Городские почвы

Большая часть исследований городских почв связана с загрязнением их тяжелыми металлами, органическими соединениями территорий вдоль автомагистралей, промышленных предприятий, автозаправок, свалок и т.д. Региональность исследований определяет изучение определенных свойств. В северных районах России, Скандинавских странах - это в основном вопросы загрязнения почв тяжелыми металлами. В лесной зоне России, странах Западной Европы наряду с загрязнением ТМ исследуются и другие свойства почв. В настоящее время наиболее изучены почвы ландшафтов, сильно преобразованных человеком (урбаноземы). В менее нарушенных городских ландшафтах состояние почв исследовано слабее. Часто исследователи сравнивают свойства почв в центре городов и на его окраинах, учитывая ,таким образом, интенсивность антропогенного влияния.

В России наиболее полно изучен почвенный покров Москвы, Ярославля. С-Петербурга, Ростова-на-Дону, Н. Новгорода, Тольятти, Воронежа и ряда других городов. За рубежом - городов Германии, Польши, Франции.

.1. Морфологические свойства почв.

Формирование морфологического профиля городских почв определяется приуроченностью к ЭГЛ. В почвах, развивающихся в лесопарковых зонах, воздействие человека минимально и проявляется в основном косвенно, почвенный профиль содержит тот же набор генетических горизонтов, что и в зональных аналогах, но при иной степени выраженности свойств.

Парки и лесопарки

В МОСКВЕ.

Сочетание горизонтов. В отличие от природных не диагностируется «чистый» горизонт Е, вместо того выделяется АЕ.

Мощность гумусовой толщи. Мощность гумусовой толщи (А+АЕ) почв вне города составляет 22 см, а в его черте возрастает до 45 см. По мере приближения от окраин города к его центру интенсивность процесса гумусообразования и гумусонакопления возрастает.

Окраска. В верхних горизонтах отчетливо прослеживается увеличение доли темных тонов : светло-серая и серая окраска меняется на темно-серую.В горизонте АЕ отмечается уменьшение белесоватости окраски, что служит свидетельством ослабления процесса оподзоливания. В нем и нижележащем ЕВ появляются черты палевости. Наличие тонкого иловатого налета на включениях позволяет предположить возможность развития сиаллитного оглинивания.

Структура. Непрочно мелко-комковатая структура верхних горизонтов сменяется комковатой, иногда ореховатой. Хорошо выраженная горизонтальная делимость, свойственная гор. АЕ почв вне города, становится лишь слабоплитчатой или имеет лишь элементы горизонтальной слоистости. Горизонты лучше оструктурены, агрегаты становятся более устойчивыми, что связано с изменением характера клеящих веществ.

Гранулометрический состав. Отмечается тренд к изменению гранулометрического состава в сторону его утяжеления в верхней и средней части профиля.

В СТАВРОПОЛЕ

Сочетание горизонтов. Почвы лесопарков г. Ставрополя имеют тот же набор генетических горизонтов, который характерен для естественных почв: А-АВ-Вса-Сса.

Мощность гумусовой толщи. Наблюдается увеличение гумусовой толщи. На контроле она составляет 64-77 см, в почвах парков и лесопарков - 100 и более см. Это подтверждается не только более темной окраской нижних горизонтов, но и мезоморфологическими исследованиями (под бинокуляром заметно увеличение количества черных хлопьевидных сгустков).

Структура. Комковатая и зернисто-комковатая структура верхних горизонтов естественных почв становится менее прочной и приобретает пылеватость.

Новообразования карбонатов. Карбонатные выделения в виде мицелия и белоглазки в почвах лесопарков практически отсутствуют. В других ЭГЛ они приобретают вытянутую, расплывчатую форму белесовато-серого цвета с размытыми краями, что делает их схожими с новообразованиями в орошаемых черноземах.

Другие ЭГЛ

Отличительной характеристикой собственно городских почв (урбаноземов) является большое количество антропогенных включений, существенное место занимает насыпной грунт. С течением времени поверхностный слой приобретает черты горизонта А. Встречаются погребенные горизонты. В них отсутствуют естественные почвенные горизонты, в профиле сочетаются различные по окраске и мощности слои искусственного происхождения. Скелетный материал представлен в основном строительным и бытовым мусором.

2.ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Содержание органического вещества в почвах городов колеблется в широких пределах, а одних случаях превышая, а в других - является меньшим, чем в природных аналогах.

