Soil and geochemical study of chernozems and settlement cultural layers (dated from Paleolithic to Medieval ages) in the mining Urals region | Почвенно-геохимическое изучение черноземов и культурных слоев (возрастом от палеолита до средневековья) поселений горнорудного Урала

Английский. The aim of the study was to characterize soil and geochemical properties of the cultural layers (CL) and chernozems of eight settlements dated from the Paleolithic to the Medieval Ages in the mining Southern Urals. Methodology. Together with archeologists we studied pedological, geochemical and microbiological properties of soils and CL of eight settlements, dating 136–2,5 ka BP and located along the slope of the Southern Urals mountains. The sites are located on the terraces of small rivers of the Ural River basin, used as moderately grazed pastures, except for one site (Telyashevo-4, 3,9–3,45 ka BP) used as arable land. Samples were collected sequentially from each 5-cm layer to the parent rock. From the 0–30 cm layer samples were taken in three replicates. The chemical and physical characteristics of soils and cultural layers were determined by conventional methods. Microbial biomass was estimated by substrate-induced respiration with glucose addition; soil basal respiration was measured by gas chromatography after seven days of moist soil incubation. Determination of 15 macro- and trace elements was performed by X-ray fluorescence analysis on the Spectroscan Max-GV device. Main results. Most of the CL had developed on chernozems, at a depth from 3–25 cm to 40–60 cm. The 0–10 cm CL layer contained 6–13,7% of organic matter (Corg) due to current soil processes. In the Ishkulovo CL (0,6–0,8 ka BP), located below 80 cm, Corg decreased to 1,3% due to the lack of fresh organic material. The CL and soils were found to have good structure, no salinization, increased anthropogenic phosphorus (0,2–0,4%) and exchangeable calcium, near neutral pH. In the Tashtuy-1 CL (19th century AD) pH was alkaline due to the carbonate presence. The development of ancient settlements took place in periods with a favorable paleoclimate, according to the published data. Such climate facilitated productive landscapes, ensuring the development of husbandry and agriculture. Due to their properties, chernozems have a high buffering capacity, a strong bond with heavy metals, high content of microbial biomass (520–680 μg C/g of soil in the 0–10 cm layer) and soil respiration rate (0,2–1,0 C-CO2 μg/g of soil per hour). Conclusion. In chernozems and cultural layers of ancient settlements of different ages at the Southern Urals, accumulation of pollutants of the I (arsenic, lead, zinc, chromium) and II (cobalt, copper, nickel) hazard classes was shown to be several times higher than the lithosphere сlark value, albeit rarely higher than the permissible content for humans, which is mainly due to the natural anomaly of the Urals Mountains and, to a lesser extent, the proximity (18–60 km) to the Magnitogorsk Metallurgical plant. Favorable properties of soils and CL, namely high content of Corg, fine fractions and exchangeable calcium, absence of salinization, near neutral pH cause strong adsorption of heavy metals, not affecting negatively soil microbial biomass and soil basal respiration. The study provided detailed data on the chemical elements content throughout soil profiles and CL, thus supplementing the information about their accumulation in the geochemical anomaly of the Southern Urals in the respective database, which is important for monitoring.

Русский. Цель исследования. Дать характеристику почвенно-геохимических свойств черноземов и культурных слоев (КС) восьми поселений возрастом от палеолита до средневековья, расположенных на территории горнорудного Южного Урала; расширить информацию о содержании тяжелых металлов в почвах региональной геохимической аномалии на основе детального их определения в профиле в каждом последующем слое 5 см до материнской породы. Методология. Совместно с археологами изучены почвы и КС восьми разновозрастных поселений (136–2,5 тыс. лет), расположенных вдоль склона гор Южного Урала. Объекты находятся на террасах малых рек бассейна р. Урал, используются как умеренно выпасаемые пастбища, а участок Теляшево-4 (3,9–3,45 тысяч лет назад) (тыс. л. н.) – как пашня. Пробы почв и КС объектов отобраны последовательно из каждого 5-см слоя до почвообразующей породы; в слое 0–30 см образцы взяты в 3-кратной повторности. Характеристики почв и КС получены общепринятыми методами. Микробная биомасса определена методом субстрат-индуцированного дыхания с добавлением глюкозы. Микробное дыхание почв измерено на газовом хроматографе после инкубации влажных почв в течение 7 суток. Общее содержание макро- и микроэлементов определено методом рентген-флуоресцентного анализа на аппарате «Спектроскан Макс-GV». Основные результаты. Охарактеризованы педологические, геохимические и микробиологические свойства восьми почв и КС разновозрастных поселений. Большинство КС развито на черноземах и находится в слое от 3–25 см до 40–60 см. В слое 0–10 см КС содержится 6–13,7% органического вещества (Сорг) в результате развития современных процессов (накопления растительных остатков и их гумификации); в КС Ишкулово (14 в.), находящемся ниже 80 см, Сорг снижается до 1,3% из-за отсутствия поступления свежего органического материала. КС и почвы характеризуются хорошей оструктуренностью, отсутствием засоленности, обогащенностью тонкими гранулометрическими фракциями, антропогенным фосфором (0,2–0,4%) и обменным кальцием, близкой к нейтральной величиной рН (в КС Таштуй-1 (19 в.) – рН щелочной из-за наличия карбонатов). Близость объектов к горам Урала, содержащих месторождения меди, цинка, хрома и марганца, создает природные аномалии накопления этих элементов в почвах региона, отмеченные ранее. В КС могли дополнительно концентрироваться микроэлементы при разрушении бронзовых и железных изделий, фрагментов керамики и сырья для их изготовления, обнаруженных археологами. Близость КС (18–60 км) к Магнитогорскому металлургическому комбинату способствует накоплению в слое 0–10 см серы (коэффициент техногенности – КТ 30–87%), реже цинка, хрома, марганца, свинца, стронция (КТ 30–40%). Все эти причины обусловливают концентрирование ряда загрязнителей 1-го (мышьяка, свинца, цинка, хрома) и 2-го (кобальта, меди, никеля) классов опасности в КС, часто в несколько раз выше кларка (среднего содержания в литосфере) и реже – больше гигиенических нормативов, что могло влиять на здоровье и поведенческие функции населения. Черноземы КС обладают высокой буферной способностью и прочной связью с тяжелыми металлами. Это не препятствует развитию микроорганизмов и обусловливает высокое содержание микробной биомассы – 520–680 мкг С/г почвы в слое 0–10 см, скорость дыхания микробов 0,2–1,0 С–СО2 мкг/г почвы в час. Заключение. В черноземах и культурных слоях разновозрастных древних поселений Южного Урала установлено накопление загрязнителей 1-го (мышьяк, свинец, цинк, хром) и 2-го (кобальт, медь, никель) классов опасности в несколько раз выше величины кларка литосферы и реже – больше гигиенических нормативов, допустимых для людей. Это, преимущественно, обусловлено природной аномалией гор Урала и, в меньшей степени, близостью (18–60 км) к металлургическому комбинату г. Магнитогорска. Благоприятные свойства почв и КС – высокое содержание Сорг, тонких фракций и обменного кальция, отсутствие засоленности, рН близкий к нейтральному – обусловливают прочную адсорбцию тяжелых металлов с органоминеральным комплексом. Поэтому не отмечено угнетения микробов, что подтверждается высоким накоплением микробной биомассы и ее активным базальным дыханием. Детальные данные о количестве 15 химических элементов в профиле почв и культурных слоях дополнили информацию об их накоплении в геохимической аномалии Южного Урала и соответствующем банке данных, что важно для экологического мониторинга этих элементов.