Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Почва и ее роль на территории города

1.2 Классификационное положение городских почв

1.3 Органическое вещество городских почв

2. Условия почвообразования

2.1 Рельеф и геологическое строение Санкт-Петербурга

2.2 Климатические условия

2.3 Растительный покров

2.4 Антропогенный фактор

3. Объекты и методы исследования

3.1 Объекты исследования

3.2 Методы исследования

4. Результаты и обсуждения

4.1 Морфолого-генетические особенности исследуемых почв

4.2 Содержание углерода органических соединений в гумусовых горизонтах изученных почв Санкт-Петербурга

4.3 Состав органического вещества некоторых почв Санкт-Петербурга

4.4 Реакция среды изученных почв Санкт-Петербурга

4.5 Гранулометрический состав гумусовых и нижележащих горизонтов изученных почв

4.6 Содержание скелетной части в гумусовых горизонтах Санкт-Петербурга

4.7 Плотность сложения изученных гумусовых горизонтов почв Санкт-Петербурга

4.8 Содержание подвижных форм тяжелых металлов в изученных гумусовых горизонтах почв Санкт-Петербурга

Выводы

Литература

Приложение

Введение

В современном мире более 3/5 населения мира проживают в городах. Разрастание городов ведет к изменению почвенного покрова территорий, их экологического потенциала.

В процессе образования почв и почвенного покрова в городской среде ведущую роль играет антропогенный фактор. Изменение растительных сообществ, рельефа, водного режима территории, усиленная застройка сильно изменяет присущий естественным ландшафтам облик. В городе происходит загрязнение почв разнообразными токсикантами, источниками которых являются промышленные предприятия, автотранспорт, бытовые отходы и др. При строительстве зданий происходит скальпирование верхних горизонтов почв, нарушение их естественного сложения. Почвенный профиль городских почв содержит строительный и бытовой мусор, практически все почвы мегаполиса гетерогенны.

Санкт-Петербург - крупнейший город России с населением более 5 млн жителей, важнейший экономический центр с развитым промышленным сектором, крупный транспортный узел России, что, несомненно, сказывается на состоянии его почвенного покрова. Почвенный покров мегаполиса обладает высокой пространственной неоднородностью, что, в основном, обусловлено разной степенью интенсивности и масштабом воздействия человека. В черте города естественные почвы видоизменяются или полностью заменяются сконструированными человеком антропогенными почвами. Антропогенные почвы сильно отличаются от естественных почв по своим свойствам и возможности выполнять экологические функции.

Экологические функции почв выполняют важную роль в экосистемах города, а также влияют на качество жизни населения. Главную роль в обеспечении экологических функций почв играют их гумусовые горизонты, а эффективность выполнения функций в значительной степени обусловлена свойствами этих горизонтов.

Цель работы - изучить особенности строения, состава и свойств гумусовых горизонтов почв различных функциональных зон Санкт-Петербурга (для типизации, определения устойчивости почв к антропогенным нагрузкам и для оценки эффективности выполнения городскими почвами экологических функций).

Для достижения данной цели были выполнены следующие задачи:

1. Выявить особенности морфологического строения и химических, физических и физико-химических свойств гумусовых горизонтов почв в различных функциональных зонах Санкт-Петербурга.

2. Выявить особенности фракционно-группового состава гумуса различных почв Санкт-Петербурга.

3. Оценить влияние антропогенного пресса на почвы Санкт-Петербурга по содержанию тяжелых металлов.

4. Выявить показатели устойчивости гумусовых горизонтов к антропогенной нагрузке в различных функциональных зонах мегаполиса.

1. Обзор литературы

1.1 Почва и ее роль на территории города

Термин "городская почва" может пониматься с разных точек зрения. В широком смысле городская почва - это любая почва, функционирующая в среде города. В узком смысле, это те почвы, которые находятся под антропогенным прессом и (или) сформированы деятельностью человека в городе, что является и пусковым механизмом и постоянным регулятором городского почвообразования (Почва, город, экология, 1997).

В городе присутствуют как антропогенно-трансформированные естественные почвы, так и антропогенные почвы, сконструированные человеком (Почва, город, экология, 1997). Ученые подходят к исследованию городских почв, профиль которых сконструирован человеком, по-разному:

1. Городская почва, не является почвой с точки зрения классического почвоведения, ее называют почвоподобным телом или же грунтом.

2. Городская почва - это почва, но которая не всегда подходит под определение почвы как естественноисторического тела. Городская почва - биокосная система, состоящая из твердой, жидкой, газообразной а также живой фаз и выполняющая определенные экологические функции. Почвы в черте города образуются так же, как и естественные (природные) почвы, под воздействием тех же факторов почвообразования, но с ведущим вкладом антропогенного фактора

Впервые этот термин ввел Бокгейм (Bockheim, 1974), который определял городскую почву как почвенный материал, содержащий антропогенный слой несельскохозяйственного происхождения толщиной более 50 см, образованный путем перемешивания, заполнения или загрязнения поверхности земли на городских и пригородных территориях

Наиболее общепринятой точкой зрения на городские почвы в последнее время стало определение М.Н. Строгановой (Строганова, 1998), которое гласит, что городские почвы - это почвы, имеющие созданный человеком поверхностный органоминеральный слой, полученный перемешиванием, насыпанием, погребением грунта и (или) загрязнением материалами урбаногенного происхождения (строительный мусор и т.д.).

С точки зрения ряда авторов (Почва, город, экология, 1997) отличительные особенности городских почв, их генезиса и свойств состоят в следующем:

1. такие почвы формируются на насыпных, намывных или перемешанных грунтах и культурном слое;

2. в почвах в виде включений присутствует строительный и бытовой мусор в верхних горизонтах;

3. изменяется кислотно-щелочной баланс с общим трендом в сторону подщелачивания;

4. городские почвы часто загрязнены в высокой степени тяжелыми металлами и нефтепродуктами;

5. изменяются физико-механические свойства почв (пониженная влагоемкость, повышенная уплотненность, каменистость и другие особенности)

6. профиль городской почвы может расти вверх за счет аэрального поступления материала.