В верхних горизонтах почв городов таежной зоны количество гумуса варьирует от 1 до 12%. Максимально обогащены гумусом нарушенные и вновь образованные слои почв газонов, скверов, бульваров (5-11%) и селитебных участков (3-7%). В парках и лесопарках гумусово-аккумулятивные горизонты содержат его в количестве 2-3 %.

Необходимо отметить тот факт, что для городских почв правильнее говорить о накоплении органического углерода, а не гумуса, так как разделение гумусовых веществ и продуктов загрязнения органическими соединениями в урбанизированных почвах методически до конца не решено..

Наиболее существенная трансформация свойств почв характерна для корнеобитаемых горизонтов, а направление, интенсивность и глубина проявления процесса накопления органического углерода зависят от положения города в природной зоне, длительности и интенсивности антропогенного воздействия.

В целом в почвах городов лесной и лесостепной зон по сравнению с окрестностями прослеживается увеличение содержания Сорг: в мегаполисе Москва - статистически достоверно на 0,8-1,5%, а в менее крупных и молодых городах (Королеве, Брянске и Ульяновске) - (на 0,1-0,8%) проявляется лишь в виде тенденции, часто захватывая лишь слой 0-10 см.

В городах степной зоны закономерности иные. В Ставрополе фиксируется дегумификация верхних горизонтов (Сорг. снижается на 1%), а в Якутске -изменения не существенны и проявляются лишь в качестве тренда в слое 0-10 см в травяных ЭС.

В зависимости от ЭГЛ амплитуда изменения содержания Сорг различна. Минимальное обогащение им почв Москвы прослеживается в лесопарках, а максимальное - на ПМУ и территориях с/х назначения. Наивысшая степень рекреационной нагрузки (тропинки) существенно снижает обеспеченность почв органическим веществом.

Аналогичная закономерность фиксируется в почвах других городов лесной зоны.

В Ульяновске почвы лесопарков более обогащены органическим веществом, а ПМУ - менее. В Ставрополе отмечена дегумификация на всех исследуемых объектах. Эти факты связаны как с особенностями естественных почв, так и условиями функционирования их на городских территориях

Но органическим углеродом обогащаются и нижние горизонты городских почв. Поэтому происходит смена типа профильного его распределения.

Естественные лесные почвы характеризуются аккумулятивно-регрессивным распределением. В городских почвах парков и лесопарков оно приобретает аккумулятивно менее регрессивный или аккумулятивно-равномерный характер, а в урбаноземах- нередко аккумулятивно-прогрессивный или бимодальный.

Для почв городов степной зоны (Ростова-на-Дону, Ставрополя - Безуглова, Ковалева) закономерности иные, сильно зависящие от целевого использования участка (ЭГЛ). Содержание гумуса в гумусовых горизонтах почв лесопарков в одних случаях увеличивается, в других - уменьшается, однако профиль часто приобретает черты лесного. В почвах скверов, пустырей гумусовый профиль сохраняет черты черноземов. В урбаноземах иногда в нижней части профиля имеется 2-ой максимум.

Мозаичность, разная интенсивность и длительность деятельности человека на урбанизированных территориях определяют различия в пространственной неоднородности содержания Сорг. В целом во всем слое 0-20 см почв Москвы она выше по сравнению с естественными. По мере усиления длительности городского прессинга ( от периферии к центру города) и степени прямого воздействия человека (лесопарки- примагистральные участки) возрастает.

В почвах других городов закономерности аналогичные.

Такие изменения в показателях гумусного состояния объясняются несколькими причинами:

1. Почвы всех городских ландшафтов подвергаются загрязнению соединениями углеводородной природы ( сажа, продукты неполного сгорания топлива, битумно-асфальтомыми смесями и т.д.), степень которого определяется многими факторами.

2. В ряде случаев ( урбаноземы) используется насыпной грунт, обогащенный органическим веществом (торфосмеси), отдельные слои культурного слоя содержат биологически активные вещества (гумус, азот, фосфор, зольные элементы). Как отмечает Ягодин, по содержанию питательных элементов городской мусор, используемый в качестве насыпного грунта, приближается к навозу.

