Особенности формирования и функционироания почв урбанизированных территорий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Почвы урбанизированных территорий

2. Особенности почв урбанизированных территорий

2.1 Режимы почв урбанизированных территорий

2.1.1 Водный режим почв

2.1.2 Воздушный режим почв

2.2 Морфологическое строение городских почв

2.2.1 Особенности почвенного профиля

2.2.2 Особенности генетических горизонтов

2.3 Свойства почв урбанизированных территорий

2.3.1 Физические свойства

2.3.2 Химические свойства

2.3.3 Органическое вещество городских почв

3. Экологические функции городских почв и направление их обеспечения

Заключение

Список использованных источников



Введение

Экосистема может функционировать лишь при определенном качестве окружающей среды. На рубеже тысячелетий проблема совершенствования оценки состояния земель, почв и процессов их изменения (как правило, ухудшения) обретает новое значение. На первый план выходят те почвы, изучение которых ранее не считалось приоритетной задачей, в частности, почвы городов и близлежащих населенных пунктов.

Рост городов-гигантов приводит к интенсивному воздействию человека на окружающую среду, как самого мегаполиса, так и обширных пространств вокруг него. урбанизированный городская почва экологический

Изучение городских почв в связи с ростом урбанизации в мире приобретает все большую актуальность.

Современное экологическое состояние городской среды требует всестороннего изучения почв и почвоподобных образований на урбанизированных территориях.

Цель работы - изучить особенности почв урбанизированных территорий.

Для достижения обозначенной цели необходимо решить следующие задачи:

дать определение почвам урбанизированных территорий;

установить особенности водного и воздушного режимов почв;

определить особенности морфологического строения городских почв;

изучить физические, химические и органические свойства почв урбанизированных территорий;

изучить экологические функции почв в городе и направления их обеспечения.



1. Почвы урбанизированных территорий

Три десятилетия назад вопрос о существовании почвы в городе, ее месте и роли не стоял. Такого раздела, в котором излагались бы свойства городских почв, не было ни в одном из руководств по почвоведению. В конце двадцатого столетия в почвоведении назрела необходимость понимания важности поверхностного плаща городской территории, которая до сих пор называлась почвогрунт, городская земля или просто земля.

Впервые термин «городская почва» был использован Л.Т. Земляницким. В 1963 в своей статье в журнале «Особенности городских почв и грунтов», опубликованной в журнале «Почвоведение», Земляницкий обосновал необходимость изучения данного объекта исследования и предложил подразделение городских почв по степени их нарушенности [2].

Американскому исследователю Дж. Бокгейму принадлежит первое определение городской почвы, под которой он понимал «почвенный материал, содержащий антропогенный слой несельскохозяйственного происхождения толщиной более 50 см, образованный путем перемешивания, заполнения или загрязнения поверхности земли в городских и пригородных территориях» [6].

В нашей стране начало активным исследованиям особенностей почвенного покрова городов было положено учеными Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Под руководством профессора М.Н. Строгановой была проведена большая работа по изучению свойств городских почв Москвы, разработана систематика почв и почвоподобных тел открытых и запечатанных под асфальтом и другими покрытиями поверхностей в пределах города. Выделены и подробно описаны две новые группы почв: группа почв открытых территорий - урбаноземы, и группа почв, запечатанных под твердыми покрытиями, - экраноземы. И самое главное, была разработана научная концепция городских почв, доказано, что тысячелетнее существование городской цивилизации приводит к обособлению особых почв, своим формированием «обязанных наряду с естественными общеизвестными факторами почвообразования, непосредственному воздействию городской среды».

М.Н. Строганова определила городские почвы, как почвы, имеющие созданный человеком поверхностный органоминеральный слой, полученный перемешиванием, насыпанием, погребением грунта и (или) загрязнением материалами урбаногенного происхождения (строительный мусор и т.д.) [1].

В широком понимании городская почва - это любая почва, функционирующая в окружающей среде города, т.е. это любая почва в границах города.

В узком понимании - этот термин подразумевает почвы, сформированные деятельностью человека в городе, которая одновременно является и пусковым механизмом и постоянным регулятором городского почвообразования.

Современные городские почвы значительно отличаются от природных. И различия эти касаются как структуры почвенного покрова, так и организации почвенного тела. Как отмечает М.Н. Строганова [3], к особенностям структуры почвенного покрова следует отнести следующие его характерные черты:

Прерывистость и фрагментарность распространения. В любом мегаполисе наблюдается пространственная смена почв, почвоподобных тел и почво-грунтов фундаментами зданий, коммуникациями, карьерами и почвами, спрятанными под дорогами и асфальтобетонными покрытиями.

Процесс запечатывания почв покрытиями становится одним из факторов, еще более осложняющим структуру почвенного покрова в городе и диагностику городских почв.

Поскольку тип городских земель и специфика их землепользования, являясь формирующим фактором развития почв в городе, определяют характер экологического состояния и качество почвенного покрова, то в любом крупном населенном пункте целесообразно выделять следующие категории земель:

Земли городской и сельской застройки - жилая часть (внутри дворовые пространства, скверы, детские сады и школы, газоны вдоль транспортных магистралей).

Земли общего пользования - промышленная зона (заводы и фабрики, автохозяйства, склады, автомагистрали, аэропорты, железные дороги и др.).

Земли природно-рекреационной и природоохранной зон (городские леса, лесопарки, парки, скверы, памятники природы и т.д.).

Земли сельскохозяйственного назначения (пашни, фермы, питомники, опытные поля);

Земли резерва (пустыри, свалки, карьеры, неудобья) [4].

Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что на данный момент не выработан единый подход к проблеме составления генетической классификации городских почв.

Систематика почв и почвоподобных тел городов южнотаежной зоны Европейской территории России, разработанная М.Н. Строгановой с соавторами, основана на особенностях морфологического строения почвенного профиля, а также на особенностях почвообразующих пород и поверхностных грунтов, как более простых и объективных диагностических критериях.