Точка зрения на городское почвообразование Б.Ф. Апарина и Е.Ю. Сухачевой (Апарин, Сухачева; 2014) дополняет эти положения. Представления этих авторов заключаются в том, что человек целенаправленно создает физическую модель корнеобитаемого слоя. Для этого он привносит в городскую среду органоминеральный или органогенный материал, являющийся продуктом длительного естественного почвообразования и сформировавшийся при другом наборе и соотношении факторов. Как правило, этот материал берется с почв территорий, прилегающих к городу. Происходит перенесение биологически активной части почвы из ее природного ареала на урбанизированную территорию. В новой среде (в сконструированном человеком почвенном профиле) морфологические признаки и другие свойства почв могут сохраняться, в то же время, другие свойства, целенаправленно или случайно модифицированные человеком, могут сильно измениться и приобретать значительные отличия от исходных свойств этих горизонтов в естественных почвах.

Увеличение площади городов ведет к преобразованию естественных экосистем в урбоэкосистемы (Почва, город, экология, 1997). Урбоэкосистема - это природно-городская система, состоящая из фрагментов природных экосистем, окруженных домами, промышленными зонами, автомобильными дорогами и др. Она характеризуется искусственным созданием новых типов систем в результате деградации, уничтожения и (или) замещения природных экосистем.

Урбоэкосистемы отличаются от естественных экосистем рядом негативных особенностей (Почва, город, экология, 1997), таких как:

1. меньшая рекреационная ценность;

2. нарушенность биокруговорота;

3. сокращение биоразнообразия по составу и структуре;

4. увеличение числа патогенных микроорганизмов;

5. большая подверженность негативным процессам и др.

В таких условиях наиважнейшую роль в поддержании функционирования урбоэкосистем приобретают городские почвы.

Рассматривая экологические функции, городские почвы можно рассматривать как особые биогеомембраны (Апарин, Сухачева, 2013). Под биогеомембраной понимается почвенный слой, обладающий свойствами и функциями мембраны. Биогеомембрана регулирует обмен веществом и энергией между всеми компонентами природной среды. Все биогеомембраны имеют пористое строение и твердо-жидко-газовое состояние. Как и любая мембрана, биогеомембрана характеризуется проницаемостью, структурной устойчивостью и относительной стабильностью параметров функционирования.

Потоки вещества, проходящие сквозь почву, формируются за счет поступления твердых, жидких и газообразных веществ из атмосферы и грунтовых вод, а также веществ, образующихся в результате метаболизма живых организмов и почвенных процессов (Апарин, Сухачева, 2013). Проходя через биогеомембрану, вещества полностью или частично теряют свои первоначальный состав и строение и могут трансформироваться в другие вещества, приобретая новые свойства. Такие изменения обусловлены различными процессами, в том числе комплексообразование, сорбцию, растворение, выпадение в осадок, избирательное поглощение корнями растений, обмен с почвенно-поглощающим комплексом. Способность к поглощению, трансформации, обмену, перераспределению новых веществ определяется строением, мощностью, составом почвы.

Одной из наиболее важных функций биогеомембраны урбоэкосистем является способность к адсорбции продуктов метаболизма мегаполиса, их преобразование, а также транспорт за пределы почвенного профиля (Апарин, Сухачева, 2013). Поглотительная способность зависит от удельной поверхности и структуры порового пространства почвы, в том числе гумусового горизонта, который вносит наибольший вклад в выполнение этой и других функций. Эффективность выполнения биогеомембраной очистки урбоэкосистемы от загрязнителей обусловлена рядом физических, химических, физико-химических и биологических свойств почвы. Это наличие в профиле геохимических и геофизических барьеров, характеристики почвенно-поглощающего комплекса, степень проточности почвенной влаги, глубина уровня грунтовых вод, фракционно-групповой состава гумуса, кислотно-основные свойства почвы, окислительно-восстановительные условия, биологическая активность.

Следующая функция биогеомембраны - санитарная (Апарин, Сухачева, 2013). Благодаря почвенному микробоценозу происходит минерализация поступающих в почву органических веществ растительного и животного происхождения, разрушение нефтепродуктов и других органических загрязнителей. Качество выполнения этой функции зависит от состава, разнообразия функциональных групп микроорганизмов, их соотношения и биологической активности. Также почва способна адсорбировать патогенные микроорганизмы, постоянно попадающие в нее в городской среде.

Почва участвует в регулировании относительной влажности воздуха, отвода избытка влаги с поверхности почвы в грунтовые воды, в формировании продуктивных влагозапасов. Эффективность выполнения данной функции связана с водно-физическими свойствами почвы.

Почва, находясь в постоянном газообмене с приземным слоем воздуха, регулирует состав атмосферного воздуха в городе. Эту функцию определяют биологическая активность почвы, разнообразие микрофлоры, водно- и воздушно-физические свойства почвы. На качество жизни населения оказывает влияние температурный режим. Летом в городе почвы выполняют важную функцию терморегуляции. Эффективность выполнения этой функции зависит от тепловых свойств почвы: теплоемкости, тепло- и температуропроводности. Важной компонентой городской экосистемы являются зеленые насаждения, которые обуславливают качество жизни людей, и влияют на другие компоненты урбоэкосистемы. Состояние растительности в городе и площадь, занятая под ней, определяется воспроизводством почвенного плодородия. Также почва является депо семян и семязачатков растений, что позволяет весной им возобновляться.

Среди всех функций почв в условиях города наиболее важными являются те, которые направлены на поддержание качества жизни населения.

В крупных городах происходит значительная трансформация экологических функций почв (табл. 1). Особенно сильно она проявляется в промышленных городах и в районах Севера (Почва, город, экология, 1997).