3.Почвы части участков (газоны, придорожные и домовые участки) подвергаются определенному уходу со стороны человека (внесение удобрений, полив, посев злаковых травосмесей) приводят к изменению структуры и биохимического состава биомассы. Последующая гумификация растительных остатков при нейтральной рН или просто менее кислой способствует накоплению гумуса и закреплению его в корнеобитаемых горизонтах.

4.В лесопарках и парках городов происходят изменение растительности. В городах таежной зоны древесные хвойные породы постепенно вытесняются лиственными. Но наибольшему изменению подвержен травяный ярус: в нем появляются более южные виды -злаки, особенности функционирования которых и приводит к обогащению почвы гумусом. В городах степной зоны смена естественной степной растительности на древесную , а также рекреация способствуют обеднению гумусом верхних горизонтов почв.

Исследованиями студентов нашей кафедры показано, что в городских ландшафтах по сравнению с природными существенно меняется групповой состав травяной растительности: исчезают бобовые и разнотравье, доминирующими становятся злаки. В травяных экосистемах г. Москвы последние достигают 87% по сравнению с 66% в естественных условиях.

В лесопарках в травяном ярусе доля злаков и рудеральных видов возрастает по мере усиления степени рекреационной нагрузки. Если в условно ненарушенных лесных ЭС Москвы и Королева она составляла 10-14%, то на участках со средней степенью дигрессии- 32-93%.

Запасы биомассы в травяных ЭС Москвы по сравнению с контролем снижаются более чем в 1,5 раза, а травяного яруса в лесных - на 10-30%. Отмечается тенденция выравнивания продуктивности трав, а величина порядка 80-90 ц/га становится преобладающей в травяных ЭС, а 30-40 ц/га - в лесных.

Чем выше уровень урбанизации, т.е. чем древнее и крупнее город, тем меньший объем биомассы формируется травяной растительностью в лесных ЭС. В Москве - это 30 ц/га, а Королеве и Брянске - более 40.

В структуре биомассы трав в 2-4 раза возрастает доля корней, максимально - в лесных экосистемах Москвы, подверженных рекреации, где соотношение надземной части к подземной возрастает до 1:7. Как отмечала Гришина, увеличение доли корней в структуре биомассы трав является ответной реакцией на ухудшение условий произрастания.

Травы в городских условиях аккумулируют в биомассе в 1,5-3 раза больше зольных элементов по сравнению с природными аналогами, особенно в надземной части. Существенное влияние на это оказывает не столько вид травяной растительности, сколько место их обитания (ЭГЛ).

Оценка запасов зольных элементов в городских травяных ЭС, которые варьируют от 520 до 680 кг/га , свидетельствует о достаточно высоком уровне их накопления, скорее характерном для травяных экосистем степи. Травяный ярус лесных ЭС г. Брянска аккумулирует до 350 кг/га зольных элементов. Связано это с разным уровнем поступлением на поверхность почвы городской пыли, содержащей карбонаты кальция и магния, которые впоследствии и вовлекаются растениями в биологический круговорот (БК), что доказано увеличением содержания этих элементов в золе трав.

Зольность биомассы травяного яруса парково-рекреационных ландшафтов зависит от степени урбанизации. В Брянске и Королеве она на 1-3% ниже, чем в Москве. Рекреационная нагрузка приводит к снижению зольности в надземной и увеличению в подземной части растений.

Принимая во внимание изменение объема, качества органических остатков и микробных сообществ в почвах городов можно предположить иные пути трансформации их в гумусовые соединения, качественно отличающиеся от зональных

Качественный состав гумуса

По сравнению с природными аналогами в городских почвах изменяется и качественный состав органического вещества. Хотя данные по этой проблеме в литературе единичны и, в основном, касаются почв городов таежной зоны.

1. Тип гумуса. Отмечается, что гумус в городских почвах становится более гуматным по сравнению с дерново-подзолистыми почвами. В верхних горизонтах или слоях собственно городских почв (урбанозёмах) отмечается преобладание гуминовых кислот (Сгк/ Сфк 1,0-1,7), в нижней части профиля гумус характеризуется фульватно-гуматным составом ( Сгк : Сфк = 0,6-0,9).

Почвы городских парков и лесопарков по типу гумуса ближе к природным дерново-подзолистым почвам, хотя в них также отмечены изменения в строну большей гуматности гумуса: отношение Сгк/Сфк в среднем составляет 0,90.

В радиальном направлении от периферии города к его центру прослеживается довольно четкая закономерность увеличения гуматности гумуса в горизонтах А и АЕ.

