Городские почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ 1. УРБАНИЗАЦИЯ И УРБОЭКОСИСТЕМЫ

Урбанизация является одной из важнейших черт современности. Под этим термином понимается рост и развитие городов, увеличение веса и роли городского населения. Сегодня примерно на 1% площади земного шара около половины населения планеты проживает в городских агломерациях, а в промышленно-развитых странах - более 75%.

Данный глобальный процесс изменил ландшафты Земли сильнее, чем другие виды деятельности человека за всю его историю.

По образному выражению Одума : «Города- это ржавчина на теле нашей планеты». Рост численности городского населения на Земле за последние полвека и в перспективе на 25 лет выглядит следующим образом:

Годы 1950 1995 2005 2025

% г.н. 29 43 более 50 60

Предполагается, что в будущем изменится соотношение сельского и городского населения в странах с разным уровнем экономического развития. Если 20 лет назад более 50% городского населения Земли проживало в развитых странах, то к 2025 году 75% его будет жить в городах развивающихся стран.

Наиболее урбанизированными регионами являются Австралия, Новая Зеландия, Северная и Западная Европа, где в городах проживает более 80% населения.

Современная урбанизация сопровождается, во-первых, значительным отчуждением земель для нужд населения. И , во-вторых, возрастающее количество городов приводит к интенсивному воздействию человека на окружающую среду как самого мегаполиса, так и обширных пространств вокруг него. Установлено, что площадь такого воздействия превышает территорию города в 20-50 раз.

УРБОЭКОСИСТЕМЫ

В условиях увеличивающегося антропогенного «прессинга» на природные экосистемы в них нарушаются сложившееся соотношения между компонентами, изменяются сами компоненты, что ведет к общей трансформации самих природных экосистем.

Изменения происходят с огромной скоростью, трансформация одних компонентов накладывается на изменение других, создавая сложную, неоднозначную картину.

В городах при взаимодействии естественных природных экосистем и городской структуры происходит пространственное расчленение природных систем, изменения в условиях и режимах ее функционирования. Следствием этого является дискретность распространения, минимизация площадей, занятых одной непрерывной в пространстве природной системой.

В настоящее время в научной литературе еще не утвердилось окончательно понятие экосистем, функционирующих в городских условиях.

КОЖЕВИНА называет их «природно-техническими системами» или «техно-биолитосистемами». КАСИМОВ, ПЕРЕЛЬМАН вводят термин «городские элементарные ландшафты».СТРОГАНОВА использует понятие «урбоэкосистема», понимая ее как природно-городскую систему, состоящую из фрагментов природных ЭС, окруженных домами, промзонами, автодорогами и т.д. УЭС характеризуется созданием новых типов искусственно созданных систем в результате деградации, уничтожения или замещения природных экосистем.

Как отмечают ряд ученых (Тихомиров, Осипов), устойчивость таких «осколков» природных ЭС резко снижается. Сама же городская территория представляет модель крайне неустойчивой, уязвимой системы, утратившей способность к самовосстановлению и неспособной противостоять негативным экологическим факторам среды, включая антропогенное воздействие.

СИМКИН предлагает оценивать степень нарушения природных экосистем в городах по градациям «слабо»-, «средне»- и»сильно» нарушенных. Он выделяет 4 стадии преобразования природной среды в городах:

1. Дестабилизация - появляются сбои в функционировании ЭС, проявляющиеся в биоморфных «нашествиях» и «миграциях».

2.Модификация -возможное сохранение и существование ЭС в сбалансированном виде.

3.Трансформация - появление отчетливых признаков нарушения целостности структуры ЭС ( исчезновение старых форм и появление новых).

4. Деструкция - распад связей в блоках ЭС.

Интенсивная и многофункциональная деятельность человека в пределах крупных городов приводит к изменению компонентов природной среды, т.е. факторов почвообразования. Претерпевают изменения рельеф и гидрографическая сеть, естественная растительность уничтожается, заменяется искусственными сообществами, становятся азональными ряд климатических характеристик и т.д. Антропогенное воздействие становится преобладающим над естественными природными факторами почвообразования. Поэтому сегодня актуальна идея В.А.Ковды о том, «что человек не отменяет законы почвообразования, но искусственными средствами воздействия он настолько изменяет форму их проявления, направленность и темпы почвенных процессов, что почва принимает новое состояние.

ИСТОРИЯ ВОПРОСА

Изучение почв городских территорий достаточно молодое направление в нашей науке. Однако основатель почвоведения В.В.Докучаев еще более 100 лет назад обратил внимание на необходимость комплексного исследования территории С.-Петербурга. В 1890 году он выступил за «детальное естественно-историческое, физико-географическое и сельскохозяйственное исследование С-Петербурга и его окрестностей. Это была комплексная, экологически всесторонняя программа исследований. Работы были начаты, но из-за недостаточного финансирования остановлены.

Затем основные исследования почвоведов были направлены на изучение природных почв и почв, используемых в сельском хозяйстве. Почвы же городских территорий просто игнорировались.

Но в последние два десятилетия наблюдается интенсивная разработка основ учения о городских экосистемах и роли в них почв, что обусловлено большим вниманием человечества к вопросам экологического состояния природной среды и ее охраны. В этом направлении работают специалисты многих направлений наук: биологи, геологи и т.д. Уже опубликованы многочисленные монографии по экологическим вопросам городской среды как зарубежных ученых (Винке, Кроула), так и отечественных (Кавтарадзе, Осипова, Касимова, Строгановой, Прокофьевой, Безугловой, Приваленко и других).

Х х х

20 лет назад Н.С.Касимов выделил три основные концепции изучения экологических вопросов на урбанизированных территориях (по Н.С.Касимову)

1). Эмиссионная - анализ воздушной среды и выбросов в атмосферу -как главного фактора создания экологической ситуации в городе, на которой основаны работы существующих гидрометеорологических и экологических служб наблюдения и контроля.

2). Концепция водооборота города как фактора его функционирования и влияния на окружающую среду с оценкой ресурсов и качества питьевых и хозяйственных вод, а также полноты очистки и сброса сточных вод. В этом направлении проводятся токсикологические, санитарно-гигиенические и гидрогеохимические исследования.