Таблица 1. Трансформация и деградация экологических функций городских почв (Почва, город, экология, 1997)

Природная почва	Городская почва
Почва - Вода
1. Перевод поверхностных сточных вод в грунтовые и их очищение. 2. 3ащитньй сорбционный барьер от загрязнения речных вод и водоемов. 3. Изменяет химический состав воды.	1. Минует почву по асфальту или по уплотненной поверхности почвы, попадая в речную сеть. 2. Вода сама загрязняется, проходя через почву, выходит иного состава (ТМ, токсические вещества). 3. При сильном загрязнении почва не служит барьером от загрязнения (заполнена сорбционная емкость). 4. Дополнительный приток воды из водопроводной сети (подтопление, заболачивание почвы).
Почва - Грунт
1. Защитный барьер от вертикального проникновения химического и биологического загрязнения. 2. Биогеохимическое преобразование грунтов, мусора и свалок.	1. Защитный барьер может отсутствовать (насыпные пески с малоплодородным маломощным слоем). 2. Геохимическая связь (почва -- грунт) может отсутствовать (почва на коммуникационной сети). 3. Миграция мозаичная или провальная. 4. Грунт -- источник химического загрязнения. 5. Почва на свалках аккумулирует ТМ и токсические вещества.
Почва - Воздух
1. Газопоглотительный барьер антропогенных газовых примесей, в т.ч. от автотранспорта, ТЭЦ, заводов. 2. Регулирование газового состава атмосферы и ее очищение (выделение, поглощение почвой газов).	1. Поглощение газовых примесей, в т.ч. от автотранспорта, заводов, ТЭЦ. 2. Увеличение почвой пылевых взвесей с ТМ. 3. Затрудненный газообмен при уплотнении почвы. 4. Парниковый эффект под асфальтом или под плотной коркой почвы. 5. Изменяется соотношение анаэробных и аэробных микроорганизмов. 6. Дополнительный приток газов из коммуникационных труб.
Почва - Биота
1. Среда обитания макро-, мезо- и микробиоты. 2. Основа биопродуктивности. 3. Санитарный барьер.	1. Обеднение среды обитания и ослабление биоразнообразия (состав, структура, функции) всех видов биоты. 2. Падение биопродуктквности. 3. Появление антроповидов. 4. Появление патогенных микроорганизмов. 5. Ослабление санитарных функций.

1.2 Классификационное положение городских почв

В настоящий момент существует несколько классификаций городских почв. Также почвы городских территорий рассматриваются в составе общих классификаций. В последнее время изучение антропогенно-преобразованных и созданных человеком почв интенсивно развивается, но до сих пор не существует общепринятой классификации городских почв, ни в России, ни за рубежом.

В «Классификации и диагностике почв СССР» (1977) городские почвы не рассматривались, поскольку она направлена на природные и сельскохозяйственные почвы.

В «Классификации и диагностике почв России» (2004) есть отдельная систематика техногенных поверхностных образований, где рассматриваются антропогенно-преобразованные почвы.. Антропогенные городские почвы относятся к техногенным поверхностным образованиям (ТПО), подгруппе урбиквазиземов группы квазиземов.

ТПО определяются как целеноправленно сконструированные почвоподобные тела и остаточные продукты хозяйственной деятельности, состоящие из природного и (или) специфического новообразованного субстрата.

Группы ТПО выделяются по потенциальной способности их материала к последующему хозяйственному использованию и возобновлению почвообразования при поселении растительности. Учитываются черты сходства ТПО с почвой, естественное или искусственное происхождение материала ТПО и его токсичность.

Подгруппы ТПО выделяются на основании вещественного состава слагающего их материала - минерального, органического, смешанного и пр. В ряде случаев, учитывается залегание материала ТПО - естественное, или в виде искусственной насыпи.

К группе квазиземов относятся гумусированные, внешне сходные с почвами образования, которые состоят из одного или нескольких слоев привнесенного гумусированного или минерально-органического плодородного материала, который подстилается негумусированным или менее гумусированным минеральным субстратом. Среди квазиземов объединяются в подгруппу урбиквазиземов те, которые имеют подстилающую гумусовый слой толщу, состоящую из смеси минерального материала (часто с примесью органического вещества) и специфических антропогенных включений в виде остатков строительных материалов, коммуникаций, дорожных покрытий и др.

Систематика и диагностика почв города Москва, предложенная М.Н. Строгановой с соавторами (Строганова, 1998; Прокофьева и др., 2011) основана на особенностях морфологического строения почвенного профиля, особенностях почвообразующих пород и насыпных грунтов.

Авторы назначают стандартную глубину исследования для описания профиля - 1 м и считают это допустимым и даже полезным в связи с тем, что почвы города, вследствие их синлитогенного образования, сложно отделимы от городских отложений, а назначая глубину исследования профиля, снимается вопрос: диагностировать ли последний цикл почвообразования или весь вскрытый профиль.

Разработанная система разделяет городские почвы на несколько типов в соответствии со следующими критериями:

1. единый по строению профиль:

1.1. набор диагностических горизонтов,

1.2. мощность горизонтов,

1.3. принадлежность к тому или иному циклу почвообразования;

2. единообразные процессы поступления и трансформации органического материала и минеральной составляющей;

3. единый набор почвообразовательных процессов;

4. единые параметры функционирования;

5. единые свойства.

Выделяются следующие основные типы городских почв (Строганова, 1998; Прокофьева и др., 2011):

Тип: Урбанозёмы. Почвенный профиль представлен одним или несколькими горизонтами урбик (U), лежащими на техногенных или естественных грунтах, а также на погребенных горизонтах природной инситной почвы. Горизонт урбик является типодиагностическим для урбаноземов и характеризуется следующими особенностями. Это гумусово-аккумулятивный горизонт, мощностью не менее 5 см, который формируется на дневной поверхности из постепенно накапливающегося и перерабатываемого в результате урбопедагонеза материала. Горизонт содержит не менее 10% твердых антропогенных включений (строительный, бытовой мусор и др.). Характерное свойство таких горизонтов общая гетерогенность, наличие генетически не связанных зон, возможно химическое загрязнение и засоление разной степени выраженности. Такие почвы формируются на селитебных территориях.