Предлагаемая систематика поверхностных природных образований, распространенных на городской территории (рисунок 1), исходит из того, что вся территория города представлена: открытыми, частично озелененными территориями и закрытыми застроенными и заасфальтированными.

Поверхностные тела первого типа территорий разделяются на группы почв естественных ненарушенных, естественно-антропогенных поверхностно-преобразованных (естественных нарушенных), антропогенных глубокопреобразованных почв - урбаноземов и искусственно созданных почвоподобных образований -техноземов, а также на открытых поверхностях города залегают непочвенные образования - насыпные, перемешанные, намывные, техногенные и природные грунты [5].

Рисунок 1 Систематика поверхностных тел городских территорий (М.И. Герасимова, М.Н. Строганова и др. 2003)

На заасфальтированных территориях второго типа под асфальтобетоном или другим дорожным покрытием формируется особая группа тел - почвы «экраноземы» и запечатанные грунты.

Естественные ненарушенные почвы сохраняют нормальное залегание горизонтов естественных почв и приурочены к городским лесам и лесопарковым территориям, расположенным в черте города. Почвы определяются по принятым классификациям.

Антропогенно-поверхностно-преобразованные естественные почвы сочетают горизонт «урбик» мощностью менее 50 см и ненарушенную срединную и нижнюю части профиля. Почвы сохраняют типовое название с добавлением «урбо».

Антропогенно-глубоко-преобразованные почвы образуют группу собственно городских почв урбаноземов, в которых урбиковый горизонт имеет мощность более 50 см. Почвы формируются на культурном слое или на насыпных, намывных и перемешанных грунтах. Урбаноземы подразделяются на две подгруппы:

Механически или физически преобразованные почвы, в которых произошла физико-механическая перестройка профиля:

а) Урбаноземы. Почвенный профиль урбоземов состоит из одного или нескольких подгоризонтов урбик U1, U2 и т.д., образованных из своеобразного пылевато-гумусного субстрата разной мощности и качества с примесью городского мусора. Формируются на грунтах разного происхождения и на культурном слое. Иногда урбик подстилается непроницаемым материалом (асфальтом, фундаментом, бетонными плитами, коммуникациями). Профиль урбанозема характеризуются отсутствием природных генетических горизонтов до глубины 50 см и более.

б) Культуроземы (агроурбаноземы) - городские почвы фруктовых и ботанических садов, старых огородов. Характеризуются большой мощностью гумусового горизонта, наличием перегнойно-торфо-компостных слоев мощностью более 50 см, развивающихся на нижней иллювиальной части почвенного профиля, на культурном слое или на грунтах разного происхождения.

в) Некроземы - почвы, входящие в комплекс почв городских кладбищ. Глубина перемешанности профиля более 200 см.

Химически-преобразованные почвы, в которых произошли значительные хемогенные изменения свойств и строения профиля за счет интенсивного химического загрязнения как воздушным, так и жидкостным путем:

а) Индустриземы - почвы промышленно-коммунальных зон, сильно техногенно загрязненные тяжелыми металлами и другими токсичными веществами, степень загрязнения достигает величин, чрезвычайно опасных по принятым нормативам. Химическое загрязнение изменяет почвенный поглощающий комплекс почв, предельно сокращает разнообразие почвенной биоты, а часто делает почву почти абиотичной. Данные почвы могут быть уплотненными, бесструктурными, с включениями токсичного непочвенного материала объемом более 20 %. Название условно, их иногда называют «поллютоземы». Они частично могут соответствовать и хемоземам (техногенным почвам районов добычи полезных ископаемых).

б) Интруземы - почвы формируются в местах, где в результате аварий транспортных систем или бесхозяйственной деятельности человека через мостовые бензозаправочных станций и автомобильных стоянок в почвы постоянно проникают нефтепродукты. То есть, это почвы, перекрытые с поверхности или пропитанные в профиле органическими масляно-бензиновыми жидкостями..

Наряду с урбоземами на территории городов формируются почвоподобные техногенные поверхностные образования - техноземы. Подобные почвы ранее в городах назывались «почво-грунт», «плодородный грунт». Техноземы различаются по качественному составу, мощности и свойствам насыпного органогенного слоя, составу и свойствам насыпных однослойных или многослойных грунтов. Они подразделяются на:

реплантоземы - почвы, которые состоят из маломощного гумусового слоя, слоя торфо-компостной смеси или слоя органо-минерального вещества, нанесенных на поверхность рекультивируемой породы из смеси насыпных или других природных или техногенных грунтов. В основном формируются в районах городских промышленных и селитебных новостроек, на новых газонах. Термин принадлежит И. А. Крупеникову и Б.Б. Полынову и применялся для рекультивируемых почв, используемых в сельском хозяйстве. В Классификации почв России 2008. они частично могут соответствовать группе «квазизем», подгруппе «урбиквазизем»;

консгруктоземы - искусственно целенаправленно создаваемые почво-грунты путем создания профиля по образу природной почвы. Состоят из серии слоев грунта разного гранулометрического состава и происхождения и плодородного насыпного гумусированного слоя.

Кроме этих почвоподобных поверхностных образований, в городах распространены участки с безгумусными природными и техногенными открытыми грунтами, а также территории муниципальных мусорных свалок со слабогумусированными или негумусированными минеральными грунтами, частично задсрновывающимися техногенным поверхностным образованиям (ТПО), группе «натурфабрикаты».

При современном градостроительстве до 70-90 % территории города закрыто асфальтобетоном и другим дорожным покрытием, а также зданиями и строениями. Процентное соотношение запечатанной и открытой территории в разных функциональных зонах города может быть различно. Под покрытиями могут быть запечатаны разнообразные почвы, почвоподобные тела и грунты. Запечатанные почвы и грунты являются неотъемлемой частью города. Они нуждаются в изучении и картографировании, так как их свойства необходимо учитывать при экологической оценке территории города.