3). Эколого-геохимическая концепция, развивающаяся на основе теории геохимии окружающей среды, основанная на анализе депонирующих сред- снега, почв, растений, вод и т.д. и базирующаяся на оценке эмиссии загрязняющих веществ, то есть их распределения и миграция в перечисленных компонентах .

4).Сегодня можно добавить и новые вопросы - это диагностика и эволюция компонентов природной среды, в частности, почвы в городских условиях.

СИСТЕМАТИКА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

На природном и агротехногенном фоне города выделяются как центры «концентрации» населения и загрязняющих веществ , поступающих с транспортными потоками, перерабатывающей промышленностью и коммунальной деятельностью в окружающую среду. Отходы хозяйственной деятельности человека формируют в городах техногенные аномалии в различных средах, загрязняя их и изменяя функциональные способности.

КАСИМОВ и ПЕРЕЛЬМАН, используя эколого-геохимические подходы, выделяют два уровня геохимической систематики урбанизированных территорий.

Первый. -систематика городов как целостных природно-техногенных систем и второй - систематика собственно городских ландшафтов.

ГЕОХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМАТИКА ГОРОДОВ

Выделяют 8 основных единиц: отряд, разряд, подразряд, группа, тип, семейство, класс и род.

1.Отряд. В основе его выделения лежит техногенная миграция, искусственный рельеф, концентрация населения. Далее этот таксон разделяется на таксономические единицы по техногенным и природным особенностям миграции и концентрации химических элементов.

2.Разряд. Оценивается по степени техногенного воздействия на население и городскую среду. Установлено, что между размером города и содержанием вредных веществ в атмосфере существует довольно четкая зависимость. Это и позволяет использовать число жителей в качестве одного из критериев классификации. Существуют крупные города с относительно небольшим количеством выбросов и малые - с большим объемом выбросов. Поэтому используются два показателя:

1.Коэффициент эмиссионной нагрузки

Е=Р/N, где

Р- количество выбросов, тыс.т/год,

N -число жителей, тыс.чел.,

Е- количество выбросов на 1 жителя/год, т. чел/год

2.Z- уровень загрязнения (оценивается в баллах.

Между этими двумя показателями нет прямой зависимости, поэтому используются оба.

3.Подразряд. Оценивается по структуре загрязнения. Известны макрополлюанты (оксиды и диоксиды азота, серы, углерода, пыль), на долю которых приходится до 95% от объема выбросов и микрополлюанты, объемы выбросов которых малы, но вылики уровни концентрации в выбросах и токсичность ( тяжелые металлы, хлорорганические соединения, углеводороды).

В связи со структурой загрязнения выделяют «серные» города : Тбилиси, Тегеран; «азотные» : Москва, Одесса, Донецк; «углеродные» : Париж, Ереван и другие.

4-5.Группы и типы городов. Выделяются по группам и типам природных ландшафтов, в которых сформировался антропогенных городской ландшафт. Так города в тундре, тайге и пустыне существенно различаются между собой. С этой позиции в лесной группе выделяются города влажных тропиков и тайги, в пустынной зоне - города тропических и бореальных пустынь. С зональных позиций геохимические особенности ландшафтов городов еще не анализировались вследствие отсутствие данных.

6.Семейство городов. Определяется 1).особенностями воздушной миграции продуктов техногенеза, 2) положением города в бассейне атмосферного переноса, 3) региональными особенностями загрязнения и самоочищения атмосферы.

В качестве примера можно привести города с минимальным загрязнением по этим показателям: Москва как равнинный город, С-Петербург - как приморский. Максимальному загрязнению подвержены горно-котловинные и горно-долинные города , например, Тбилиси.

Однако критерии выделения требуют уточнения.

7.Классы городов. Выделяются по водной миграции продуктов техногенеза. По существу это классы наиболее типичных природных почвенно-геохимических катен, различающиеся не только по условиям водной миграции поллюантов, но и по уровням загрязнения- кислые, нейтральные, глеевые, кальциевые и другие.

8. Роды городов. Выделяются по геохимической специализации литогенного субстрата (по уровню содержания токсичных элементов в почвообразующих породах и почвах). Выделяют фоновые ландшафты, субаномальные и природно-аномальные

Возможные и другие подходы к систематике городских ландшафтов. Предложенные принципы учитывают главные факторы - интенсивность и характер техногенной нагрузки, а также природную геохимическую обстановку.

ГЕОХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМАТИКА ГОРОДСКИХ ЛАНДШАФТОВ

Разработана И.С.Касимовым и А.И.Перельманом в 1995 году. Она является наиболее приемлемой с точки зрения почвоведов, так как удовлетворяет двум требованиям:

1).Имеет близкие основания с классификацией городов,

2).Связана с существующими классификациями природных ландшафтов.

Необходимость такой общей систематики для природных и техногенных ландшафтов не вызывает сомнения. А весь спектр существующих на Земле почв природных комплексов можно рассматривать как единую шкалу от практически неизмененных природных ландшафтов до полностью техногенно- трансформированных.

Сформированные ландшафтно-функциональные комплексы на городских территориях представляю собой модификацию природных ландшафтов. Поэтому геохимическая классификация городских ландшафтов должна быть основана на двух взаимосвязанных факторах - техногенном и природном. Такой подход требует на разных уровнях классификации антропогенных ландшафтов использования разных оснований и критериев выделения таксонов. На верхних уровнях в качестве основания используется антропогенные (социально-производственные) факторы, а на нижних - природно-обусловленные.

Для природной составляющей ГЭЛ авторы использовали принципы выделения, предложенные Б.Б.Полыновым для естественных ландшафтов с некоторой модификацией.

В качестве «техногенного» основания классификации использовались сочетания типов техногенного воздействия и преобладающего вида техногенной геохимической трансформации природных ландшафтов.

Результатом промышленного, транспортного и муниципального (бытового) воздействия на среду города является формирование техногенных геохимических аномалий. Контрастность и пространственное положение таких аномалий зависит от 1) функциональной структуры города, определяющей характер и уровень техногенного воздействия на среду, 2) ландшафтно-геохимических условий, дифференцирующих это воздействие.