Для почв г. Ростова-на-Дону Безуглова получила обратные данные: гумус в поверхностных горизонтах почв парков становится более фульватным по отношению к почвам внегородских территорий.

2. Изменяется и фракционный состав гумуса почв, функционирующих в городских условиях. По отношению к природным аналогам в почвах Москвы прослежено снижение доли «свободных», наиболее подвижных ГК и увеличение - ГК « связанных с кальцием». Причем, чем выше степень городского «прессинга», тем более значительные изменения . Например, в почвах лесопарков содержание 2 фракции ГК около 33%, а газонов - 41%.

В почвах городов степной зоны прослежены обратные закономерности.

3.Оптическая плотность ГК. Это уникальные данные, получены студентами нашей кафедры Сементовской и Лемкиным, они свидетельствуют о степени зрелости гумусовых кислот. Для почв парков и лесопарков г. Москвы установлены более высокие Кэкстинции (0,080) , а для урбаноземов (0,030-0,040) по отношению к зональным почвам (0,049). Это свидетельствует об увеличении доли ароматического ядра в составе молекул ГК в первом случае и более простом строении их во втором. Связаны эти различия с тем, что в почвах парков и лесопарков изменения растительности, почвенной биоты, гидротермических характеристик приводит к изменению биохимического состава органических остатков, иным путям их трансформации в гумус по сравнению с природным процессом и формированию ГК, приближающихся по этой характеристике к почвам более южных районов. В урбаноземах же значительная доля ГК образуется при трансформации органического вещества вносимых торфосмесей и органических загрязнителей, имеющих соответственно и более простую структуру.

ЛЕКЦИЯ 3. .КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВ

Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о смещении реакции среды городских почв в нейтральную и даже щелочную сторону.

Величина рН и амплитуда изменений зависят от целевого использования территории, степени рекреационной нагрузки, местоположения относительно центра города и природной зоны, в которой расположен город.

Причины данного явления следующие:

1. Поступление на поверхность почвы городской пыли, содержащей карбонаты кальция и магния, поступающие в ландшафты при деятельности строительных предприятий высвобождающиеся из строительный растворов, цемента. Расчеты показывают, что в Москве на 1м2 ее поступает от 20 до 1000 мг городской пыли.

2. Второй причиной является высвобождение кальция под действием осадков, обогащенных СО2 из различных обломков строительного мусора (карбонаты переходят в гидрокарбонаты, являющиеся гидролитически щелочным соединением.

3.Определенная роль принадлежит и последствиям применения противогололедных соединений (NaCl, CaCl2, MgCl2).

4.Применение извести при закладке зеленых насаждений и устройстве газонов.

Кислотность почв лесопарков и парков г. Москвы снижается в среднем по профилю на 0,3-1,0 рН, а ее распределение выравнивается и становится практически равномерным. Основной причиной является поступление на поверхность почвы пыли, содержащей кальций («окарбоначивание» ландшафтов по Касимову), мигрирующей впоследствии с нисходящими токами влаги.

Почвы лесопарков городов степной зоны (г. Ставрополь и Якутск) в целом по профилю становятся менее щелочными (рН снижается с 7-8,5 до 6,5-8,0). Это может быть обусловлено изменениями водного режима и нисходящей миграцией карбонатов.

Собственно городские почвы (урбаноземы) имеют более высокие значения рН и характеризуются отличным от природного типом его распределения по профилю.

В городах степной зоны это также характерно для почв газонов, дворов и обочин дороги. Значения рНвод таких почв обычно выше (на 0,3-3 рН), а профильное распределение становится или более равномерным, или имеет и в верхней части профиля второй максимум значений рН. Это связано в основном с высвобождением кальция из различных обломков строительного мусора, нарушением природной закономерности залегания обогащенных карбонатами горизонтов, последствиями применения антигололедных соединений.

Исследование рН в корнеобитаемых горизонтах почв городов лесной и лесостепной зон фиксирует сдвиг в нейтральную сторону на 0,2-2,2 единицы . Причем , чем крупнее город, тем более высока амплитуда и статистическая достоверность изменений.