Выделяется отдельная группа почв, запечатанных под дорожными асфальто-бетонным и каменными покрытиями, экраноземы. Их также называют мощеные, запечатанные. Почвы существенно уплотнены, в них меняются водный, тепловой и газовый режимы; микробиота функционирует в основном по анаэробному типу; не происходит поступления вещества извне; при укладке покрытия может быть разрушена верхняя часть профиля.



2. Особенности почв урбанизированных территорий

2.1 Режимы почв урбанизированных территорий

С ростом урбанизации все больше территорий приобретает свойства городских экосистем. Измененные климат, рельеф, гидрографическая сеть и растительность влияют на все свойства почв и процессы, происходящие в них. В том числе водный и воздушный режимы.

2.1.1 Водный режим почв

Урбанизация вносит коренные изменения в процесс формирования водного режима территории. Антропогенные воздействия в городах изменяют структуру водного баланса, формируют новый техногенный водный режим почвогрунтов зоны аэрации и подземных вод. Наиболее распространенные негативные антропогенные процессы связаны с подтоплением застроенных территорий грунтовыми водами. Кроме того, на проницаемых поверхностях города увеличивается влажность почвы в результате перераспределения атмосферных осадков за счет непроницаемых поверхностей, полива зеленых насаждений, утечек из водонесущих коммуникаций, что влечет за собой изменение водного режима зоны аэрации и увеличение влагосодержания почв и грунтов. Повышение их влажности вне допустимых пределов приводит к деформации зданий и сооружений, интенсификации морозного пучения грунтов, разрушению асфальтовых покрытий, деградации растительности, снижению продуктивности земель и прочее. Все вышесказанное требует тщательного изучения водного режима застроенной территории и водно-физических свойств урбанизированных почвогрунтов.

Формирование водного режима урбанизированных территорий связано с природными условиями (климатические и гидрометеорологические; геоморфологические и рельеф; геологические, главным образом, литологическое строение территории) и интенсивной антропогенной и градостроительной деятельностью, нарушающей эти условия.

Изменение гидрологических условий происходит в результате градостроительной деятельности. К числу гидрологических нарушений на территории города относят:

Просадки поверхности, характерные для зон залегания лессовых пород. Способность этих отложений к проседанию при замачивании обуславливает специфику строительства на этих участках. Просадки возникают и например, при неумеренном заборе из подземных горизонтов воды для бытовых и хозяйственных нужд.

Карстовые провалы возникают в результате движения подземных вод в известняках и других нестойких породах. В городах этот процесс чаще всего является следствием техногенного нарушения водоупорных пород выработками, буровыми скважинами; через них вода проникает в карстовые породы.

Суффозионные процессы - вымывание наносных мелкозернистых грунтов. Оползневые явления наблюдаются в городах при нарушении природного состояния геологических пород. Причины сползания пород в условиях города разнообразны - это подгрузка склонов застройкой, подработка склонов, подтопление подземными водами, вибрационное воздействие транспортных средств или взрывов.

Подтопление городских территорий. К подтопленным городским территориям относятся такие, на которых уровень грунтовых вод расположен выше 2,5 м от отметки поверхности земли. Подтопление в силу большого разнообразия природных условий и состава пород, слагающих территорию городской агломерации, происходит по-разному. Основными причинами развития подтопления в городах являются: изменение условий поверхностного стока, в частности создание водохранилищ; засыпка оврагов, балок, стариц; недостаточное развитие сети ливневой канализации и плохое ее состояние; развитие сетей водоснабжения без соответствующего строительства системы водоотведения; утечка из сетей водопровода и канализации и аварии на них; воздействие коллекторов большого диаметра, тоннеле метрополитена.

Затопление, т.е. образование свободной поверхности воды над земной поверхностью, является одним из наиболее распространенных природных процессов, связанных с выходом рек из берегов. Затопление на урбанизированных территориях характеризуется уровнем подъема воды и частотой повторяемости. Эти характеристики находятся в прямой зависимости от площади с водонепроницаемым покрытием (застройка, асфальт) и от объема ливневого стока.

2.1.2 Воздушный режим почв

Влияние на почвы городского воздуха разнообразно. С одной стороны, на растительность воздействует повышенная температура городского воздуха; она выше за счет тепла, исходящего от асфальта летом и жилых зданий и предприятий зимой. Этот температурный эффект в городах создает «острова тепла» (heat island). Особенно ощутимо превышение фоновых температур в начале ночи, прирост может достигать 2-3°С . Но в парках и городских лесах температура воздуха и почвы ниже, чем в городских кварталах с высокой долей «запечатанных» почв .

В жаркое лето в парках и городских лесах снижение температуры улучшает экологические условия для обитателей почвы. В городах, возведенных в пустыне, возникает «эффект оазиса», поскольку температура в них ночью выше, а днем ниже, чем в окружающей пустыне. Это способствует росту растительности в городе, что непосредственно сказывается на увеличении запасов углерода в городской почве.

С другой стороны, оказывает влияние и специфический состав городского воздуха: содержание С здесь достигает 520 ррm , тогда как глобальная концентрация всего 379 ррm. Повышенное содержания углекислого газа благоприятствует вегетации в городе.

То же относится к азоту. Его потребление дубами в городском лесу НьюЙорка было на 50-100 % больше, чем в нативном лесу . Азот поступает в почву в виде нитратов совместно с частицами пыли, обогащенными C и M, которые вызывают подщелачивание городских почв. Аэральные выпадения в городских лесах ускоряют трансформацию азота в лесных ценозах. Например, в почвах городских лесов Нью-Йорка больше скорость нитрификации, содержание доступных нитратов и меньше скорость деструкции опада, чем в почве фонового леса [12]. Параллельно с увеличением нитрификации в городских почвах сокращается выделение опасного парникового газа метана С.