1.ПОРЯДОК. Ведущее значение имеет техногенная миграция, во многом приуроченная к той или иной функциональной зоне, и уровень техногенного загрязнения, а также характер трансформации и деградации биологического круговорота. Выделяются пять основных порядков:

1.парково-рекреационный;

2.агротехногенный;

3.селитебный;

4.селитебно-транспортный;

5.промышленный.

Коэффициент контрастности поступления загрязняющих веществ из атмосферы по сравнению с фоном колеблется от <10 в парково-рекреационной зоне до >30 - в промышленной. Это соответственно ландшафты со слабой, умеренной, сильной и практически полной деградацией биологического круговорота. Однако количественные критерии оценки степени деградации разработаны слабо.

2.Отдел. Выделяются в пределах порядков по особенностям воздушного привноса-выноса поллюантов и геохимической специализации выбросов отходов и стоков.

Первые 3 порядка представляют арену преимущественного привноса загрязняющих веществ, а 4 и 5 - являются источниками эмиссии.

Меньшую атмотехногенную нагрузку испытывают парково-рекреационные ландшафты, в них еще велика роль биогенной миграции.

Городские ландшафты, используемые для производства сельскохозяйственной продукции (сады, огороды и т.д.), находятся под двойным прессом загрязняющих веществ ( атмотехногенным и агрогенным - применение удобрений, ядохимикатов).

В селитебных ландшафтах жилые здания, промышленные предприятия служат механическим барьером на пути воздушных потоков и способствуют формированию техногенных аномалий, контрастность которых зависит от высоты и расположения зданий. Кроме того с этажностью зданий связана плотность населения, количество и способы утилизации отходов и т.д.

Порядок селитебно-транспортных ландшафтов делится на отделы по категории магистралей, интенсивности движения, а , следовательно, и загрязнения (переулки, автострады, вокзалы и т.д.).

3. Для выделения разделов (семейств) ГЛ интегральным критерием служат уровни загрязнения отдельных компонентов и степень их опасности для живых организмов. Саэтом и Ревичем (1987) предложены показатели четырех градаций пыли и суммарных показателей загрязнения снега, почв и растений. В результате выделены 16 разделов городских ландшафтов, охватывающие основные комбинации между функциональными зонами и степенью загрязнения.

4.Группа и тип ГЛ выделяются с учетом особенностей биологического круговорота веществ, связанных, очевидно, с зональными особенностями.

5.На уровне классов учитывается водная миграция. Классы выделяются по сочетанию окислительно-восстановительных, щелочно-кислотных условий и видов геохимических барьеров в профиле почв и между сопряженными ландшафтами с сохранением традиционных названий (кислый, глеевый, содовый и т.д.).

6.Роды ГЛ связаны с особенностями водной и воздушной миграции соединений в условиях рельефа. В городах интенсивное атмотехногенное поступление веществ нивелирует влияние рельефа на перераспределение поллюантов. Поэтому представления об автономности и подчиненности ГЛ требует существенной модификации по сравнению с природными аналогами. Выделяется 10-15 родов (трансэлювиальный наветренный, трансэлювиальный подветренный и т.д.).

7. Виды ГЛ связаны с геохимической специализацией литогенного субстрата : определяется гранулометрическим составов почв и грунтов.

УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ ГОРОДОВ

Еще В. В. Докучаев установил, что формирование почвенного покрова самым тесным образом связано с физико-географической средой и историей её развития.

Сегодня интенсивная и разносторонняя деятельность человека в крупных городах приводит к существенным изменениям природных компонентов, обеспечивая таким образом изменение и факторов почвообразования. Антропогенный фактор становится весьма существенным, а в ряде случаев и определяющим развитие почвенного покрова.

КЛИМАТ

В крупных городах в значительной мере изменены естественные погодно-климатические условия, в них создается своеобразный микроклимат. В атмосфере городов создаются «острова тепла и пыли», оказывающие существенное влияние на показатели климата. Показано, что климат городов по сравнению с окрестностями обычно теплее, влажнее и менее контрастен (таблица №3). Считается, что климат городов лесной зоны соответствует климату территорий, расположенных на 200-300 км южнее. Некоторые исследователи настаивают даже на необходимости выделения городской разновидности климата.

Температура.

Среднегодовая температура в центре городов (в Москве, Париже, Нью-Иорке) выше на 3-4 0С, чем в пригородах. При антициклонах и слабом ветре эта разность может достигать 10-15 0С. Суточный ход температуры выражен не так резко, а амплитуда зависит от времени года и состояния облачности. В городах практически не бывает ни лютых морозов, ни сильной жары. Заморозки в центре города прекращаются на 1-2 недели раньше, а осенью начинаются на месяц позже по сравнению с окрестностями.

Повышение температуры воздуха в городских условиях можно объяснить несколькими причинами:

1) наличием дополнительных источников тепла (котельные, автотранспорта, потеря тепла при отоплении зданий);

2) интенсивной теплоотдачей разогретых летом мостовых, зданий и других сооружений, запечатанная поверхность которых сменила природный растительный покров.

3) влиянием смога- загрязненного воздуха мельчайшими частицами пыли на высоте 0,5-1 км . Зимой он препятствует теплоотдаче, а летом, частицы, нагретые солнцем, отдают свое тепло окружающему воздуху, что также способствует уменьшению теплоотдачи.

Осадки.

Мельчайшие частицы пыли, загрязняющие воздух, являются дополнительными ядрами конденсации, что и приводит к изменению в количестве и характере осадков . В городских условиях количество осадков возрастает на 80-200 мм ( почти на 15%), при этом увеличивается число ливней (на 10-30%), гроз (почти на 50%), снега (на 25%), а число пасмурных туманных дней возрастает в 2-3 раза. Солнечная радиация уменьшается на 15%.

Например, в Подмосковье годовое количество осадков составляет 600-650 мм , а в Москве на 25мм выше, причем зимних- на 50, а летних на 15%.

В городах существенно изменяется мощность снежного покров и сроки его образования. В разных частях города снег убирается, утаптывается, насыпается сверх нормы при уборке улиц на отдельных участках. А это резко меняет микроклимат (от аридной холодной пустыни до луговых ландшафтов).

