IDM = 20) с использованием методов ГИС моделирования на основе палеопочвенных данных демонстрирует, что за последние 5000 лет на территории Волго-Донского междуречья происходили неоднократные изменения климатической ситуации, вызывавшие миграции границ почвенно-географических зон. Полученные результаты демонстрируют существенные сдвиги, выявлена динамика с амплитудой до 200–300 км. Резкое увеличение атмосферной увлажненности отмечается в “средневековый климатический оптимум” (хроноинтервал 600–700 л. н.), что привело к существенному сдвигу границы сухостепных ландшафтов в ареалы пустынно-степных. Раннежелезный век (хроноинтервал 1600–1800 л. н.) характеризовался климатическими условиями, близкими к современным. Максимум аридизации, охватывающий регион, приходился на рубеж III–II тыс. до н. э. (хроноинтервал 3700–4000 л. н.). Наблюдался засушливый климат со смещением природных рубежей к северу относительно современных условий, происходило развитие пустынно-степных ландшафтов на месте сухостепных. В конце III тыс. до н. э. (хроноинтервал 5100–4000 л. н.) аридизация ослабла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощью климатических зависимостей изменений магнитной восприимчивости в профиле современных почв степей юга Восточно-Европейской равнины в пределах трансекты, отобранной по маршруту Пущино–Воронеж–Волгоград–Астрахань–Элиста, продемонстрирована возможность определения количественных показателей состояния климатических условий: количества атмосферных осадков, индекса аридности (IDM), коэффициента увлажненности (КU) в прошлые эпохи. В погребенных почвах археологических памятников с помощью магнитных методов определяли состояние магнитного материала в почве на момент погребения, которое является равновесным с условиями почвообразования для данного хроноинтервала. Содержание почвенного магнетита используется как “магнитная запись” о предшествующих условиях окружающей среды степей и позволяет получать количественные реконструкции климата, а также количественно оценить сдвиг природных границы на протяжении позднего голоцена на юге Восточно-Европейской равнины обусловленного климатическими вариациями. Следует учесть выявленные ограничения для проведения климатических реконструкций и возможность использования предлагаемого инструмента только в определенных интервалах среднегодовых атмосферных осадков (МАP), не превышающих 600 мм/год.

Картографическая реконструкция изменения индекса аридности (IDM) с использованием методов ГИС моделирования на основе палеопочвенных данных для более чем 100 погребенных почв археологических памятников региона демонстрирует, что за последние 5000 лет на территории Волго-Донского междуречья происходили неоднократные изменения климатической ситуации, вызывавшие миграции границ почвенно-географических зон с амплитудой до 200–300 км. На основании полученных данных возможно детализировать палеоэкологическую периодизацию позднего голоцена для степной и лесостепной зон Восточной Европы. Результаты исследования палеопочв голоцена и палеоклиматические параметры могут быть использованы для создания сценариев будущих изменений семиаридных степных экосистем юга России, связанных с глобальными изменениями климата.