Тип: Культурозёмы. Это высокогумусные почвы с горизонтом AYur мощностью 40 см, который формируется на поверхности городской почвы в результате преобразования материнского субстрата различного генезиса (природный минеральный материал, городские твердые аэральные выпадения, артефакты, искусственные антропогенные материалы). Урбопедогенез здесь проявляется на уровне признака, горизонт содержит малые количества антропогенных включений (до 10 %). Данный горизонт может развиться в урбиковый при интенсификации накопления антропогенного материала. Характерная черта AYur высокая емкость катионного обмена (до 40 ммоль/100 г) и насыщенность основаниями (50 - 99%), что обусловлено значительным количеством слаборазложившихся растительных остатков, внесением удобрений а также поступлением карбонатов из строительного мусора. Под горизонтом AYur могут залегать горизонты природной почвы, техногенные грунты или естественные породы. Данный тип городских почв характерен для парков, бывших садов, старых огородов и ботанических садов. Горизонт AYur может заменяться агро-горизонтом (P, PU).

Тип: Рекреазёмы. Природно-антропогенные почвы с неоднократными подсыпками органоминеральных, торфяных (торфокомпосты, торфо-песчаные смеси) грунтов с благоприятными для растений физико-механическими и химическими свойствами. Формируются такие почвы на участках вдоль дорог, в садах и парках путем длительного окультуривания или рекультивации нарушенных почв. Данные почвы выделяются, когда на природных, техногенных грунтах или на нижней части профиля исходной природной почвы залегает горизонт или серия горизонтов RAT, которые представляют собой рекультивационные грунты, состоящие из растительных остатков разной степени разложенности и минерального материала. Рекультивационные горизонты обычно не содержат антропогенные включения.

Тип: Урбохемозёмы. Данный тип представлен почвами с необратимым химическим загрязнением различными поллютантами: тяжелыми металлами, углеводородами, радионуклидами и др., содержание которых превышает предельно допустимые концентрации в пятикратном размере (чрезвычайно опасная степень загрязнения). Полная диагностика таких почв возможно только после лабораторных исследований.

Тип: Реплантозёмы. Почвоподобные тела с нанесенным на оставшиеся после строительства породы маломощным (около 10 см) поверхностным горизонтом, состоящим из органоминерального, торфяного слоя или материала естественных гумусовых горизонтов. От рекреазёма отличается одномоментным созданием плодородного слоя.

Тип: Конструктозёмы. Эти почвы созданы в специальных целях (спортивные газоны, многослойные конструкции, созданные для перекрытия неблагоприятных для зеленых насаждений грунтов. Состоят из горизонта RAT и серии слоев техногенной (антропогенной) природы. Свойства таких почв обычно контролируются человеком, подобные почвенные конструкции могут включать в себя инженерные сооружения (оросительные, осушительные системы и др.).

Тип: Экраноземы. Также называются запечатанными. Почвы, которые находятся под асфальтово-бетонным покрытием или камнем.

В систематику почв г. Москвы входят некрозёмы, представляющие собой комплекс почв городских кладбищ. Свойства этих почв почти не изучены.

Почвы, где вышеупомянутые типодиагностические горизонты мощностью не более 50 см залегают на ненарушенной природной почве с сохраненной или частично нарушенной системой горизонтов, являются переходными типами между природно-антропогенными и природными почвами. Авторы систематики почв г. Москвы предлагают называть эти почвы, сохраняя типовое название природной почвы по «Классификации и диагностике почв России» (2004) с добавлением префикса «урбо» или «техно».

По мнению Б.Ф. Апарина и Е.Ю. Сухачевой (2013, 2014) большинство почв, претерпевших изменение в условиях урбанизированной территории, вписываются в «Классификацию и диагностику почв России» (2004). Это могут быть турбированные почвы, образовавшиеся при сведении древесной растительности или других работ; агро-почвы и агрозёмы, которые диагностируются на той территории города, где ранее были пашни или огороды; абрадированные почвы, абразёмы, которые образовались при срезании одного или более верхних горизонтов, а также, при очень глубоком срезании при строительстве, на поверхность могут выходить породы, которые уже не являются почвами. При погребении естественной почвы возникают различные стратифицированные почвы. Почвы, стратифицированный горизонт которых обладает мощностью более 40 см, входят в отдел стратозёмов.

Запечатанные асфальтовым покрытием или погребенные мощным слоем искусственного или природного материала почвенные тела практически не способны выполнять свои экологические функции, поэтому, с точки зрения авторов, такие почвы должны рассматриваться исключительно как погребенные.

В итоге остается только один тип строения городских почв, который не отражен в рамках «Классификации и диагностики почв России» (2004). Это сконструированная человеком почва, состоящая из естественного привнесенного гумусового или торфяного материала нанесенного на природную или искусственную минеральную (или органоминеральную) толщу. У таких почв выделяется педо-аллохтонный горизонт (в ранних работах авторами использовался термин «интродуцированный» (Апарин, Сухачева; 2013). Этот горизонт имеет мощность до 40 см, состоит из привнесенного и трансформированного человеком материала верхних горизонтов природных или антропогенно-преобразованных почв и имеет резкую границу с подстилающим минеральным горизонтом. Часто может содержать антропогенные включения.

Педо-аллохтонный горизонт может состоять из материала природных серогумусовых, темногумусовых и торфяных горизонтов. Соответственно и будут называться типы таких почв:

1. педо-аллохтонные серогумусовые (ALY-D);

2. педо-аллохтонные темногумусовые (ALU-D);

3. педо-аллохтонные торфяно-минеральные (ALTR-D);

4. педо-аллохтонные торфяные (ALT-D);

Если верхний привнесенный горизонт имеет мощность до 5 см, почвы будут называться либо педо-аллохтонными пелоземами (ALW-D=), либо педо-аллохтонными псаммоземами (ALW-D..) в зависимости от гранулометрического состава подстилающей толщи.