Кроме того, микроклимат отдельных городов и даже отдельных районов города также отличается. Это зависит от размера агломерации, высоты местности, степени загрязнённости воздуха и направления ветра .

Теоретически особенности характера осадков должно приводить к дополнительному поступлению влаги в почву, но реально количество осадков может быть меньше, так как подавляющая часть дождевой и талой воды уходит в коллекторы, а снег убирается и вывозится за черту города.

Характер циркуляции атмосферы.

Скорость ветра в приземном слое городов на 30-40% , а в центре на 60% меньше, чем в пригородах.

Город порождает особую систему ветров («городские бризы» и «магистральные ветры»). Первые возникают в результате разности давления воздуха в центре и на окраине города и со скоростью 3-5 м/сек устремлены к центру городов. Магистральные ветры формируются вдоль автодорог, когда их направление совпадает с направлением улиц и проспектов. Их скорость достигает значений больше 30 м/сек.

Климат городов характеризуется большой изменчивостью погод (отклонений от средних норм-значений). Например, в летописях указывается, что в январе-феврале 1485 года в Москве в садах расцвели деревья, а птицы стали вить гнезда. Летом 1972 года температура воздуха не опускалась даже ночью ниже 200. Духота, небо подернуто дымкой, воздух пропитан резким запахом дыма горящего торфа. Тоже повторилось и в 2002 году. 7 июля 1981 года в Москве выпала месячная норма осадков.

Климат, особенно микроклимат отдельных городов и даже отдельных районов города может сильно отличаться. Это зависит от размера агломерации, высоты местности, степени загрязненности воздуха и направления ветра.

РЕЛЬЕФ

Хозяйственная деятельность человека в местах поселения в течение многих веков значительно изменила естественный рельеф местности, привела к его перепланировке. С одной стороны, наблюдается нивелировка поверхности (повышенные участки рельефа (холмы) срезались, а долинно-балочная разветвлённая сеть засыпалась или заключалась в трубы.), а с другой - (особенно в древних городах) в направлении от периферии к центру города рельеф становится приподнятым за счет накопления культурного слоя.

Культурный слой содержит в себе остатки древних сооружений и строений, хозяйственный мусор, золу и т.д. Мощность этого слоя составляет 1-8 м, а иногда и 20 м ( в засыпанных долинах рек).

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

Не всегда научно-обоснованная хозяйственная деятельность в городах предопределила активизацию существующих и возникновение новых нежелательных геологических процессов: подтопление, развитие карстово-суффозионных процессов, загрязнение, истощение водоносных горизонтов и другие.

ОСИПОВ утверждает, что сегодня 40% площади Москвы подтоплены ( УГВ менее 3м). Объемы фильтрации воды в поверхностные грунты в городах в 2-3 раза выше по сравнению с окрестностями. Дополнительное питание грунтовых вод осуществляется за счет утечки воды в водопроводах, городской канализации, теплосети, фильтрации из наливных прудов, коллекторов, поливов насаждений и т.д. Источником загрязнения ГВ служит загрязненный поверхностный сток, захламленность территории, сбрасывание промышленных и бытовых стоков. Сегодня в прошлом пресные ГВ стали слабоминерализованными (2-3 г/л) со сложным составом.

Подтопление усиливает оползневые процессы . В Москве существует 15 участков с глубокими оползнями (до 100 метров) и несколько десятков мелких поверхностных. Все глубокие находятся в долине р.Москвы, а поверхностные - на ее притоках. Наиболее опасными в оползневом плане являются районы Фили, Воробьевы горы, Коломенское, где грунты перемещаются со скоростью 5-30 см/год. Строятся специальные сооружения, закрепляющие оползни, но все равно за последние 10 лет их количество возросло в 2 раза.

В последние время в Москве активизировались карстовые процессы. Они приурочены к районам, где толща юрских глин невелика или отсутствует. Под глинами в Москве повсеместно залегают известняки карбона, пронизанные трещинами и полостями вследствие интенсивной откачки ГВ в прошлом. Сегодня в эти полости стали поступать вышележащие ГВ. В результате растворения карбонатов на поверхности образуются провальные карстовые воронки и наблюдаются обширные опускания грунта. Сегодня в Москве существуют 42 воронки диаметром 0,5-40 метров и глубиной 1,5-8 метров.

ПОЧВООБРАЗУЮЩИЕ ПОРОДЫ

Современное почвообразование в городских условиях протекает на различных почвообразующих породах:

1) естественных, характерных для данного региона;

2) на культурном слое (исторически сложившейся системе напластований, образовавшихся в результате деятельности человека);

3) на насыпных грунтах;

4) на перемешанных (естественных и насыпных) грунтах.

Почвообразующие породы очень пестрые, неоднородны по гранулометрическому, минералогическому и химическому составу. Особенно - культурный слой, мощностью от 2 до 20 метров., исследованием которого занимается Александровский. Все напластования культурного слоя в разное время исполняли роль почвы, приобретая черты ее строения. В почвенном профиле появляются антропогенные включения (битый кирпич и стекло, остатки арматуры, углистые остатки).Культурный слой представляет собой разновозрастную систему погребенных почв. Этот слой характеризуются слоистостью, каменистостью, повышенным содержанием органических веществ, карбонатов, щелочностью, соединений фосфора и микроэлементов и тяжелых металлов.

РАСТИТЕЛЬНЫЙ ПОКРОВ

Городская флора не утрачивает полностью своих зональных черт и процесс антропогенезации ландшафтов контролируется зонально-климатическими особенностями.

Растительный покров, характерный для природной зоны, в городских условиях сильно изменён. Пионерными исследованиями в этой области являются работы Кавтарадзе и Игнатьевой. Ими разработана классификация городских растительных сообществ, введен термин «урбафитоценоз». В основу классификации положено происхождение УФЦ и доминирующая жизненная растительная форма. Таблица.Можно выделить следующие основные изменения растительного покрова в городских условиях:

1. Уничтожение природной растительности при отчуждении территории под строительство, прокладку коммуникаций и т.д.

