Band 60:
Lauer, F. (2014): Nutrient status in prehistoric agricultural soils– indications from geochemical analyses of archaeological topsoil relicts 170 S., 21 Abb., 18 Tab., 15,- €
Kurzfassung Band 60
Lauer, F. (2014): Nährstoffstatus in prähistorischen landwirtschaftlichen Böden – Hinweise von geochemischen Analysen archäologischer Oberbodenrelikte
Kurzfassung:
Mit dem Beginn der Landwirtschaft in Mitteleuropa begannen die ersten Bauern im Neolithikum (ca. 5.500 v. Chr.) die fruchtbaren Lösslandschaften zu nutzen. Es ist jedoch nachgewiesen, dass es den Wechsel von Siedlungsgebieten und damit auch von landwirtschaftlichen Feldern gab. Neben kulturellen und anderen umweltbedingten Einflüssen wird vermutet, dass ein Rückgang der Bodenfruchtbarkeit zu dieser Mobilität geführt haben könnte. Um diese Hypothese zu testen wurde im Rahmen dieser Arbeit der prähistorische Nährstoffstatus von neolithischen und bronzezeitlichen Oberböden untersucht. Die begrabenen prähistorischen Oberbodenrelikte aus den Lössgebieten Mitteldeutschlands (heutige Schwarzerde-, Parabraunerde-Schwarzerde-Region) und Westdeutschlands (heutige Parabraunerde-Region) wurden in archäologischen Ausgrabungen beprobt. Diese Oberbodenrelikte sind als Grubenverfüllungen in Schlitzgruben und Grubenreihen außerhalb ehemaliger Siedlungen erhalten. Solche Befunde sind Teil der prähistorischen Agrarlandschaft, so dass deren dunkle humose Verfüllung also weitgehend den ehemaligen Ackeroberboden repräsentiert. Aus dem westdeutschen Untersuchungsgebiet wurden für den diachronen Vergleich zusätzlich vier Kolluvien (Bronzezeit bis heute) analysiert. Für die Rekonstruktion der Bodenfruchtbarkeit prähistorischer Ackerböden wurden folgende geochemische Parameter untersucht: (i) generelle Bodencharakterisierung (mittels organischem Kohlenstoff, Gesamtstickstoff, pH-Wert und Textur), (ii) Hedley-Fraktionierung von Phosphor (P), (iii) Gesamtgehalte ausgewählter Mikronährstoffe, (iv) 15N-Isotopie und (v) verschiedene Biomarker. Die Biomarker-Analysen beinhalteten Aminosäuren zur Bestimmung der pflanzlichen Herkunft von Proteinen, Steroide zur Identifizierung von Fäkaleinträgen und schwarzen Kohlenstoff (black carbon) zum Nachweis von verkohlten Pflanzenrückständen.
Die prähistorischen Oberböden in den Grubenfüllungen enthielten mehr organische Substanz und P als der Unterboden, was deren Charakter als vorherigen Oberboden verdeutlicht. Der extrahierbare P Gehalt in den Grubenfüllungen machte 86±4% des P Gehaltes der heutigen, gedüngten Oberböden aus, wobei anorganischer P die dominierende P Form (>80%) war. Die Gehalte von pflanzenverfügbarem P (d.h. die Summe von Resin-Pi, NaHCO3-Pi und NaOH-Pi) in den prähistorischen und heutigen Oberböden sind vergleichbar (23% und 20% des extrahierbaren P). Dies zeigt, dass die Pflanzenverfügbarkeit von P in den Oberbodenrelikten erhalten wurde. Zumindest bezüglich P, als einen wichtigen Makronährstoff, kann folglich die Hypothese von Nährstoffmangel in der prähistorischen Landwirtschaft widerlegt werden. Diese Schlussfolgerung wurde auch durch die Ergebnisse der Mikronährstoff-Analysen von I, Cu, Mn, Mo, Se und Zn unterstützt.
Der diachrone Vergleich des P Status in verschiedenen prähistorischen Zeitperioden mithilfe der datierten Kolluvien war wegen variierender Faktoren und verschiedener Umwandlungsprozesse vor und nach deren Ablagerung schwierig. Dennoch zeigten die bronze-/eisenzeitlichen Bodenrelikte hohe extrahierbare P-Gehalte sowie eine vermehrte P Verfügbarkeit und bestätigten somit die Ergebnisse der Grubenfüllungen.
In der organischen Substanz der prähistorischen Oberböden war zudem das schwere N-Isotop stark angereichert. Diese Anreicherung führte zu einem δ15N-Wert nahe 7‰, einem typischen Wert für rezente gedüngte Oberböden. Letztendlich bestätigten die Analysen der Gallensäuren Einträge von Mist in die prähistorischen Oberböden. Ein eindeutiger Nachweis von prähistorischem Leguminosenanbau oder potentiellen N-Einträgen durch Gründüngung konnte allerdings durch die Analyse von Aminosäuren nicht erbracht werden. Deutliche Hinweise auf prähistorische Brandereignisse und damit einen Holzkohleeintrag lieferten die black carbon-Gehalte mit bis zu 38% des organischen Kohlenstoffes und die dunkle Bodenfarbe der Grubenfüllungen. Die black carbon-Qualität deutete auf eher heiße Brandtemperaturen hin und damit ist ein vom Menschen verursachter Eintrag von Kohle in die prähistorischen Böden wahrscheinlich.