Все типы могут разделяться на подтипы по наличию в подстилающем горизонте признаков, которые свидетельствуют о механизмах образования почвенного профиля, а также о природных процессах. Выделены следующие специфические подтипы:

1. типичные - подстилающий минеральный горизонт не имеет признаков механического перемещения;

2. урбислоистые - с хорошо выраженной слоистостью, могут иметь большое количество антропогенных включений (обломков кирпичей, осколков стекла, гравий, бытовой мусор и проч.). Такие подтипы формируются на территориях, где велись неоднократные строительные работы;

3. урбинасыпные - подстилающий горизонт неоднороден по составу и сложению, может содержать артефакты. Такие почвы формируются на месте прокладки различных подземных коммуникаций;

4. урбислоисто-гумусовые - характеризуются хорошо выраженной слоистостью, часто с включением погребенных педо-аллохтонных гумусовых горизонтов. Чаще всего такие подтипы формируются в скверах и парках центральной части города;

5. водно-аккумулятивные - у которых подстилающая толща образована в результате намывания территории, однородна по составу и имеет тонкую слоистость.

Также разделение на подтипы может происходить по «природным» признакам, обозначенным в «Классификации и диагностике почв России» (2004).

1.3 Органическое вещество городских почв

Органическое вещество почв города состоит из остатков гумуса исходных естественных почв, привнесенное и вновь образованное органическое вещество. Доля последнего выше в более зрелых глубоко трансформированных почвах (Прокофьева, 2013). Источниками органического вещества городских почв могут выступать:

1. растительный опад;

2. экскременты животных и птиц;

3. органические удобрения (навоз, торфокомпостные смеси и др.);

4. мусор, в котором присутствуют остатки древесины, пищевые отходы и др.

5. продукты разложения углеводородных веществ техногенного происхождения;

6. аэральный привнос различных органических веществ: углистых частиц, сажи, углеводородов, резины, асфальта и др.

На накопление углерода в почвах город влияет неоднозначно (Водяницкий, 2015). Содержание органического углерода и его запасы могут повышаться или понижаться в сравнении с фоном. В городе София в Болгарии выявлены потери органического углерода в почвах (Doichinova и др., 2006). Повышенное содержание органического углерода в почвах городов диагностировалось гораздо чаще и отмечается в таких городах, как Москва (Герасимова и др., 2003, Савич и др. 2007), Штутгард и Росток, Германия (Lorenz и др., 2006), Балтимор, США (Pickett и др., 2008).

В разных городах и даже в пределах одного города процессы гумусообразования и гумусонакопления происходят по-разному. Это зависит от других свойств почв, например плотности. Многие почвы в городе подвержены переуплотнению, здесь отмечается недостаток доступной влаги, элементов питания и др. (Pickett и др., 2008). В результате процессы гумусообразования и гумусонакопления тормозятся, происходит дегумификация.

Плодородие почв существенно снижается за счет потерь гумусового слоя при скальпировании поверхности при строительстве, а также за счет погребения гумусового горизонта.

Также уменьшение содержания органического углерода происходит при уборке листьев с газонов (Pouyat и др., 2002) и при сильном химическом загрязнении.

На сильнозагрязненной территории ухудшается качество листового опада как источника доступного органического вещества. Скорость деструкции подстилки уменьшается, а запасы листового опада увеличиваются (McDonnell и др., 1997; Pouyat и др., 2002). В городских лесах уменьшаются популяции грибов и микроскопических артропод по сравнению с нативным лесом (Pouyat и др., 1994).

Исследования, проведенные в Свердловской области в городах Ревда и Красноуральск, где более 70 лет работают крупные медеплавильные заводы, показали, что влияние тяжелых металлов и серы привело к резкому сокращению численности дождевых червей (Воробейчик, 1998, 2003, 2010). Вокруг завода червей не осталось совсем, хотя в фоновых лесах их численность равна 550 шт./м2. Снизилась скорость разложения целлюлозы и возросла мощность опада. Ухудшилось биологическое состояние и в самом городе (Красноуральск).

Накопление органического вещества в городских почвах происходит по следующим причинам. Во-первых, содержание углерода органических соединений увеличивается за счет поступления органических поллютантов, которые попадают в почву в виде тонких аэральных частиц и в составе мусора (Водяницкий, 2015).

Большую долю их составляет элементарный углерод, попадающий в городскую почву в составе обуглероженных отходов, графита, сажи, частиц угля и др. (Schmidt и др., 2000; Schmidt и др., 2001).

При исследовании городской пыли (г. Вулвергемпон, Великобритания) и ее магнитной восприимчивости было установлено, что пыль содержит значительное количество органического вещества. Пыль на улице с большим автомобильным движением содержала 26% органического углерода, в спальном районе - 14% (Schilton и др., 2005).

В Штутгарте (Германия) изучали содержание углерода в почвах городских садов и на участках сильного загрязнения. В почвах городских садов содержание органического углерода варьировало от 2,8% до 5,4%, в среднем 3,4%, тогда как на загрязненных участках оно составляло 1,1 - 11,3%, в среднем 7,9% (Lorenz K и др., 2006).

Влияние техногенного углерода заметно в почвах Москвы (Васенев и др., 2013). Для большинства районов города величина содержания органического углерода наиболее высока в почвах промышленных зон (2,8 ± 0,8%), и наименьшее значение отмечается в почвах рекреационных зон (1,9 ± 0,6%).

Напротив, в европейских городах в верхних горизонтах почв содержание органического углерода убывает в ряду: лесопарковые и парковые территории - территории с частной застройкой - городские селитебные территории - индустриальные территории.

В некоторых городах угольная пыль представляет серьезную проблему (Schmidt и др., 1996). В Европе, где долгие годы добывали уголь для целей энергетики, в почву попадала не только угольная зола, но и угольная пыль. В городе Галь и его окрестностях, Восточная Германия, почвы, загрязненные угольной пылью, значительно обогащены техногенным органическим углеродом. В фоновой почве содержалось 2,1 - 2,3% углерода органических соединений, в загрязненной это значение выросло до 13,0 - 14,1%.