2. Пагубное воздействие на состояние зелёных насаждений загрязнения окружающей среды выхлопами автотранспорта, выбросами промышленных предприятий и т.д.:

а)тяжелыми металлами - приобретение листьями охристой и желтой окраски, т.е. уменьшение в зеленой массе хлорофилла;

б) повышенное содержание в воздухе оксидов азота вызывает «позеленение» стволов и нижних ветвей деревьев за счет разрастания мелких водорослей зеленого цвета;

в) эфемерное засоление почв вдоль автострад и придомовых скверах приводит к гибели древесный растений .

3.Возрастаниющая рекреационная нагрузка, переуплотнение почвы влечет изменение водно-воздушных свойств и сопровождается гибелью растений.

4.Формирование на урбанизированных территориях новых, часто искусственных, сообществ.

5. Хотя процесс антропогенизации ландшафта в городах контролируется зонально-климатическими условиями ,в составе растительности наряду с аборигенными видами появляются привнесенные ( в таежной зоне- более южные виды растений.

Особенностями городской флоры является богатство флористического состава. Наряду с традиционной интродукцией видов растений в природе (20%), в городских условиях возникает более сильная интродукция (40%) новых видов растений, часто более южных (Алексеев, 2000).Растения степной зоны нередки в нарушенных экотопах лесной зоны. Исследования РЫСИНА в Москве свидетельствуют, что сосняки сменяются широколиственными лесами. В городах Западной Европы внедрено до 10 тыс новых видов вследствие занесения семян с торговлей. Флористическая неоднородность фитоценозов обусловлена экологической, географической и возрастной неоднородностью отдельных фрагментов экосистемы в черте города. От окраин города к его центру понижается число видов и изменяется флористический состав.

ПОЧВЕННАЯ БИОТА

Это собирательный термин, под которым понимается и почвенная фауна и почвенные микроорганизмы. Изучение данного вопроса началось в Западной Европе в 50-х годах 20 века. Большая часть работ была направлена на выяснение вопросов , связанных с оценкой химического загрязнения и воздействия городских загрязнителей на почвенную биоту.

На урбанизированных территориях значительно изменяются условия для жизнедеятельности почвенной биоты. Уплотнение, подщелачивание, загрязнение тяжелыми металлами, нефтепродуктами, засоление верхних горизонтов почв, захламление поверхности, сбор листвы в парках, уборка и складирование снега, а также другие причины приводят к изменению почвенного покрова, как местообитания для почвенной фауны и микроорганизмов.

Почвенная фауна.

Деятельность почвенной фауны играет существенную роль в почвообразовании. Роющие животные разрыхляют почвенную массу, улучшают ее воздушный, тепловой и водный режимы, осуществляют первичную деструкцию растительных остатков.

Изменения в почвенной фауне идут по 4 направлениям:

1)обилие;

2)разнообразие групп;

3)функциональная структура.

4)профильное и пространственное распределение

1. Обилие. Как отмечают М.Г.Агаркова (1991), Б.Р.Стриганова (1997), М.Н.Строганова (1998), численность почвенной фауны городских почв по сравнению с окрестностями уменьшается в 2-5 раз. Но в изолированных насаждениях может достигать значительной численности.

2. Разнообразие. Городская почвенная фауна представляет собой обеднённый вариант группового и видового состава фауны естественных ландшафтов. Преобладают черви, муравьи, жуки-щелкуны, жуки-жужелицы, пауки В городских почвах встречаются лишь до 30% видов, населяющих лесные местообитания. Например, в Подмосковных почвах обитает 14 видов червей, а в городских - лишь 4.

В составе городской фауны появляются антрохорные виды( например, жужелицы), широко распространены политопные формы и сухолюбивые виды, приуроченные к открытым пространствам и характерные для более южных районов. У многих беспозвоночных появляется летняя диапауза - прекращение питания в жаркое время, что также характерно для животных, обитающих в более южных районах.

Обилие и разнообразие почвенных животных значительно варьирует в зависимости от целевого участка, длительности и степени антропогенной нагрузки. Например, беспозвоночных больше в почвах лесопарков и скверов (65-120 экз/м2 ), чем на участках другого функционального использования (в почвах на примагистральных газонах -3, в скверах -10).

3.Функциональная структура. (вредители растений, их хищники, паразиты, полезные).

Отмечается тенденция к доминированию какого-либо вида почвенных животных, при этом их численность может значительно превышать таковую в естественных почвах. Например, если в городских условиях наблюдается вспышка массового размножения отдельных насекомых- вредителей растений, а также тлей- размножающихся в листве- это сопровождается массовым появлением почвенных и напочвенных хищников- муравьев, божьих коровок и других.

4.Профильное и пространственное распространение. В естественных почвах существует вертикальное распределение беспозвоночных (поверхностные, подстилочные, минеральные). В городских почвах вертикальная закономерность нарушается за счет сокращения обилия и разнообразия. В почвенном профиле и пространстве фауна концентрируется в отдельных бикробиотопах с наиболее приемлемыми для них условиями обитания ( нарушаются экологические ниши).

Микробные сообщества.

Роль почвенных микроорганизмов еще более значима при почвообразовании, чем роль почвенных животных. Большая часть биохимических процессов превращения органической и минеральной части происходит при участии почвенных микроорганизмов. Те же причины (уплотнение, подщелачивание, загрязнение и т.д.) нарушают условия жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, изменяя их численность, структуру и состав и пространственное распространение.

1. Численность микроорганизмов сильно варьирует в почвах города. В молодых городских почвах она может достигать высоких значений, а при усилении антропогенного прессинга способна в дальнейшем резко уменьшаться.

2.Структура и состав микробных комплексов.

А.) Происходит перестройка в комплексе м/о в направлении доминирования в них отдельных микробных популяций, более приспособленных к условиям техногенеза (Скворцова). На участках, загрязненных нефтепродуктами, доминируют бактерии, родственные актиномицетам - родококки; подщелачивание почв способствует увеличению численности щелочелюбивых микроорганизмов (азотобактер, актиномицеты и др.), в почвах разделительных газонов и скверов, где возможно засоление , возрастает популяция галотолерантных бактерий. Изменяется видовой состав грибов. Типичные доминанты для дерново-подзолистых почв (пенициллы) встречаются реже, и появляются нетипичные для этой зоны представители родов Aspergillus и Fusarium, также характерные для местообитания более южных районов (Марфеиина).

