Формирование педолитоседиментов и почвенно-геохимической среды древних городов Европейской России

Актуальность работы.

Почвенно-литогенные образования городов (культурные слои) можно отнести к антропогенной разновидности поверхностно-почвенных седиментационных систем, формирующихся при постепенном накоплении мелкозема, поступление которого не прерывает текущий (синхронный) педогенез. В результате такого взаимосвязанного протекания седиментации и педогенеза образуются толщи педолитоседиментов (Глазовская, 2009). В данной работе отложения городов, представленные культурными слоями и включающие признаки почвообразования и диагенеза, названы городскими педолитоседименталш.

Исследования на обширной площади археологических раскопов в центральных частях древних городов, дают возможность охарактеризовать городские педолитоседименты (ПЛС), представленные мощным культурным слоем (до 10 м) с признаками почвообразования, вложенными слаборазвитыми почвами, и погребенные под ними исходные почвы, а также выяснять историю и характер деятельности человека в прошлом. В результате получен большой репрезентативный материал по направленности процессов и темпам развития городских толщ и почв, их загрязненности, и по эволюции почвенно-геохимической среды городовпроведены реконструкции палеоэкологических условий исторического периода.

Сейчас почвы городов исследуются главным образом для понимания современного состояния городских систем. Анализируется только верхняя 2-х метровая толща почв и городских отложений. Но понять генезис и экологию почв городов, и городских ландшафтов в целом, можно только изучив всю историю их развития, с момента появления поселения. Для этого необходимо исследование всей городской толщи, включая исходную погребенную почву.

В связи с вышесказанным, исследования процессов формирования городских педолитоседиментов и почв, а также эволюции геохимической среды городов являются важной и актуальной научной задачей.

Цель работы — выявить. процессы, формирующие-мощные педолитоседименты древних городов Европейской России и эволюцию городской почвенно-геохимической среды в разных географических и исторических обстановках. Основные задачи работы:

1. Изучить строение, свойства и разнообразие ПЛС и погребенных под ними почв ряда городов лесных и сухостепных (приморских) регионов Европейской России.

2. Определить процессы педолитогенной трансформации городских отложений и палеопочв, выяснить их региональные различия.

3. Выявить направленность эволюции почвообразования на культурных слоях в разных географических условиях.

4. Охарактеризовать почвы, залегающие в толще ПЛС, выяснить их генезис и палеоэкологическое значение.

5. Проанализировать процессы и стадии развития почвенно-геохимической среды древних городов в разных природных условиях.

Положения, выносимые на защиту:

1. В древних городах Европейской России в результате одновременного протекания процессов антропогенного седиментогененеза и природного педолитогенеза формируются толщи городских педолитоседиментов. Они представлены мощными рыхлыми поверхностными образованиями средневекового и античного возраста, обогащенными органическим веществом, карбонатами, фосфором, тяжелыми металлами и другими химическими элементами.

Их эволюция тесно связана с составом материала, привносимого человеком, а также с биоклиматическими условиями и расчлененностью рельефа на территории города, но не зависит от литологии подстилающих отложений.

2. Для современных этапов развития ПЛС (дневных почв) древних городов характерна конвергентная эволюция, в результате которой вместо разнообразных исходных почв (подзолистых суглинистых и песчаных, черноземов, пойменных) формируются сходные урбаноземы: карбонатные легко-среднесуглинистые почвы, часто высокогумусные и слоистые. 3. Среди ПЛС переувлажненные урбо-органические отложения городов лесной зоны выделяются наибольшим антропогенным накоплением многих химических элементов (фосфор, медь, цинк, свинец, мышьяк, бром, марганец). Это обусловлено большей сорбционной способностью этих отложений, насыщенных остатками древесины и растительным детритом (сорбционный геохимический барьер), по сравнению с урбо-органо-минеральными слоями лесной зоны и урбо-минеральными отложениями степной зоны.