На процессы гумусообразования и гумусонакопления влияет также состояние городской атмосферы. Например, в городах пустынь возникает «эффект оазиса» (Водяницкий, 2015), когда температура днем ниже, а ночью выше, чем в окружающей пустыне (Brazel и др., 2000). Это способствует росту растительности в городе, что непосредственно сказывается на увеличении запасов органического вещества.

Вегетацию в городах, а, следовательно, изменение интенсивности процессов гумусообразования и гумусонакопления увеличивает и повышенное содержание CO2.

Повышение плодородия почв в парках и скверах ведет, как правило, к увеличению запасов углерода (De Kimpe и др., 2000). В городские почвы вносят пестициды, минеральные удобрения, компосты и торфосмеси. Часто зола торфяного топлива, которую вносят в почвы в качестве удобрения, неблагоприятно влияет на плодородие почвы, поскольку в этой золе высокое содержание извести. Грунты с торфяной золой имеют густой черный цвет и маслянистую консистенцию - по морфологическим характеристикам похожи на плодородный грунт, но имеют рН более 8, что крайне вредно для растений (Доклад об экологической ситуации…, 2013).

Состав гумуса и характер его распределения в городских почвах изменяется относительно фоновых почв за счет изменения свойств почв, происходящих при озеленении не характерными для данной местности растениями.

Например, в черноземах парков г. Ростов-на-Дону отмечено изменение типа распределения гумуса и состава гумуса по профилю. Гумусовый профиль приобретает черты лесного: отмечается резкое по сравнению с верхними горизонтами уменьшение содержания гумуса с глубиной (Безуглова и др., 2000; Горбов, Безуглова, 2014), что не свойственно почвам степи. Такое распределение гумуса характерно для ближайшего северного “соседа” чернозема - темно-серой почвы.

Изменения в распределении гумуса по профилю вызываются тем, что опад древесной растительности, в отличие от корневого опада степной растительности, поступает на поверхность почвы. Распределение гумуса перестает быть постепенно-убывающим. Также меняется водный режим: затемнение поверхности почвы в жаркое время позволяет влаге накапливаться в больших количествах. А вектор распределения воды становится нисходящим. Это сказывается на карбонатах, которые вымываются в срединные горизонты. В парках центральной части города листовой опад сгребают и выбрасывают, поэтому там распределение гумуса остается типичным для зональных почв.

Фракционно-групповой состав этих почв приобретает следующие особенности:

1. Возрастает доля фульвокислот и снижается количество гуминовых кислот.

2. Снижается доля гуматов, связанных с кальцием.

Это определяет гуматно-фульватный тип гумуса, который не характерен для почв степной зоны.

В погребенных и тем более в запечатанных почвах по данным Горбова и Безугловой (Горбов, Безуглова; 2014) содержание углерода уменьшается за счет нарушения связи почва-растение и круговорота веществ. Снижается количество подвижных фракций ГК1 и ФК1 и доля негидрализуемого остатка.

Исследования элементного состава органического вещества, содержания функциональных групп и оптических плотностей почв г. Ростов-на-Дону (Горбов, Безуглова, 2013) подтверждает снижение конденсированности ядра гумусовых кислот и возрастание алифатической части. Такие особенности органическое вещество приобретает при влиянии не характерного (по составу) растительного опада и миграции гумусовых веществ вниз по профилю.

Групповой состав гумуса городских почв был изучен в парках и прилежащих территориях г. Москвы (Прокофьева и др., 2013). Несмотря на повышенное значение pH, вызванное карбонатами, здесь не обнаружено возрастание содержания фракции гуминовых кислот и в том числе фракции ГК, связанных с кальцием. Для почв характерно преобладание фульвокислот. Отношение Сгк/Сфк уменьшается вниз по профилю.

Исследование оптической плотности почв показало, что высокими коэффициентами экстинции обладают те почвы, которые активно окультуриваются (или окультуривались в прошлом), где происходило сжигание растительности, внесение минеральных или органических удобрений и рекультивационных грунтов, увеличение содержания карбонатов при известковании или поступлении карбонатного материала со строительным мусором, а также происходило загрязнение бытовым мусором и экскрементами животных.

Таким образом, в различных условиях город может влиять на органическое вещество почв почвы неоднозначно. Содержание органического вещества в почвах городов может возрастать или сокращаться по сравнению с фоном. В городах происходят процессы накопления почвами городов органического углерода. Структура и состав гуминовых кислот антропогенно-преобразованных почв характеризуются особенностями, обусловленными типом антропогенной нагрузки.

2. Условия почвообразования

2.1 Рельеф и геологическое строение Санкт-Петербурга

Рельеф. Санкт-Петербург расположен в Приневской низменности, которая относится к Восточно-Балтийской области низменных плоских озерно-ледниковых равнин. Между Финским заливом и Ладожским озером располагается плоская низина с отметками от 5 до 30 м над уровнем моря. С юга она граничит с глинтом (склон Ордовикского плато), на севере - с уступами Рантоловского плато Токсовской камовой возвышенности.

На рельеф территории Приневской низменности повлияли крупные водные бассейны (Балтийское ледниковое озеро, Иольдиевое море, Анциловое озеро, Литориновое море), которые сменяли друг друга при поднятии или опускании суши за относительно короткий отрезок времени. Это получило отражение в ступенчатости территории. Приневская низменность имеет два основных абразивно-аккумулятивных уровня - две террасы, которые сформировались в ходе трансгрессивных и регрессивных процессов. Первая терраса, образованная Балтийским ледниковым озером и занимающая практически весь водораздел между Ладожским озером и Финским заливом, имеет высоты 12 - 25 м. Вторая - более низкая, образована в результате затопления Литориновым морем. Она занимает узкую полосу вдоль Финского залива, расширяясь там, где ранее были моря и заливы.

С начала строительства города и по сей день поверхность города повышается за счет антропогенного фактора, идет подсыпание грунта. Сильно изменилась линия берега Финского залива в результате намыва территории.

В целом, территория Санкт-Петербурга является слаборасчлененной плоской низкой равниной с небольшим уклоном.

