РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ ВОЗРАСТ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВ: СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ПРОБЛЕМА ИНТЕРПРЕТАЦИИ. Чичагова О.А., Зазовская Э.П.
Содержание: Радиоуглеродное датирование органического вещества (ОВ) почв. - Динамика и возраст фракций гумуса - Выбор "датирующей" фракции и поиск "инертного" углерода - Определение продолжительности периода гумусообразования - Определение коэффициента обновления ОВ современных почв - Определение индекса омоложения ОВ голоценовых палеопочв. - Оценка потоков углерода в почвах различных эпох голоцена и их динамика в связи с изменением климата. Радиоуглеродный возраст почв и проблема интерпретации радиоуглеродных данных. - Определение календарного возраста и калибровка радиоуглеродных данных - Роль факторов почвообразования в определении радиоуглеродного возраста почв. - Интерпретация почвенных радиоуглеродных данных. - Радиоуглеродный возраст ОВ ископаемых почв и реликтовых гумусовых горизонтов; хронология и реконструкция палеосреды.
Период полураспада 14 С Основа метода t= T½T½ ln N стандарта ln2N образца
Радиоуглеродное датирование органического вещества (ОВ) современных и ископаемых почв 1.Органическое вещество (ОВ) почв состоит из разных по строению и генезису фракций 2. ОВ подвержено диагенетическим преобразованиям, связанным со временем и условиями погребения. 3. Возможно накопление ОВ в результате эолового переноса, эрозии, дефляции и пр. природных процессов. «Открытая» система «Открыто-закрытая» система
Выбор "датирующей" фракции и поиск "инертного" углерода
ПочваГлубина см По общему ОВ По ГК Чернозем мощный 0-10современный Радиоуглеродный возраст Курского чернозема по ОВ и ГК (О.А.Чичагова, А.Е. Черкинский) УгольГКОВ Радиоуглеродный возраст ископаемой почвы по ОВ, ГК и древесному углю (О.А.Чичагова, 1985)
Радиоуглеродный возраст фракций гумуса черноземных и подзолистых почв Канады (Paul et al.) Фракция гумусаЧернозем Подзол Нефракционирова н-ная почва 990 ± ±50 250±60 Без подвижных ГК Не опр. 1135±50 335±50 Подвижные ГК 875±57 785±50 85 ± 45 ГК, связанные с Са 1308 ± ± ± 50 ФК,связанные с ГК 630 ±60 555±45 50 ± 45 Гумин 1240 ± ± ±70
Возраст фракций гумуса гумусовых горизонтов некоторых почв Русской равнины Почва, местоположение Глубина, см Возраст фракций гумуса, B.P. (лет назад) Свободных ГК ГК,связанных с Са ГК, связанных с R 2 O 3 суммы ГК гумина Мощный чернозем, Курск 10-20Не опр Не опр.1400± ±70 Лугово-черно- земная, Кисловодск ± ± ±60Не опр.1130±100 Дерново- подзолистая, р ±30Не опр.Современный Дерново-глеевая, Ярославская обл ±40Не опр.4000±50Не опр ±60Современный Торфяно- глеевая. Смоленская обл ±100Не опр.1000± ± 200 Не опр ± ±200 Каштановая " почва. Ставропольский край ± ±120Не опр. Современ- ный
ФракцияПогребенная почва, Австралия* Погребён -ный чернозём, ФРГ** Ископаемая брянская почва*** АраповичиМезин Гумусовые и древесные угли ± ± 100 Не опр. Фульвокислот ы Не опр.4310± 210 " " Гуминовые кислоты (сумма) ± ± ± ±370 Гуминовые кислоты, связанные с Са Не опр ± ±270 Гумины ± ± 80 Не опр. Общее органическое вещество Не опр. Не опр. Не опр. Радиоуглеродный возраст гумусовых фракций ископаемых почв (* Pollach, Costin, 1971; **Scharpenseel, l971; *** Чичагова, 1972).
Определение продолжительности периода гумусообразования (Чичагова, Черкинский) Схема изменений параметров процессов гумусообразования (моногенетичная модель): Ауровень квазиравновесного состояния, Б состояние закрытой системы, В состояние реальной системы. О tmхарактерное время или продолжительность периода гумусонакопления; t v момент наблюдения; a содержание гумуса, б удельная активность гумуса по 14С, справа радиоуглеродный возраст гумуса
Показано, что удельная активность гумуса по радиоуглероду горизонтов, пришедших в квазиравновесное состояние, остается неизменной с течением времени. Для таких горизонтов эта величина характеризует длительность цикла полного обновления углерода гумуса или максимальное характерное время процесса гумусообразования. Таким образом, 14С-возраст гумуса горизонтов, достигших квазиравновесного состояния, показывает характерное время процессов гумусообразования или продолжительность этапа саморазвития в данном горизонте и позволяет определить скорость обновления гумуса. Для горизонтов, не достигших квазиравновесного состояния, по 14С определяется минимальное значение времени процессов гумусонакопления в них, причем, чем дальше горизонт от равновесного состояния, тем ближе значение радиоуглеродного возраста к истинному.