2.2 Морфологическое строение городских почв

Городские почвы подвергаются постоянной техногенной нагрузке, что приводит к трансформации структуры почвы и к изменению экологических связей в системе «почва - растение». Преобладающим фактором почвообразования в городах становится антропогенное воздействие. В результате формируются специфические типы почв и почвоподобных тел.

Антропогенное воздействие проявляется в разных аспектах: химическое загрязнение, дробление структуры почвенного покрова, частичное запечатывание искусственными покрытиями и т. п.

Городские почвы имеют характерный признак - поверхностный слой мощностью более 50 см, созданный человеком в результате перемешивания, погребения или загрязнения естественной природной почвы непочвенными материалами. В связи с этим выделяют отдельную группу почв, запечатанных под дорожными покрытиями, -- экранозёмы, или экранированные урбанозёмы, для которых характерны разрушение верхней части профиля; существенное уплотнение, изменение водного, теплового и газового режимов; функционирование микробиоты в основном по анаэробному типу; отсутствие поступления вещества извне (городская почва «растет вверх» из-за подсыпки грунта и осаждения пыли из атмосферы). Исследованием проблем антропогенного воздействия на почвы в городах и функционирования экранозёмов занимаются учёные на протяжении последних десятилетий.

Особый интерес представляют именно запечатанные почвы под асфальтовым покрытиями в городах и, связанные с этим, процессы формирования и функционирования экранозёмов или урбанозёмов экранированных. Также обращают на себя внимание эти процессы в контексте соотношения открытых почвенных участков и запечатанных в черте города для вопросов архитектуры и градостроительства. Особое место занимает изучение влияния экологического состояния почв городских территорий на их экономическую оценку. Так, запечатывание городских почв дорожными покрытиями относят к градостроительным процессам отрицательного воздействия на состояние городских почв, что приводит к снижению общегородских биосферных и экологических функций почв. Увеличение запечатанности почвенного покрова приводит автоматически к снижению озелененности территории.

2.2.1 Особенности почвенного профиля

Почвы, в которых результаты деятельности человека выявляются морфологически в отдельных свойствах почв или их сочетаниях, вплоть до формирования нового горизонта, называются антропогенно-измененными.

Термин «антропогенные почвы» предусмотрен для почв, испытавших сильные воздействия, которые привели к формированию нового генетического профиля. Примером антропогенных почв являются искусственные почвы.

По морфологическим признакам, прежде всего по набору генетических горизонтов, можно выделить несколько крупных групп почв, измененных или созданных человеком. На рисунке 2 приведен генетический ряд - континуум природных и антропогенных почв.

Рисунок 2 Генетический ряд почв с разной степенью антропогенных трансформаций

Совершенно новые антропогенные почвы могут быть сформированы различными способами, при которых трансформации охватывают весь почвенный профиль.

Если обратиться к разным видам деятельности человека, то его воздействия на почву можно сгруппировать следующим образом: техногенные (связанные с добычей и переработкой полезных ископаемых, промышленностью, транспортом, т.е. с техникой в прямом смысле), агрогенные (земледельческие) и урбогенные - связанные с воздействием городской среды. Часто виды антропогенных воздействий сочетаются друг с другом или сменяют друг друга во времени.

Во многих случаях антропогенные модификации почв сходны с результатами протекания естественных природных процессов, либо они сочетаются в горизонте или профиле. При слабых и средних по интенсивности воздействиях, затрагивающих преимущественно верхние горизонты профиля, в названии почв сохраняется природная генетическая основа, к которой тем или иным способом добавляются привнесенные элементы.

Свойства почв, в разной степени преобразованных различными видами деятельности человека, изменяются постепенно. Постепенность изменений определяется известной инерционностью, консервативностью почвенных тел, поскольку существенный вклад в морфологию профиля вносят признаки, формирование которых связанно с генетическими процессами, требующими больших временных промежутков. А это значит, что в ряду почв от естественных через антропогенноизмененные до антропогенных имеется много переходных образований. Они различаются по соотношению естественных и антропогенных элементов строения профиля и его отдельных горизонтов.

Если отложенный субстрат не преобразован почвообразованием в силу малого времени или ограничений для биоты (токсичность, грубый гранулометрический состав, холодный или сухой климат), рассматриваемый объект не может быть отнесен к почвам, и его следует классифицировать как техногенные поверхностные образования - ТПО.

В техногенных поверхностных образованиях отсутствуют генетические почвенные горизонты, а также признаки педогенных структур. Не имея генетического профиля, ТПО частично функционируют как почвы: на них произрастают высшие растения, они имеют определенные термические и водные режимы. С течением времени в них начинают формироваться почвенные признаки, развиваться генетические горизонты, и они постепенно превращаются в почву. На этом не слишком долгом эволюционном пути бывает трудно определить момент, когда ТПО можно считать почвой [5].

Большая часть антропогенных воздействий осуществляется на определенных, резко отграниченных территориях: полях, садах и огородах, промышленных площадках, вырубках, функциональных зонах городов, насыпях, месторождениях и т.д. Границы ареалов тех или иных воздействий оказываются резкими, линейными и чаще всего не совпадают с природными почвенными границами. Они выявляются по картам и планам земельных угодий, планам городов и месторождений, историческим материалам, дистанционными методами.

Для мира антропогенно-измененных почв наиболее характерно:

многообразие его обитателей - почв с разнообразными свойствами;

постепенный генетический переход (континуальность) между природными и антропогенными почвами;

жесткость и линейность большинства пространственных границ между почвенными телами и/или техногенными поверхностными образованиями.

2.2.2 Особенности генетических горизонтов

Отличительной характеристикой городских почв, особенно почв в центре города, является большое количество антропогенных включений в средней и нижней частях почвенного профиля. Существенное место в профилях почв городов занимает насыпной грунт, имеющий, по крайней мере, один литологический перерыв.