Б.) Главной особенностью микробных сообществ антропогенно-измененных почв является приобретении ими черт, не свойственных почвам окрестностей. Здесь формируются грибные и бактериальные комплексы, в составе которых существенную долю занимают виды, характерные для местообитаний более южных районов.

В.) Появляются группы патогенных микроорганизмов. Грибы- продуценты микотоксинов, вызывающих аллергическое действие, энтерококки- возбудители кишечных инфекций , в распространении которых негативная роль принадлежит собакам.

3.Неравномерное антропогенное воздействие на городскую территорию нарушает природные экологические ниши микроорганизмов и создает новые, что приводит к пространственной мозаичности микробных сообществ, как по численности, так и по видовому составу.

ЛЕКЦИЯ 2. ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЕ - КАК ФАКТОР УРБАНИЗАЦИИ

Структура и характер землепользования являются формирующим фактором развития почв в городе. Одним из важных факторов почвообразования является тип функционального использования земель. Каждый тип наряду с общими показателями имеет свои, свойственные только ему характеристики.

Выделяют следующие категории земель в городе:

- земли городской и сельской застройки - жилая зона (внутридворовые пространства, скверы, детские сады и школы, газоны вдоль транспортных магистралей);

- земли общего пользования - промышленные зоны (заводы и фабрики, ТЭЦ, склады , АЗС, автомагистрали, аэропорты и т.д.);

- земли природно-рекреационной и природоохранной зон (городские леса, лесопарки, бульвары, скверы, памятники природы и т.д.);

- земли сельскохозяйственного назначения (пашни, питомники, опытные поля);

- земли резерва (пустыри, свалки, карьеры, неудоби).

Каждая их этих категорий состоит из:

А) запечатанных территорий под жилыми зданиями, дорогами, тротуарами, коммуникациями и т.д. Эти земли лишены водного и воздушного обмена

В )открытых незапечатанных территорий, представляющих собой почвы, почвоподобные тела разной степени антропогенной нарушенности. Именно они и выполняют санитарно-гигиенические, экологические и биосферные функции.

В свою очередь открытые территории делятся на две группы:

1) озелененные территории, которые растительностью, где почвы сохраняют свои основные экологические функции (парки, скверы и т.д);

2)неозелененные или слабоозелененные территории, растительность на которых сохранена фрагментарно и представлена рудеральными видами или сорняками. Экологические функции развитых там почв трансформированы, деградированы или сильно нарушены.

Почвы несут на себе отпечаток качества и вида землепользования, а тип землепользования - формирующий фактор эволюции городских почв. Городской способ землепользования оказывает влияние на все факторы почвообразования, а функциональное использование территории непосредственно определяет интенсивность и характер воздействия на почвенный профиль.

По отношению к почве воздействия разделяются на несколько групп.

Прямые воздействия. Они включают любые резкие механические воздействия, как срезание, так и засыпки или перемешивание почв.

Косвенные предполагают случайное или преднамеренное изменение факторов почвообразования, вызывающие, например, изменения в балансе поступления органического вещества, водном и тепловом режиме и т.д.

Таким образом, тип землепользования во многом определяет и тип воздействия на почвенный покров, который в городских почвах весьма различен.

х х х х х х х х

В России одними из пионерных работ, определяющих направление почвообразовательного процесса в городских экосистемах, являются работы Зеликова (по Москве в1964) и Рохмистрова, Ивановой (по Ярославлю, 1975).

Последующие исследования Строгановой, Мягковой, Прокофьевой, Куста, Стома и др.( по Москве) , Безугловой, Приваленко, Щеглова (по городам степной зоны), Вовк (по городам, расположенным в горных территориях), Касимова с сотрудниками (по Н. Новгороду, Тольятти) позволили установить, что почвы, развивающиеся в черте городов имеют иные по сравнению с почвами окрестностей свойства, а часть их имеет и иной почвенный профиль.

ЭПП (Таблица ).

Сначала остановимся на вопросах ЭПП, комплекс которых в городских условиях существенно изменяется.

Разнообразие видов деятельности человека и пространственная неоднородность этого воздействия в черте городов определяют наличие специфических зон (ЭГЛ- по Касимову, Перельману). Для каждой из них будет характерен свой комплекс ЭПП, который и будет определять формирование и развитие почвенного покрова.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: ГОРОДСКАЯ ПОЧВА

ВПЕРВЫЕ понятие «городские почвы» было введено БОККЕЙМОМ в 1974 году. Под ними он понимал : « почвенный материал, содержащий антропогенный слой несельскохозяйственного происхождения толщиной более 50 см, образованный путем перемешивания, заполнения или загрязнения поверхности земли на городских и пригородных территориях».

Сегодня существуют два понятия :

1. В широком понимании - это любая почва, функционирующая в окружающей среде города.

2. Почва - находящаяся под сильным «прессом» города или сформированная деятельностью человека (собственно городская почва).

Основным отличием собственно городских почв от природных является наличие диагностических горизонтов - урбик (от urbanus, urbs - город).

Это поверхностный органоминеральный горизонт или насыпной, или перемешанный , или представляет собой часть культурного слоя с примесью антропогенных включений (строительно-бытового мусора, промышленных отходов) более 5% и мощностью более 5 см. Это рыхлый, слоистый горизонт легкого гранулометрического состава, темного цвета (различные оттенки темно-бурых тонов), со слабо выраженной структурой, повышенной каменистостью, с нейтральной или щелочной рН, высоким содержанием гумуса (5-10%) чаще гуматного состава. Характерно нарастание горизонта вверх за счет пылевых атмосферных выпадений , нем наблюдается высокая вариабельность свойств почв.