Определение показателя обновления гумуса современных почв (коэффициент обновления гумуса–Kr) Используя данные по изменению концентрации 14С в атмосфере (Болин, 1989), учитывающие как «эффект Зюсса» - резкое снижение концентрации 14С из-за техногенного загрязнения, так и «бомбовый эффект» – результат добавления бомбового 14С за счет испытаний ядерного оружия, а также математическую модель динамики углерода в моногенетическом профиле почвы ( Черкинский, Бровкин, 1993; Черкинский, Пауль, 1995)., предложена методика определения скорости минерализации и коэффициента обновления гумуса - Кr, представляющего собой интегральный показатель омоложения почвенного углерода в результате как биохимической минерализации, так и его миграции. Модель Черкинского-Бровкина предлагает способ вычисления скорости обновления гумуса, учитывающий полную кривую изменений специфической активности углерода атмосферы с 1956: I(t) = I(t-1) - (Kr+ )I(t-1) + KrIo(t), где I(t-1) – специфическая активность в предыдущий год, а Io(t) – специфическая активность в год t. Это позволило вычислить коэффициент обновления гумуса почв на основе прямых измерений активности 14С в почвах: Kr = [I(t)/(Io(t)-I(t))exp (t-1950)]1000 g/kgC yr-1. Это уравнение дает возможность рассчитывать скорость углеродного обмена (УО) почв, а компьютерная программа позволяет выдать данные о Кr, скорости УО и о %-м содержании в образце современного углерода (pmC).
Изменение специфической активности углерода(% от стандарта NBS) в атмосфере(1) и в гумусе почв с различным обменом углерода: Kr=22 g/kgC yr ֿ1(2); Kr= 1g/kgC yrֿ1(3 ) годы
Определение показателя интенсивности омоложения ОВ голоценовых палеопочв (индекс омоложения). Предложен показатель интенсивности омоложения гумуса (индекс омоложения) (Alexandrovskiy, Chichagova, 1998). Используя эти данные, можно оценивать возможную величину омоложения 14С дат погребенных почв и реликтовых горизонтов, что должно являться важным условием при геохронологических построениях и палеогеографических реконструкциях. Обнаруживается четкая зависимость интенсивности омоложения гумуса от глубины залегания датируемых горизонтов почвы и климатических условий гумусообразования.
Рис. 1. Величина омоложения органического вещества почв на разной глубине (в %. за 100 лет) в разных зонах.
Скорости обновления углерода северных почв Выявлены различия в скоростях обновления углерода северных почв и их количественные зависимости от характера органического вещества почв, глубины почвенного горизонта, положения в рельефе, широты местности, характера экосистем и почвообразующих пород.
Пространственная изменчивость коэффициента обновления гумуса в г/кг углерода в год в высоких широтах на локальном уровне. Наибольшая скорость углеродного обмена характерна для почв хорошо дренированных территорий, в условиях заболоченности скорость обновления углерода уменьшается в несколько раз.
Величины коэффициента обновления гумуса слабо увеличивается с севера на юг в безлесной области, вслед за возрастанием биологической активности. Треугольники – K r для поверхностных горизонтов; кружки – K r на глубине 10 см.; квадраты – скорости обновления подстилок Пространственная изменчивость коэффициента обновления углерода верхних горизонтов дренированных почв: связь Kr с широтой местности.
Скорость обновления углерода в слитых почвах Предкавказья на разных элементах микрорельефа гильгайного комплекса. Самые высокие скорости обновления углерода (УО) характерны для верхних горизонтов почв микрозападины, значительно меньшая скорость – в верхних гор. микроповышений и микросклона. Такие кривые УО характерны для гумуса слитоземов.