Встречаются погребенные горизонты, более темные из-за аккумуляции органического вещества, более рыхлой консистенции, с повышенным количеством корней и животного населения.

Для большинства урбаноземов, как центрального элемента городских почв, характерно:

отсутствие естественных почвенных горизонтов;

в профиле почв сочетаются различные по окраске и мощности слои искусственного происхождения, о чем свидетельствуют резкие переходы и ровные границы между ними;

скелетный материал представлен в основном строительным и бытовым мусором (кирпичная крошка, куски асфальта, битое стекло, уголь и т.д.) в сочетании с промышленными отходами, торфо-компостной смесью или включениями фрагментов естественных почвенных горизонтов;

иногда встречаются слои, полностью состоящие из отходов и мусора.

Наряду с урбаноземами в городе в парках и лесопарках сохраняются естественные почвы, а также частично аллювиальные пойменные почвы разной степени нарушенности. Они сочетают в себе ненарушенную нижнюю часть профиля и антропогенно-измененные верхние слои (урбопочвы).

Все перечисленные почвы различаются в городе:

по характеру формирования (насыпные, перемешанные);

по гумусированности и оглеенности;

по степени нарушенности профиля;

по количеству и составу включений (бетон, стекло, токсические отходы и т.д.) и другим показателям.

2.3 Свойства почв урбанизированных территорий

2.3.1 Физические свойства

Урбаноземы значительно отличаются от естественных почв по физическим свойствам.

Гранулометрический состав почвы - важный показатель, который определяет продуктивность городской почвы, степень ее фильтрационной и водоудерживающей способности. По результатам гранулометрического анализа естественные почвы в городах, равно, как и погребенные, мало отличаются от зональных почв. Гранулометрический состав насыпных слоев очень разнообразен, но, как правило, характеризуется преобладанием песчаных фракций.

Но как отмечает М.Н. Строганова, слоистость городских почв по гранулометрическому составу имеет важное почвенно-геохимическое значение в качестве экранирующего и капиллярно-прерывающего барьеров. Важный фактор - содержание мелкозема, он определяет степень влагоемкости. Для городских экосистем характерно привнесение в почву песка и гравия, используемого в градостроительстве. Строительный материал, промышленные отходы, механические загрязнители и другие технологические субстраты имеют размеры гравия и камней. Из-за этого их содержание в городских почвах постоянно увеличивается [4].

Другая важная характеристика - форма щебня. Многие городские почвы содержат слои твердых обломков заостренной формы, поэтому в таких субстратах наблюдается слабое проникновение корней, редко встречаются дождевые черви.

Для городских почв важным параметром является показатель захламленности, т.е. степень перекрытости поверхности почвы абиотическими наносами, в том числе токсическими. Эту часть почвы можно назвать балластной. Важным фактором является химический состав материала. При его токсичности происходит химическое загрязнение всей экосистемы.

Плотность сложения характеризует способность почвы накапливать запасы доступной влаги для растений, а также обеспеченность воздухом. Плотность почвы влияет на поглощение влаги, газообмен в почве, развитие корневых систем растений, интенсивность микробиологических процессов. Оптимальная плотность пахотного горизонта для большинства культурных растений составляет 1,0-1,2 г/смі, для городских почв она выше (1,4-1,6 г/смі).

Урбанофитоценозы, выполняющие санитарно-гигиенические и эстетические функции, находятся в жестких условиях существования. Одним из факторов, который вызывает угнетенное состояние или гибель растений в условиях города, является высокая рекреационная нагрузка и, как следствие, вытаптывание напочвенного покрова и уплотнение поверхности почвы. В таких случаях затруднено проникновение корней вглубь профиля.

Изменение физических свойств связано с увеличением объемной массы поверхностных слоев почв: на участках с усиленным движением она доходит до 1,7 г/смі, хотя в хорошо удобренных органическим веществом насыпных почвах эта величина может равняться 0,8-0,9 г/смі. В.Д. Зеликов установил, что от соотношения рыхлых и плотных участков зависит состояние зеленых насаждений: если участков с плотностью сложения почв выше 1,1 г/смі более 30 %, то многие деревья страдают суховершинностью. Постепенное уплотнение приводит к изменению структуры почвенных горизонтов, образованию слоеватости и формированию крупнопластинчатых отдельностей [6].

Уплотнение почвы ведет к созданию в корнеобитаемом слое условий, близких к анаэробным, особенно в период продолжительных дождей весной и осенью. В таких условиях затрудняется рост мелких (активных) корней древесных и травянистых растений и нарушается процесс естественного возобновления растительности. В уплотненных почвах масса корней в 2,5-3 раза меньше, чем в неуплотненных.

Хорошо предохраняет почву от переуплотнения лесная подстилка. Исследованиями также установлено, что твердость почвы на уплотненных участках газона, где наблюдались изреживание и плохой рост трав, составляла 40-45 кг/смІ, тогда как для нормального роста трав требуется, чтобы она была в два раза меньше.

Пористость - одно из важнейших свойств почвы, обусловливающее в основном водный и воздушный режим. От величины пор зависит передвижение воды в почве, водопроницаемость и водоподъемная способность, мобильность воды. В лесопарках, садах и бульварах, где почва почти не подвергается уплотнению, пористость колеблется от 45 до 75 %. Уплотнение почвы снижает ее до 25-45 %, что приводит к ухудшению водно-воздушного режима почвы. С пористостью связаны влагоемкостъ и воздухоемкость почв. С ухудшением водно-физических свойств уменьшается накопление в ней влаги, особенно в летние месяцы, составляя на уплотненных участках всего до 14 % от их влагоемкости.