Научная новизна работы: Впервые проведено сравнительное морфоаналитическое изучение мощных (до 10 м) педолитоседиментов и палеопочв древних городов на примере объектов, расположенных в лесных и сухостепных регионах Европейской России. Установлены региональные различия в формировании городских отложений и в их педолитогенном преобразовании: в гумидных ландшафтах лесной зоны с затрудненным дренажем формируются урбо-органические ПЛС, в гумидных лесных ландшафтах со свободным дренажем — урбо-органо-минеральные ПЛС, и в степной зоне — урбо-минералъные ПЛС. Наряду с уже известными процессами окарбоначивания и ощелачивания городских почв, выявлен процесс подкисления, развивающийся в переувлажненных урбо-органических слоях. Установлено более интенсивное накопление тяжелых металлов в урбо-органических слоях по сравнению с урбо-минеральными слоями городов, в связи с высокой сорбционной способностью грубого органического материала.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют реконструировать условия существования человека в городской среде в древности и в новое время. Знание процессов, происходящих при формировании и эволюции городских педолитоседиментов, необходимо для оценки и прогноза состояния почвенно-геохимической среды городов, а также для выработки мероприятий, направленных на охрану городской среды, и, в особенности, почв и грунтовых вод против загрязнений.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы» (Пущино, 26−31 октября 2009 г.) — XXIII научной конференции «Новгород и Новгородская земля. История и археология» (В. Новгород, 27−29 января 2009 г.) — Международном научном семинаре «Изменения климата, почвы и окружающая среда» (Белгород, 16−19 сентября 2009 г.) — XV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2008» (Москва, 8−12 апреля, 2008 г.). XVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2009» (Москва, 14−16 апреля 2009 г.) — XXIV научной конференции «Новгород и Новгородская земля. История и археология» (В. Новгород, 26−28 января 2010 г.), на научном семинаре «Почвы во времени и пространстве» (Москва, ИГ РАН, 9 февраля 2010 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 в ведущих рецензируемых журналах списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, включая 10 таблиц, 36 рисунков и приложения.

Список литературы

состоит из 221 наименований, в том числе 25 на иностранных языках.

выводы.

1. Мощные культурные слои древних городов формируются под воздействием большого комплекса процессов антропогенной седиментации и их педолитогенной трансформации. Они могут быть названы городскими педолитоседиментами (ПЛС). Процессы седиментации заключаются в накоплении строительных, бытовых и производственных отходов, что определяет их карбонатность (поступление строительной извести, золы), насыщенность органическим материалом (древесина, навоз) и фосфором (кости, другие остатки), загрязненность поллютантами.

2. По свойствам и генезису ПЛС древних городов разделяются на три региональные группы: ПЛС городов лесной зоны с плоским рельефом и ослабленным дренажем — преобладают переувлажненные урбо-органические слои (торфообразная масса со щепой) — при сооружении дренажных систем верхняя часть органического слоя эволюционирует в органо-минеральный материал. ПЛС городов лесной зоны с расчлененным рельефом — органические слои сохраняются в понижениях рельефа, преобладают минеральные слои, представленные карбонатным мелкоземомнижний урбо-органический слой в условиях свободного дренажа постепенно превращается в сильногумусированную минеральную массу. ПЛС городов степной зоныминеральные с признаками лёссовидности. Для урбо-минеральных слоев характерны процессы окарбоначивания и ощелачиваниядля урбо-органических — подкисления.

3. Исходные почвы, подстилающие ПЛС, и черноземные (степь), и исходно кислые подзолистые (лесная зона) — изменены под действием антропогенной деятельности перед погребением и на первых этапах накопления культурных отложений (ямы). Последующие изменения этих почв связаны с диагенезом: минерализацией гумуса, оглеением, вмыванием различных соединений из культурного слоя и поступлением материала самого слоя по трещинам и ходам землероев, ощелачиванием и в отдельных случаях окарбоначиванием.

4. Развитие почв на культурном слое было сложным, но на последних этапах в разных географических условиях вместо разнообразных исходных почв (подзолистых суглинисто-глинистых и песчаных подзолов, черноземов и других) сформировались близкие по свойствам среднеи легкосуглинистые, щелочные, карбонатные слоистые почвы, часто высокогумусные. Подобная конвергенция педогенеза обусловлена универсальным характером деятельности человека на территории городов в последние столетия: привнос строительного мусора с оптимальным для строительства соотношением песка, глины, кирпича, строительной извести, древесины, а также поступление сходных бытовых и производственных остатков. Зональные почвообразовательные процессы выражены слабо, вляние анторпогенза оказывается сильнее естественного почвообразования.

5. Почвы, залегающие в толще ПЛС, свидетельствуют о перерывах в седиментации и формировании городской растительностив отдельных случаях они имеют признаки временного появления агроландшафтов. Для этих слаборазвитых маломощных почв характерны гомогенизация, оструктуривание, трансформация гумусового состояния. Почвы, погребенные в минеральном слое, характеризуются накоплением органического углерода, в органическом слое — его потерей.

6. В процессе антропогенной седиментации в городских педолитоседиментах накапливаются многие химические элементы (Са, Р, Mn, Си, Zn, Pb, As, Br). Максимальные их концентрации, в несколько раз превышающие фоновые значения, отмечаются в переувлажненных урбо-органических слоях городов лесной зоны, насыщенных остатками древесины и растительным детритом. Они выделяются большей сорбционной способностью (сорбционный геохимический барьер) и достоверно характеризуют уровень загрязнения палеосреды.