Радиоуглеродный возраст почв
Интерпретация почвенных радиоуглеродных данных : Удельная активность природного радиоуглерода является одним из свойств почвы, таким же, как рН, влажность, содержание различных элементов и др. Однако, интерпретация радиоуглеродных данных, полученных на основе определения этого свойства и, в частности, переход от удельной активности к возрасту гумуса и далее – к возрасту почв, имеет определенные трудности, т.к. почва является одним из самых сложных углеродосодержащих объектов. Мы предлагаем называть результаты радиометрических определений для ОВ почв (14С–даты) «радиоуглеродным возрастом гумуса», понимая под этим для верхних горизонтов современной почвы – скорость обновления углерода («относительный возраст» по Герасимову); для нижней части профиля, за пределами биологического круговорота – минимальный возраст горизонта, определяемый долей инертного углерода в ОВ; для реликтовых горизонтов в профиле современных почв – минимальное время их существования, различающееся степенью сохранности; для ископаемых почв – минимальный возраст их погребения («абсолютный возраст» по Герасимову).
Роль факторов почвообразования На радиоуглеродный возраст(РВ) большое влияние оказывают такие факторы почвообразования, как климат, рельеф местности, материнские породы и др. Изменение 14С – возраста в зональном ряду почв проявляется следующим образом: РВ ГК арктического подбура отражает характер почвообразования в условиях пониженной биологической активности (РВ= 3700 лет); с повышением ее в лесной зоне РВ уменьшается ( РВ= лет); в черноземах и в каштановых почвах биологическая активность достигает оптимальных значений, но дальнейшего уменьшения возраста не наблюдается (РВ= лет), что объясняется большой термодинамической устойчивостью ГК этих почв и их более прочными связями с минеральной частью почвы. ГК гумусовых горизонтов бурых пустынных почв Средней Азии имеет так же древний возраст благодаря очень высоким темпам минерализации ОВ, потере периферической части ГК(наиболее лабильной и молодой) и усилению их ароматичности (за счет древних ядер ГК); в профиле этих почв сохранился и очень древний реликтовый гумус с РВ до 11 тыс.лет. РВ горных почв зависит в значительной степени от проявления экзогенных естественных нарушений и крутизны склонов.
Кривые радиоуглеродного возраста черноземов 1 – Курск, р-з 2; 2 – Мехрен (ФРГ); 3 – Курск, р-з 1; 4 - Орел
Кривые радиоуглеродного возраста вертисолей мира
Заключение - Современные почвы, благодаря биологическому круговороту и постоянному обновлению ОВ, являются открытыми в отношении углеродного обмена системами, а ископаемые почвы - открыто-закрытыми системами. - ОВ почв гетерохронно и состоит из разных по строению, генезису и возрасту фракций. Оно подвержено различным диагенетическим преобразованиям, связанным как с трансформацией в результате биологического круговорота в процессе почвообразования (в случае современных почв), так и со временем и условиями погребения (в случае ископаемых почв); возможно накопление ОВ в результате эолового переноса, эрозии, дефляции и пр. природных процессов
- Был исследован возраст фракций ОВ различных типов почв, что помогло оптимизировать методику получения почвенных препаратов для датирования и определить «датирующую» фракцию. - Было предложено определять «датирующую» (наиболее древнюю) фракцию для различных типов современных и для ископаемых почв. Установлено, что ими являются преобладающие, накапливающиеся фракции, т.е. наиболее биохимически и термодинамически устойчивые для данного типа гумуса.
- Для гумуса черноземов, где возраст фракций резко различается, «датирующими» являются гуматы Са и ГК, прочно связанные с минеральной частью почвы. - В гумусе почв подзолистого ряда все фракции близки по возрасту, однако преобладающая 1 фракция ГК является наиболее древней. - В гидроморфных подзолах преобладающей и накапливающейся является фракция фульвокислот (ФК), входящая в сложные комплексные связи с минеральной частью почвы: она и имеет наибольший возраст. Т.о. ФК могут так же являться «датирующей» фракцией в случае, если они накапливаются в виде прочных органоминеральных соединений, например, в гор Вgh глеевого ортзандового подзола или в самом ортзанде, где их возраст превышает возраст ГК. - В гумусе ископаемых почв датирующими являются ГКII+III фракций, прочно связанных с минеральной частью почвы.
- Мы предлагаем называть результаты радиометрических определений для гумуса почв (14С - даты) «радиоуглеродным возрастом (РВ)» гумуса, понимая под этим для верхних горизонтов современной («живой») почвы – скорость углеродного обмена. Для нижней части профиля, за пределами биологического круговорота – минимальный радиоуглеродный возраст горизонта, определяемый долей инертного углерода в ОВ; для реликтовых горизонтов в профиле современных почв – минимальное время их существования, различающееся степенью сохранности или деградированности; для ископаемых почв – минимальное время их погребения.
Спасибо за внимание!