Важной характеристикой почв является их способность впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности - водопроницаемость. Величина и характер водопроницаемости сильно зависят от степени каменистости, пористости почвы, от ее влажности и химического состава. Существенное значение имеет наличие в почве города камней, трещин и пустот. Для городских почв характерна провальная или мозаичная водопроницаемость, обусловленная наличием пустот в профиле за счет строительного или бытового мусора.

Наблюдается зависимость между плотностью сложения почвы и скоростью фильтрации воды в ней. Так, например, в верхних слоях почвы в естественном состоянии водопроницаемость на 60 % выше по сравнению со средне вытоптанным участком и в четыре раза выше по сравнению с сильно вытоптанным.

Наличие тропиночной сети с сильно уплотненным поверхностным горизонтом нарушает естественное распределение корневой массы, что может стать причиной деградации растительности.

Большое значение для улучшения экологической обстановки в городе и здоровья его жителей имеет интенсивность газообмена между городской почвой и атмосферой, а также состав газовой фазы почвы, который определяется процессами транспорта газов из атмосферы и внутри почвы.

На газовый состав почв в городе влияет, помимо плотности сложения, влажности почвы и др., наличие экранирующего действия искусственных покрытий и утечки природного газа из городской газопроводной сети.

Вследствие повсеместного распространения такого явления как запечатывание дневной поверхности происходит погребение почв и, как результат, изменение их физических свойств, т. к. асфальтовые покрытия, полностью экранируя верхние горизонты, затрудняют газообмен между почвой и атмосферой. В связи с увеличением величины плотности сложения нарушается пористость верхних горизонтов, что определяет передвижение и мобильность воды в почве, водоподъемную способность и водопроницаемость последней.

Кроме того, в результате запечатывания прекращается поступление органического вещества в почву, которое является основным агрегирующим и структурообразующим компонентом почвы.

Достаточно показательной характеристикой физической деградации почвенного покрова города является плотность сложения почвы в целом. Естественные и искусственно созданные почвы города, независимо от характера материнской и подстилающей пород, характеризуются сильным уплотнением с поверхности, что может сопровождаться их переувлажнением, заболачиванием, значительно повышается опасность засоления, развития эрозии и других неблагоприятных явлений. Следует отметить, что увеличение объёмной массы почвы может вызвать необратимые изменения - почва теряет способность к саморазуплотнению, а это может повлечь за собой не только потерю плодородия, но и существенные последующие материальные затраты на восстановление плотности сложения.

Наибольшее уплотнение имеют почвы селитебных участков, характеризующиеся повышенной антропогенной нагрузкой [5].

2.3.2 Химические свойства

Прежде всего, изучение химического состава различных горизонтов почвы в сравнении с материнской породой дает представление о направленности почвообразовательного процесса. Химический анализ позволяет также сделать выводы о запасе химических элементов в том или ином горизонте, т.е. о потенциальном плодородии почвы, о степени и химизме загрязнения.

Главной особенностью химического состава почвы является то, что она содержит практически все элементы периодической системы Д.И. Менделеева.

В почве практически все входящие в ее состав элементы играют роль обязательных и необходимых для живых организмов. Отличительными особенностями почв по химическому составу являются:

большой набор элементов;

сочетание высокого содержания углерода и кремния - как отражение двух важнейших факторов почвообразования: живых организмов и почвообразующих пород;

большой диапазон концентраций химических элементов - от десятков процентов до величин порядка - %.

Формируется химический состав почв в процессах выветривания и почвообразования. Порода, из которой образуется почва, играет решающую роль в формировании химического состава. Однако в ходе почвообразования химический состав породы претерпевает заметные изменения различного характера в зависимости от типа почвообразования, климатических условий, деятельности человека и т.д. Как результат этого процесса любая почва отличается от горных пород рядом химических свойств, отсутствующих или слабо выраженных в последних:

накопление в верхней части почвенного профиля, и особенно в горизонте А, значительного количества гумуса - продукта векового существования и отмирания растений, почвенных животных, микроорганизмов;

накопление в его верхней части ряда важнейших элементов питания растений - биофилов (P, N, Ca, K, S, Cu, Zn, Co и др.). Процесс этот получил название биогенного накопления элементов;

наличие коллоидов - высокодисперсных органических, минеральных и органоминеральных частиц, несущих отрицательные и положительные заряды, и обладающих выраженной особенностью поглощать и обменивать ионы из растворов;

в почве 40-60 % объема может занимать жидкая и газообразная фаза, и этим она также коренным образом отличается от почвообразующих пород.

Урбанизация влияет на все свойства почвы, а на химический состав чуть ли не в первую очередь.

Выбросы химических соединений, в том числе и токсических, попадают на поверхность почвы, и в зависимости от типа водного режима распределяются более или менее равномерно по всему профилю или аккумулируются в поверхностном слое. Локально значительное влияние на химический состав и физико-химические свойства городских почв оказывают такие мероприятия как посыпание тротуаров и дорог зимой химическими препаратами и песком, внесение торфокомпостов для повышения плодородия на территории парков, скверов, газонов. Кальцийсодержащий строительный мусор, цементная крошка и подобные материалы в местах, прилегающих к стройплощадкам, способствуют подщелачиванию почвы.

Город оказывает влияние на распределение многих метеорологических элементов в приземном слое атмосферы и создает присущий только ему климатический режим. Искусственные материалы и покрытия, применяемые в городской среде, здания, имеющие большую поглощающую поверхность, нагреваются сильнее, чем почвы за чертой города, образуя свой особый микроклимат, отличный от естественного.

Промышленные предприятия, котельные, ТЭЦ, также являются причиной изменения полей температуры в пределах городов с образованием "островов" тепла. Асфальтирование и затененность постройками уменьшают испарение с поверхности и увеличивают естественную влажность грунтов. Существенно влияют на свойства городских почв и утечки технических, водопроводных и канализационных вод, в результате которых образуются "водные купола". Это не может не сказываться на формировании в почвах городских территорий особого водно-солевого и газового режимов, выражающихся в аномальном залегании солей, в изменении рН и катионно-анионного состава водной вытяжки этих почв.