Почвы городских территорий ( урбаноземы) имеют существенные отличия от почв окрестностей, главными из которых являются:

-формирование на разных почвообразующих породах (не только на естественных, но и на сформированных человеком);

-наличие включений строительного и бытового мусора, особенно в верхних горизонтах;

-изменение кислотно-щелочного баланса с трендом в сторону подщелачивания, а иногда и подкисления;

-загрязненность тяжелыми металлами, нефтепродуктами, сажей, легкорастворимыми солями и другими продуктами деятельности человека;

-увеличение среди механических элементов тонкодисперсной фракции, особенно в верхних горизонтах, и соответствующий рост профиля за счет интнесивного аэрального напыления;

-изменение физико-механических свойств почв (пониженная влагоемкость, повышенная уплотненность, пониженная или мозаичная фильтрация и т.д);

-отсутствие дефицита в содержании основных элементов питания;

-перестройка в комплексе почвенной фауны и сообществах микроорганизмов в направлении доминирования в них иных, не характерных для данной природной зоны популяций.

ОПЫТ КЛАССИФИКАЦИИ ГОРОДСКИХ ПОЧВ

В литературе имеется достаточно большое количество сведений о химическом и агрохимическом состоянии городских почв, появлении в них свойств, отличных от почв окрестностей. Вопросы же диагностики и классификации разработаны еще недостаточно. Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что на данный момент не выработан единый подход к проблеме генетической классификации городских почв.

Классификации городских почв составляются на следующих принципах:

1) по морфологическому профилю,

2)характеру субстрата,

3) происхождению,

4) стадиям развития.

В Классификации и диагностике почв СССР в 1977 году упоминания о городских почвах отсутствуют.

В классификационных системах ФАО-ЮНЕСКО, Германии, России все антропогенно измененные и антропогенно созданные почвы выделяются на самых высоких таксономических уровнях.

В последней легенде к карте ФАО (1994) выделена группа Antrosoils - «почвы, подверженные сильной антропогенной деятельности, в которые включены и почвы городов».Антросоли представляют почвы, в которых деятельность человека отразилась в глубокой модификации или погребении исходных почвенных горизонтов путем удаления или нарушения поверхностных горизонтов, выемок грунта или заполнения, регулярного многовекового внесения органических субстратов, длительного орошения.

В последнем варианте международной классификации WRB под антросолями также понимают лишь почвы, сильно трансформированные или созданные в результате сельскохозяйственных мероприятий. Техногенные и городские почвы входят в группу слаборазвитых литогенных почв на рыхлых породах - регосолей

В американской классификации (1994) городские почвы включены на уровне подпорядков в 2 порядках:

1) порядок энтисоли - это молодые, слабосформированные почвы, в которых антропогенные горизонты могут не иметь никакой генетической связи между собой (нарушенные, насыпные и т.д.),

2) порядок инсептисоли - это молодые почвы начального почвообразования с малым количеством диагностических горизонтов.

Сегодня почвоведы США обсуждают возможность выделения 13-го порядка (высший таксономический ранг) антпопогенных почв - Антросолей.

В Англии (1984) почвенная служба в нарушенных почвах выделяет почвы, созданные человеком (man-made soils) .

В Югославии (1986) в национальной классификации предложен раздел « поврежденные почвы: почвы, загрязненные химически, но не нарушены физически -АЭРОСОЛИ.

В основу выделения таксономических единиц почв Варшавской агломерации положены изменения биологических, физических, физико-химических и химических свойств почвы, произошедшие в результате воздействия города».

При картографировании почв Западного Берлина Blume (1989) были выделены три категории:

1)почвы закрытых поверхностей,

2)измененные почвы с естественной растительностью,

3)почвы на насыпных и перемешанных отложениях.

В легенде использовались традиционные названия, употребляемые для естественных почв внегородских территорий. В некоторых случаях -специальные, учитывающие специфическую ситуацию (некросоли- почвы кладбищ).

В классификационных подходах Германии (1994) антропогенно-измененные почвы составляют большую долю в почвенном покрове. В основе систематики техногенных и урбогенных почв лежит классификация насыпного материала- материнской породы для вновь образующихся почв. Такие почвы считаются слаборазвитыми и отнесены в группу РЕГОСОЛЕЙ. Со всем маломощные почвы (А до 5 см) названы СИРОЗЕМАМИ («незрелая земля»). Относятся они к классу АНТРОСОЛЕЙ.

Во Франции (1995) выделены АНТРОСОЛИ - трансформированные, искусственные, реконструированные.

Классификация и диагностика почв России, 2004

По ней антропогенно-преобразованные почвы идентифицируются в настоящее время только на уровне отделов (2 ранг) и рассматриваются как определенный этап естественной антропогенной трансформации .Для таксонов типового ранга предлагаются лишь критерии их выделения. Более подробная их систематика и диагностика требует дальнейших разработок.

Для городских территорий возможно наличие 2 отделом : Хемоземы и Химически-преобразованные почвы.

ХЕМОЗЕМЫ- диагностируются исключительно по химическим параметрам, а степень загрязнения оценивается как чрезвычайно опасная Трансформвция вещественного состава почв не вызывает морфологического профиля и не нарушает систему генетических горизонтов.

Химически-преобразованные почвы. Диагностируются по проявлению в профиле морфологических трансформаций, вызванных воздействием химически агрессивных веществ. При этом существенно преобразуются генетические горизонты.

В России используется классификация, предложенная в 1977 и дополненная впоследствии сотрудниками факультета почвоведения Строгановой, Мягковой и Прокофьевой. Классификация почв и почвоподобных тел разработана для городов южно-таежной зоны и основана на особенностях профильно-генетического строения почвенного профиля, а также на особенностях почвообразующих пород и поверхностных грунтов.

Вся поверхность в черте города авторами делится на 2 группы территорий:

1. Открытые, частично озелененные территории.

2.Закрытые (застроенные и заасфальтированные).

1.Городские почвы открытых территорий

делятся на четыре класса по степени антропогенного воздействия.

1.Естественные ненарушенные - приурочены к городским лесам и лесопарковых территориям, сохраняют нормальное залегание горизонтов естественных почв. Определение почвы проводится по принятым классификациям.