Геологическое строение. Территория Санкт-Петербурга расположена в зоне сочленения двух крупных тектонических структур: Балтийского кристаллического щита и Русской платформы (Природа Ленинградской области..., 1983). Щит состоит, в основном, из метаморфизованных пород гранито-гнейсового состава, обладает сложным боковым строением. На территории города глубина залегания Балтийского кристаллического щита составляет 175 - 250 м, а к северу от города выходит на поверхность.

Выше Балтийского кристаллического щита расположены древние осадочные породы Русской платформы. Основание осадочного чехла представлено глинистыми породами с песчаниками и гравелитами, образовавшиеся в позднем протерозое: рифей и венд. Над ними залегают нижнекембрийские «синие» глины. Еще выше располагаются ордовикские толщи, представленные песчаниками, сланцами и известняками. В районе Красного села над толщей ордовика располагаются девонские красноцветные породы: доломиты, мергели, глины и песчаники.

Верхние четвертичные породы представлены отложениями, происхождение которых связано с ледниковыми, межледниковыми и послеледниковыми периодами. Мощность этой толщи не превышает 30 м. Эти породы самые молодые и выступают в роли почвообразующих. Это моренные отложения различного гранулометрического состава, водно-ледниковые, представляющие собой грубый не сортированный гравелистый материал, озерно-ледниковые суглинки и супеси, ленточные глины, озерные и морские пески, а также торфяные отложения.

В Санкт-Петербурге значительные площади занимают антропогенные и техногенные наносы. Почвы в городе, особенно в его центральной части, формируются на культурном слое, который представляет собой исторически сложившуюся систему слоев, формирующуюся путем накопления различного материала, в результате хозяйственной деятельности человека, путем преобразования почвенной толщи при строительстве, озеленении, благоустройстве. Как правило, в состав культурного слоя входит битый кирпич, камень, известняковая щебенка и другой строительный мусор. Почвообразование в городе может происходить как на искусственном - культурном слое, так и на измененных естественных породах.

2.2 Климатические условия

Территория Санкт-Петербурга характеризуется умеренно-континентальным климатом с чертами морского. Влияние Финского залива смягчает сезонное колебание температур. Характерной особенностью местного климата является умеренно теплое лето, сравнительно теплая и продолжительная осень, неустойчивая, но холодная зима и прохладная растянутая весна.

Среднегодовая температура воздуха до +4,2°C. Средние температуры января и июля соответственно составляют -8,2°C и +16,6°C. Сумма активных температур воздуха (температуры выше 10°C) находится в пределах от 1600°C до 1800°C, длительность вегетационного периода с температурами выше 10°C составляет 170 дней.

Среднегодовая сумма осадков в Санкт-Петербурге в среднем 600 мм, и колеблется в интервале 565 - 635 мм. Большая часть осадков выпадает в период с апреля по октябрь, а минимальное количество выпадает в марте. Величина испаряемости составляет 400 мм. Превышение осадков над испаряемостью (коэффициент увлажнения - более 1,1) обусловливает промывной или застойный тип водного режима в почвах. Устойчивый снежный покров держится, как правило, с декабря по апрель. Мощность его не превышает 30 см. Так как сильные морозы непродолжительны и не часты, почва промерзает на относительно небольшую глубину.

Город вносит изменения в климатические особенности территории, косвенно влияя на процессы почвообразования. Задымленная, запыленная атмосфера, каменные здания и асфальтовые покрытия, сильно нагревающиеся под солнечными лучами, отопление зданий в зимний период - все это ведет к росту температур в городе, по сравнению с окрестностями. Летом в центре Санкт-Петербурга температура днём бывает выше на 2 ? 3°C, чем в пригородах, а относительная влажность на 15?20 % ниже (Атлас «Ленинград»…, 1981).

Повышение конвективности воздуха города и его запыленность увеличивают общее количество осадков, ливней, а также гроз (Почва, город, экология, 1997). Претерпевает изменение снежный покров. Снег может убираться, насыпаться больше естественной высоты в результате деятельности человека или ветрами. Там, где снежный покров уничтожается, могут возникать условия аридной пустыни, на территориях с избыточным снежным покровом и, в особенности, на затененных участках в почвах создается больший влагозапас, промачивание почвенной толщи и интенсификация элювиальных процессов или создается застойный водный режим с характерными для него почвенными процессами.

2.3 Растительный покров

Санкт-Петербург расположен в подзоне южной тайги, для которой характерно господство хвойных лесов с травяно-кустарничковым покровом. До заселения человеком Приневская низменность и побережье Финского залива были покрыты еловыми и сосновыми (часто заболоченными) лесами и болотами. В ходе развития города естественная растительность была сведена на площади свыше 80 тыс. га и частично заменена искусственными насаждениями. К 2003 году около 28 тыс. га (20% площади Санкт-Петербурга) занимают хвойные леса, основные площади которых расположены в северной части города. Среди лесов преобладают сосняки (около 12 тыс. га) - брусничные, черничные и сфагновые.

Коренные леса сохранились в Курортном и Приморском районах (около 3,5 тыс. га). Это ельники черничные, кисличные и чернично-сфагновые. Около 11 тыс. га занимают вторичные березняки, выросшие после рубок и пожаров хвойных лесов, на заброшенных сельскохозяйственных землях и намытых территориях. До 2 тыс. га покрыто лесами, в которых господствуют осина (Pоpulus trеmula), серая ольха (Alnus incana), ива козья (Salix caprea). Болота на территории Санкт-Петербурга, в основном, представляют верховые и переходные и занимают около 3% территории Санкт-Петербурга. Наиболее крупное ненарушенное болото - Сестрорецкое верховое, кустарничково-сфагновое и осоково-сфагновое, в основном безлесное. Также присутствуют крупные массивы низинных болот в районе Лахтинского разлива, представляющие собой кочкарно-осоковое болото с преобладанием осок (Carex spp.), с вейником незамечаемым (Calamagrostis neglecta), хвощем (Equisetum sp.), лабазником вязолистным (Filipendula ulmaria.), отдельными кустами ив (Salix sp.), берёзой (Betula sp.) и чёрной ольхой (Alnus glutinosa). Другие крупные торфяники (Шуваловский, Обуховский, Сосновский) в разное время подвергались осушению и торфоразработкам, поросли лесом, частично использованы под сельскохозяйственные земли; болотная растительность сохранилась фрагментарно. Заросли тростника (Phragmites australis), камыша (Scirpus sp.) и осоки (Carex sp.) вдоль берегов Финского залива также относятся к естественной растительности.