Почти все изменения, происходящие в почвенном профиле под влиянием деятельности человека или окружающей среды, совершаются либо под непосредственным влиянием миграции солей, либо при участии этого явления. На миграцию солей в урбопочвах оказывает влияние и наличие антропогенных слоев в толще почвы, таких как остатки мостовых, уплотненные слои, бывшие некогда на поверхности и испытывавшие повышенную нагрузку [6].

2.3.3 Органическое вещество городских почв

Важным является изменение содержания и состава органического вещества в городских почвах. Оно во многом зависит от истории конкретного города и ведения ландшафтного хозяйства в его черте [7]. Варьирование свойств определяется не только степенью загрязнения почв, но результатом озеленения, когда улицы и парки засаживаются экзотическими растениями и деревьями, изменяющими цикл питания элементов и состав почвенных микроорганизмов Содержание органического углерода в городских почвах разнообразно и зависит от его величины в исходном субстрате, а также от применения органических и минеральных удобрений, привнесения органического мусора и т.д.

Влияние города на запасы почвенного углерода неоднозначно, они могут увеличиваться или уменьшаться по сравнению с фоном в разных городах. Факторов, препятствующих накоплению углерода в почвах, несколько. Во-первых, содержание углерода (за счет запасов углерода микробной биомассы) сокращается из-за уплотнения почв тяжелой техникой при строительстве городских объектов. В парках почва уплотняется из-за большого числа отдыхающих людей. Во-вторых, с газонов убирают листья, что сокращает возврат углерода. в почву [8]. В-третьих, в условиях сильного химического загрязнения снижается плодородие городских почв, что не благоприятно для растительности на газонах.

Накопление органического вещества в городе зависит от других факторов:

Содержание органического вещества увеличивается за счет поступления органических поллютантов. Они попадают в городскую почву как в виде тонких аэральных частиц, так и в составе мусора. Среди аэральных выпадений наибольшее значение имеют углистые частицы, сажа и другие продукты неполного сгорания твердого и жидкого топлива. В состав органического мусора попадают пищевые отбросы, осадки сточных вод, пластик;

Городские почвы обогащаются углеродом за счет замедления минерализации растительных остатков под влиянием загрязнения тяжелыми металлами [10];

В городе увеличивается продуктивность растительности за счет повышенной температуры, высокого содержания в воздухе углекислого газа и ухода за зелеными зонами.

Традиционно экологи расценивают деятельность человека как деструктивную, разрушающую природные системы. Но забота о городских парках, лесах и газонах ведет к улучшению экологического состояния почв, к росту запасов органического вещества, зачастую, превышающих, запасы в пахотных и целинных почвах [9].

Если рассматривать трансформацию органического вещества естественных и естественно-антропогенных почв лесной зоны, то во всех стародавних почвах скверов, парков и огородов содержание гумуса достигает 8-12 %, при среднем показателе 4-6 %. С глубиной оно несколько падает, часто имея скачкообразный характер распределения по профилю. Интервал колебаний велик: 1-8 % и более. В лесной зоне наибольшие его количества приходятся на нарушенные и вновь образованные слои почв газонов, скверов, бульваров (5-11 %) и селитебных участков (3-7 %); в парках и лесопарках естественные гумусово-аккумулятивные горизонты содержат его в количестве 1-3 %, а искусственно созданные - 2-5 %. Обусловлено это тем, что изначально низкоплодородные дерново-подзолистые почвы этой зоны в городских условиях обильно и часто удобряются торфосодежащими компостами, что приводит к формированию особых почв типа плагген или хортисолей. Иногда почвы приобретают характер черноземовидных, как это отмечено Л.Т. Земляницким и др. для Александровского сада г. Москвы. Меняется и состав гумуса: увеличивается доля гуминовых кислот, причем распределение по фракциям становится более равномерным [14].

Для почв лесопарков обычно характерно довольно резкое убывание содержания гумуса вниз по профилю, т.к. в лесопарках растительность развивается на зональных естественных почвах и здесь сохраняется свойственный этим почвам тип распределения гумусового профиля. Наряду со сдвигом реакции в щелочную сторону и увеличением содержания гумуса, отмечены изменения его качественных характеристик в горизонте давно окультуренных городских почв и почв вблизи химических заводов г.Ярославля: отношение Сгк/Сфк стало больше 2,0, т. е. по этому показателю приближается к Са-гумусовым почвам [15].

Почвы четко различаются свойствами по следующим типам землепользования:

парково-рекреационная и природоохранная зона;

земли сельскохозяйственного назначения;

земли резерва.

Именно использование городских почв объясняет и распределение гумуса по их профилю.

По данным С.А. Захарова на 1946 год, среднее содержание гумуса в поверхностном слое североприазовских черноземов составляло 5,7 % (среднее из 27 разрезов) с колебаниями от 4,4 до 7,6 %. Исследования, проведенные в 1997 году, показали, что в лесопарковой зоне наблюдается увеличение гумуса в поверхностном слое. За 40-50 лет произрастания древесной растительности содержание гумуса в 7,0-7,5 % становится для этих почв среднестатистической величиной. На участках, где под деревьями отмечен густой подлесок и хороший травостой, а следовательно, получает развитие дерновый процесс, содержание гумуса достигает 8,5-9,0 % [16].

М.С. Брук отмечает, что лесная растительность улучшает физические и химические свойства почв и способствует повышению их плодородия, что связано с интенсификацией процесса гумусонакопления, и, как следствие, резкого увеличения содержания гумуса в верхних горизонтах [13].