Zusammenfassend war es durch die Kombination von verschiedenen geochemischen Methoden möglich, einen guten P- und Mikronährstoff-Status der prähistorischen Ackerböden nachzuweisen. Einerseits war vermutlich die prähistorische Bevölkerungsdichte zu gering, um die fruchtbaren Lössböden zu übernutzen, andererseits gibt es auch Anzeichen für Einträge von organischem Material wie Kohle und Dung. Damit kann Nährstoffmangel in neolithischen und bronzezeitlichen Böden als Grund für die Aufgabe von Feldern und der damit verbundenen Mobilität in den Untersuchungsregionen ausgeschlossen werden.
Abstract Band 60
Lauer, F. (2014): Nutrient status in prehistoric agricultural soils – indications from geochemical analyses of archaeological topsoil relicts
Abstract:
At the beginning of agriculture in Central Europe during the Neolithic (at about 5,500 BC) first farmers started to utilise the fertile loess areas. However, archaeologists have shown that the location shifted between settlement areas and, therefore, also between agricultural fields. Besides cultural and other environmental variables, it has been assumed that decreasing soil fertility was one key factor leading to human mobility. To test this hypothesis, the soil nutrient status and organic matter origin in Neolithic and Bronze Age topsoils were investigated. For this purpose, buried prehistoric topsoil relicts from loess areas in Central Germany (now comprising Chernozems and Phaeozems) and in Western Germany (now comprising Luvisols) were sampled from archaeological excavations. These relicts were preserved as pit fillings in slot pits and pit alignments outside prehistoric settlements. Such features are part of the prehistoric agrarian landscape, and therefore their dark humic soil filling consists to a large extent of ancient topsoil from arable land. Furthermore, in the West German study region four colluvial deposits ranging from the Bronze Age until recent times were analysed for diachronic comparisons. To reconstruct the soil fertility status of prehistoric arable soils, geochemical analyses were conducted comprising (i) a general soil characterisation (including soil colour, organic carbon and total nitrogen contents, pH, and grain size distribution), (ii) a Hedley fractionation of soil phosphorus (P), (iii) total contents of selected micronutrients, (iv) 15N isotopy, and (v) different biomarkers. The latter consisted of amino acids to elucidate the crop origin of proteins, of steroids to identify faecal residues, and of benzene-carboxylic acids to trace charred plant remains.
The prehistoric topsoils in the pit fillings contained more organic matter and P than the adjacent subsoils, underlining their former topsoil character. The extractable P content in the pit fillings even amounted to 86±4% of the extractable P contents of the recent, fertilised topsoils. The dominating P form was inorganic P (>80%); yet, plant available P contents (i.e. sum of resin-Pi, NaHCO3-Pi and NaOH-Pi) in the prehistoric and recent topsoils were similar (23% and 20% of extractable P, respectively), suggesting that even plant availability of P was maintained in the prehistoric topsoil relicts. Hence, the hypothesis that there was a nutrient deficiency in prehistoric agriculture has to be refuted, at least as P is concerned as one important macronutrient. Also micronutrient analyses of I, Cu, Mn, Mo, Se and Zn did not point to any nutrient deficiencies in the prehistoric topsoils.
In the colluvial deposits, the reconstruction of the soil P status of different prehistoric time periods was challenging due to varying pre- and post-depositional factors and transformations. Nevertheless, Bronze/Iron Age colluvial layers revealed large extractable P contents as well as a high P availability and confirmed, thus, a sufficient nutrient supply as indicated by the pit investigation.
The organic matter of the prehistoric topsoils showed pronounced enrichment of the heavy N isotope, leading to δ15N values close to 7‰ as commonly found in manured topsoils. The analyses of bile acids finally confirmed that the prehistoric topsoils must have received an input of livestock manure. There was no unambiguous evidence of prehistoric legume cultivation or potential N inputs via green manuring using amino acid analyses. However, black carbon contents of up to 38% of soil organic C and the dark soil colour in the pit fillings provided clear evidence of prehistoric burning events and charcoal input. The black carbon quality indicated rather hot burning temperatures and therefore a human-induced charcoal input into the soils is likely.
In conclusion, the combined analyses of different geochemical proxies made it possible to reveal a good soil P and micronutrient status of prehistoric arable soils. On the one hand, prehistoric population density was probably too low to overuse the fertile loess soils. On the other hand, there are several hints for enhanced inputs of organic material like charcoal and manure from livestock faeces. Therefore, soil nutrient depletion of Neolithic and Bronze Age agricultural soils was likely not the reason for the abandonment of arable fields and human mobility in the study area.