Свыше 15 тыс. га занимают искусственные зеленые насаждения; парки, скверы, сады, бульвары и др. Высаживаются местные и интродуцированные древесные породы: береза (Betula sp.), липа сердцевидная (Tilia cordata), дуб черешчатый (Quercus robur), ясень обыкновенный (Fraxinus excelsior), вяз (Ulmus sp.), лиственница (Larix sp.), ель колючая (Picea pungens), пихта (Бbies sp.), конский каштан обыкновенный (Aesculus hippocastanum), клён (Acer sp.). Высаживаются кустарники: кизил (Cornus sp.), боярышник (Crataegus sp.), снежноягодник белый (Symphoricarpos albus), сирень (Syringa vulgaris, S. josikaea) и др

В районах жилой застройки 1950-1970-ых преобладают насаждения быстрорастущих видов тополя (Populus sp.). Многочисленные пустыри, свалки, железнодорожные насыпи покрыты кустарниками и травянистыми сообществами с преобладанием сорных и заносных видов: полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale) и др. (Горышина, 2003).

2.4 Антропогенный фактор

На территории города ведущим фактором почвообразования становится антропогенный фактор, который влияет как прямо, так и косвенно, путем изменения других факторов почвообразования: климата, рельефа, растительности, что было описано выше.

Прямое воздействие человека на почвы заключается в нарушении их строения при строительных работах, перемешивании горизонтов почвы при сельскохозяйственной обработке, изменении состава и свойств почв при окультуривании, изменении водного режима при мелиорации земель (Апарин, Сухачева, 2013).

В пределах города значительна площадь бывших сельскохозяйственных угодий, есть и действующие. Здесь формируются агрогенно-преобразованные почвы: агродерново-подзолы, агросерогумусовые, агродерново-подзолистые, а также сильно окультуренные агроземы (текстурно-дифференцированные, альфегумусовые, структурно-метаморфические).

Одним из наиболее существенных видов антропогенного преобразования почв территории Санкт-Петербурга является осушение болот, которое стало проводиться еще до основания города.

При проведении строительных работ горизонты почв могут срезаться, перемешиваться, погребаться и запечатываться асфальтом или булыжником, уплотняться. В почвах Санкт-Петербурга изменены многие свойства почв: кислотность, содержание углерода органических соединений, структура, плотность почвы и др.

3. Объекты и методы исследования

3.1 Объекты исследования

Объектами исследования являются верхние гумусовые горизонты почв Санкт-Петербурга. Исследованные почвы расположены в различных функциональных зонах города - рекреационной, селитебной, вдоль автомагистралей. Местоположение объектов исследования представлено на рис. 1.

Рисунок 1. Местоположение заложения точек исследования (синим цветом обозначены точки, заложенные осенью 2015 года, красным - точки, заложенные осенью 2014 года)

Исследованы почвы Выборгского, Василеостровского, Петроградского, Невского, Кировского и Красносельского районов. Всего было заложено 82 почвенных разреза.

На изученной территории преобладают почвы, сконструированные человеком. На природные, техногенные или культурные слои был нанесен гумусовый или органогенный слой, что привело к созданию антропогенных почв. Чаще всего встречались почвы, где и гумусовые (или органогенные) и подстилающие горизонты были привнесены человеком.

Согласно систематике техногенных поверхностных образований (Классификация и диагностика…, 2014) большинство изученных почв (66 разрезов) относятся к подгруппе урбиквазизёмов группы квазиземов и относятся к техногенно-поверхностным образованиям (ТПО). Согласно «Классификации и диагностике почв России» (2004) 10 почв классифицируются как почвы синлитогенного ствола почвообразования, относятся к отделу стратоземов, к подтипам стратоземы серогумусовые урбо-стратифицированные (9 разрезов) и стратоземы темногумусовые урбо-стратифицированные (1 разрез). Две почвы не нашли свое место в «Классификации и диагностике почв России» (2004) и систематике техногенных поверхностных образований. Оставшиеся 4 почвенных профиля представлены антропогенно-преобразованными почвами двух отделов постлитогенного ствола почвообразования. Это отдел текстурно-дифференцированных почв, сюда входят две почвы: дерново-подзолистая глееватая стратифицированная и дерново-подзолистая урбо-стратифицированная (тип дерново-подзолистые). И отдел органо-аккумулятивных почв, представленный типом серогумусовых почв: серогумусовой типичной почвой и серогумусовой окислено-глеевой почвой. Малоизмененные природные почвы приурочены к парковым территориям (Парк им. И.В.Бабушкина, заброшенный сад (пр. Стачек, во дворе д. 216), парк Есенина, парк Куракина дача).

По классификации почв г. Москва (Строгонова, 1988) значительная часть почв (37 разрезов) представляют тип реплантоземов с маломощным гумусовым горизонтом, созданным однократной подсыпкой органо-минерального или торфяного материала. 25 почв относятся к типу рекреаземов, которые отличаются от реплантоземов многократными (2 и более) подсыпками органо-минерального или торфяного материала. Эти два типа встречаются повсеместно, во всех функциональных зонах. Также на изученной территории встречаются культуроземы (10 разрезов) с мощным (от 40 см) гумусовым горизонтом. Данные почвы соответствуют отделу стратоземов в «Классификации и диагностике почв России» (2004). В основном, культуроземы формируются в парках, скверах, бульварах а также во дворах старых (более 30 лет) жилых домов Санкт-Петербурга.

...