2. Антропогенные поверхностно преобразованные естественные почвы. Они сочетают горизонт урбик мощностью менее 50 см и ненарушенную срединную и нижнюю часть профиля. Слой 50 см выбран потому, что именно такая мощность не нарушает функционирования почвы как природного тела. Пока не существует строгой номенклатуры таких почв, и авторы предлагают сохранять типовое название почвы с добавлением слова «урбо» (урбо-дерново-подзолистая).

3.Антропогенно-глубокопреобразованные почвы- собственно-городские почвы-«урбаноземы», в которых горизонт урбик имеет мощность более 50 см. Формируются они на насыпных, намытых и перемытых грунтах и культурном слое. Делятся на 5 подтипов:

1.3. Собственно урбаноземы. Почвенный профиль состоит из серии горизонтов U1, U2… , сформированных из своеобразного пылевато-гумусного субстрата разной мощности и качества с примесью городского мусора. Могут подстилаться фундаментом, коммуникациями и т.д.

2.3.Агроурбаноземы (культуроземы). Городские почвы фруктовых и ботанических садов, старых огородов. Характеризуются большой мощностью «А», наличием перегнойно-торфо-компостных слоев мощностью более 50 см. Развиваются на нижней иллювиальной части почвенного профиля, на культурном слое или грунтах разного происхождения

3.3.Некроземы. Почвы, входящие в комплекс городских кладбищ с перемешиванием грунтов до глубины больше 2 м.

4.3.Индустриземы. Почвы промышленно-коммунальных зон, сильно загрязненных тяжелыми металлами и другими токсичными веществами, степень которого достигает величины как «чрезвычайно опасных» по принятым нормативам. Они могут быть уплотнены, бесструктурны, с включениями токсичного непочвенного материала более 20 см. По новой классификации почв России частично могут соответствовать «хемодеграземам».

5.3.Интруземы. Это почвы ,перекрытые с поверхности или пропитанные в профиле органическими, маслянно-бензиновыми жидкостями. Формируются на территории АЗС и автомобильных стоянок.

4.Урбатехноземы (техноземы). Это искусственно созданные поверхностные образования (почвоподобные).

1.4. Реплантоземы. Почвы состоят из маломощного гумусового горизонта, слоя торфо-компостной смеси, нанесенной на поверхность рекультивированной породы. В основном формируются в районах городских промышленных и селитебных участках, на новых газонах.

2.4.Конструктоземы. Искусственно и целенаправленно созданные почвогрунты. В настоящее время еще в городах не конструируются. Проблема будущего.

5.Природные и техногенные грунты.

Природные представлены рыхлыми (насыпными, перемешанными, намывными, карьерными выемками и т.д), различающимися по генезису, и составу («натурфабрикаты» -клас.почв России,1997).

Техногенные группы представлены инертными и токсичными отходами промышленного производства и твердыми бытовыми отходами («Артифабрикаты» и «Токсифабрикаты»).

2.Застроенные и заасфальтированные территории.

При современном градостроительстве такие территории занимают до 70-90% города. Под покрытиями могут быть «запечатаны» разнообразные почвы, почвоподобные тела и грунты. Почвы под фундаментами не изучаются, а вот под дорожными покрытиями Строганова и Прокофьева выделяют:

1) Экраноземы -группа почв, запечатанная под дорожными покрытиями по природным, урбопочвам, урбаноземам, техноземам. Они существенно уплотнены, в них меняется водный, тепловой и газовый режимы, микробиота функционирует по анаэробному типу, не происходит поступления веществ извне. При укладке покрытия может быть разрушена верхняя часть профиля.

2. «Запечатанный грунт». При дорожном строительстве происходит срезание почвенного профиля до нижележащих грунтов или последующим наложением нового материала.

В крупных городах довольно большая часть территории представлена урбаноземами, а районы новостроек и строительных площадок - техноземами.

Например, в г. Москве около 30% открытых поверхностей, половина которых озелененная. Следовательно, урбаноземы составляют около 15% площади города.

ГОРИЗОНТЫ И ИНДЕКСИРОВКА ГОРОДСКИХ ПОЧВ

Диагностический горизонт «урбик» -U, малый индекс «u» - для отображения признаков урбогенеза (Аu),

UА, UЕ -переходные горизонты,

^v -перемешанные горизонты, могут состоять из фрагментов естественных почв.

СU- п.о.п., являющаяся верхней частью культурного слоя,

L- каменистый слой (остатки фундаментов зданий, старая кирпичная кладка).

L -слой, являющийся искусственным барьером (асфальтовое покрытие, бетонная плита),

Малый индекс «а» (anthropic) - обозначает количество включений (строительный и бытовой мусор, промышленные отходы и т.д.): а1- единично, а2-менее 25%, а3 - 25-50%, а4 -более 50%.

Урбанизированные территории испытывают техногенный пресс различной мощности за счет металлоносных потоков загрязнителей из атмосферы и других источников. Например, в Москве на 1 м2 поступает до 1-3 г городской пыли по сравнению с 20 мг на фоновых участках, т.е. почти в 100 раз больше., в Чеперовце - в 80 раз.

По сравнению с природными поступающие из городской атмосферы аэрозоли а наибольшей степени обогащены свинцом, кобальтом, медью и железом. Важное значение имеет соотношение содержания элементов в пыле и почве (КО). Здесь обогатителем выступает и кальций.

Поэтому справедливо утверждение Касимова об «ожелезнении» и «окарбоначивании» городских ландшафтов.

Одновременно в атмосфере урбанизированных территорий достаточна доля органических, углеродсодержащих соединений (сажа, копоть, продукты неполного сгорания бензина, асфальтово-битумные смеси), что приводит к аккумуляции углерода в почвах.

Характер и интенсивность загрязнения городских почв определяется не только удаленностью от источников загрязнения и их мощностью, но и физико-химическими параметрами самих почв, способствующими загрязнению или, наоборот, самоочищению городской среды.

Под воздействием техногенных выбросов и урбанизации в городских почвах резко меняются их зональные свойства. Особенно большие преобразования отмечаются для верхних гумусовых горизонтов в связи с тем, что на их депонирующую поверхность поступает много городской пыли, количество которой на порядок и больше выше по сравнению с фоновыми территориями.

ХАРАКТЕРИСТИКА СВОЙСТВ ГОРОДСКИХ ПОЧВ

...