В связи с тем, что под лесной растительностью поступление опада в почву имеет иной характер, чем в степи, изменяется и распределение гумуса по профилю. Корневая система целинных трав полностью или частично отмирает ежегодно, и это обуславливает прямое поступление корневого опада в почвенную толщу и постепенное убывание содержания гумуса с глубиной. Древесная растительность обеспечивает ежегодное поступление листвы преимущественно на поверхность почвы. Как следствие гумусовый профиль приобретает черты лесного, т.е. отмечается довольно резкое по сравнению с верхними горизонтами уменьшение гумуса с глубиной.

В скверах и парках центральной части города, где листовой опад сгребают и уничтожают, содержание гумуса не превышает 3 % в верхнем слое, с глубиной идет плавное снижение.

Сведения об исследованиях органического вещества городских почв, его составе и особенностей разрозненны. Коллектив авторов из университета города Киль (Германии) исследовал состав органического вещества почв и подстилок различных городских почв. В сравнении с природными почвами все городские почвы здесь характеризуются низким содержанием фульвокислотной фракции, липидная гидрофобная фракция гумусового вещества городских почв очень мала. Очевидно, микроорганизмы способны разрушать органические вещества, входящие в состав вышеупомянутых фракций, которыми так богаты природные почвы. Данный факт может быть обусловлен влиянием высокого уровня рН в городских почвах. Способность поглощать липидную гидрофобную и фульвокислотную фракции вероятно отражает специфичность микробной популяции, которая предпочитает использовать эти соединения как пищевые ресурсы. Это может быть полезно в связи с постоянным риском загрязнения городских почв нефтепродуктами из-за интенсивного дорожного движения. С другой стороны, низкое содержание липидной фракции повышает водоудерживающую способность, что в свою очередь повышает теплоемкость почв. Имеются данные об исследованиях гумусоподобных веществ, образующихся при разложении компостов из городского мусора в сравнении с гумусовыми веществами фоновых почв естественного происхождения. Сведения об элементом составе, представленные разными авторами не во всем совпадают, но везде отмечается меньшая биологическая стабильность гумусовых веществ компоста.

В молодых почвах свободные компостные компоненты слабо гумифицированная фульвокислотная фракция доминируют в составе органического вещества, тогда как в более старых почвах эти компоненты включены в гумусовую матрицу, что приводит к уменьшению их доступности для микроорганизмов. Таким образом, в городских почвах гумификация может быть управляемой.

По данным М.Н. Строгановой с соавторами, в урбаноземах и культуроземах лесной зоны по сравнению с зональными дерново-подзолистыми почвами отмечается более растянутый гумусовоаккумулятивный профиль, содержание гумуса может оставаться значительным и на глубине 50-70 см и более. Что касается экранированных почв, то в результате запечатывания практически прекращается привнос в почву свежего органического вещества, современные процессы гумификации затухают и, как следствие, отсутствует обновление гумусовых веществ. Кроме того, как уже отмечалось выше, большая доля загрязненных осадков минует почвенное тело и все это приводит к тому, что почва, а вместе с ней и почвенный гумус, не способны выполнять свои протекторные функции. Можно сказать, что в таком виде запечатанные почвы представляют собой антропогенные модели, отражающие влияние времени на функционирование и статус системы гумусовых веществ почв [17].



3. Экологические функции городских почв и направление их обеспечения

В первую очередь почва является средой, обеспечивающей условия роста и развития растений в городе, путем удовлетворения их потребностей не только в питательных веществах, но и во влаге, пространстве, тепле.

Очень важная функция городских почв заключается в очищении окружающей среды от различного рода загрязняющих твердых, жидких и газообразных веществ. Так почвы являются универсальным фильтром на пути миграции в реки и грунтовые воды тяжелых металлов, органических веществ и других продуктов жизнедеятельности города. Почвы влияют на химический состав подземных вод. Благодаря своим биогеохимическим свойствам и мелкодисперсной структуре почва может превращаться в «депо» токсических соединений, и она же может играть до известной степени роль барьера для солей тяжелых металлов, пестицидов, нефтепродуктов, минеральных удобрений на пути их миграции в грунтовые воды.

Важная роль принадлежит почве в регулировании газового состава атмосферы, ее состояния и качества. В результате активности почвенных организмов и высокой сорбционной способности по отношению к газам, почва способна влиять на содержание в приземном слое атмосферы таких газов как кислород, углекислый газ, азот, оксиды серы, закись азота, оказывающих существенное влияние на состояние здоровья человека.

Санитарно-гигиеническая функция городских почв, заключающаяся в утилизации органических отходов, растительных остатков, обеззараживании городской среды от патогенных микроорганизмов и их токсинов [17].

Городские почвы нуждаются в постоянном проведении мероприятий, направленных на поддержание способности почв выполнять свои основные экологические функции.

При градостроительстве необходимо ограничивать «запечатывание» почв и сохранить сеть соединенных между собой озелененных зон, преимущественно сохраняющих специфику природных экосистем.

Необходимым условием создания в городе благоприятной среды проживания человека с достаточным количеством зеленых насаждений является бережное отношение к плодородному слою почвы. Интенсивная инженерно-строительная деятельность в пределах городских агломераций включает большой объем земляных работ (прокладка дорог, коммуникаций, рытье котлованов под фундаменты, мелиоративные работы и т.д.), при выполнении которых страдает почвенный слой. Для его сохранения необходимо проводить обязательное снятие плодородного и потенциально плодородного слоя почвы отдельно от подстилающих слоев на всех категориях земель. Мощность снимаемого слоя почвы определяется уровнем плодородия малопродуктивных угодий, подлежащих землеванию в данном районе. Если снятый плодородный слой не используется сразу же для землевания или рекультивационных работ, проводят его селективное складирование в виде буртов, откосы и поверхность которых при длительном хранении (сроком более 2 лет) засевают травами. Если санитарные показатели плодородного слоя соответствуют требованиям, предъявляемым к почвам сельскохозяйственных территорий, снятый плодородный слой почвы может быть использован для восстановления эродированных почв сельскохозяйственной зоны.

...