Интересны картографические работы по почвенному покрову г. ИНОВРОЦЛАВА (Польша). Реакция среды городских почв по сравнению с естественными дерново-подзолистыми почвами возросла на 2,5-3,5 единицы, в среднем составив 7,6. Почвы со слабощелочная рН занимают 55% городской территории, нейтральную - имеют 30%, а в 15% случаев рН поднимается до значений 8-9. Такое интенсивное щелочное воздействие на поверхностные горизонты почв связано с деятельностью заводов по производству стекла и соды.

Величина смещения реакции среды определяется и принадлежностью территории к ЭГЛ. В почвах Москвы максимально рН возрастает на ПМУ (на 2-2,7 ед), а минимально в лесопарках (на 0,8-1). Это связано с различным уровнем и химическим составом соединений в атмотехногенной пыли. В лесопарках на 1 м2 выпадает в 6-30 раз меньше пыли , чем в селитебно-транспортных ландшафтах. Концентрация кальция в ней может превышать фоновые в 22 раза, а натрия - до 100 раз. Последнее особенно существенно проявляется на ПМУ, как последствие применения антигололедных соединений.

Аналогичные закономерности проявляются в почвах г. Королева (лесная зона) и Ульяновска (лесостепная зона). В Ставрополе прослежена лишь тенденция некоторого повышения рН в почвах ПМУ (на 0,5 ед. рН) и снижения - в лесопарках. В Якутске фиксируется тренд подщелачивания на 0,5 ед. всех городских почв.

Установлено, что по мере приближения от периферии Москвы к центру значения реакции среды постепенно возрастают во всем корнеобитаемом слое и достигают 6-8 в зависимости от типа ЭГЛ. Обусловлено это влиянием степени запыленности атмосферного воздуха, которая в этом же направлении возрастет по отношению к фону от 2 до 10 раз. В Ульяновске прослеживается та же закономерность.

Значительные работы проведены по исследованию вариабельности рН. Она существенно возрастает, особенно в срединной части города г. Москвы и на участках с низкой антропогенной нагрузкой (парки).

4. ЕКО и степень насыщенности почв основаниями

Повышенное содержание гумуса, накопление пылеватой фракции и менее кислая реакция среды верхних горизонтов почв городских территорий по сравнению с почвами окрестностей способствуют повышению величины ЕКО. В почвах газонов, скверов и в других урбаноземах она возрастает а 2-4 раза и достигает 30-50 мг-экв/100 г.почвы, а в почвах лесопарков равна 25 мг-экв, по сравнению с 15-20 мг-экв, характерных для естественных почв.

Щелочные и щелочноземельные элементы, поступающие на поверхность городских почв с пылью, вовлекаются растениями в БК. Наряду с влиянием на реакцию среды, они входят в ППК и меняют его состав и степень насыщенности основаниями.

В почвах газонов и селитебных участков степень насыщенности основаниями составляет 80-95%. В почвах парков и лесопарков она обычно менее 60%. В составе обменных катионов преобладают кальций (до 70%) и магний (до 30 %). Весьма интересны данные Обухова, Лепневой, Никифоровой и Лазуковой. В почвах газонов вдоль автомагистралей и придомовых скверах в отдельные периоды года (весной или летом) кратковременно обнаруживается обменный натрий в количествах 2 -3% или даже 15% от ЕКО. Связано это с последствиями применения противогололедных соединений на дорогах и тротуарах.

Степень таких изменений определяется типом ЭГЛ, находится в прямой зависимости от степени урбанизации и рекреации территории.

Девятова с соавторами отмечает, что почвы г. Воронежа также более насыщены основаниями по отношению к пригородным почвам при значительном колебании их значений. При этом содержание обменного магния довольно стабильно, а кальция подвержено большой изменчивости. Это указывает на привнесенный характер ионов кальция за счет хаотичной захламленности городских почв мусором.

5.Обогащённость почв элементами питания растений

Элементы питания (N,Р,К ) в городских почвах распределены неравномерно. Большинство исследователей отмечают высокую обогащённость насыпных и сильнонарушенных почв содержанием N, Р и К, а так же подвижными формами этих соединений по сравнению с природными аналогами. Обеспеченность ими городских почв оценивается как повышенная, высокая и очень высокая. Содержание подвижного фосфора колеблется в пределах 5-150 мг/100г. почвы (в 14-15 раз превышая фон), подвижного калия - 2- 100 мг/100г. почвы (в 2 раза выше фона).

Объясняется это наличием в городских почвах мусора и строительных обломков.

Процесс «зафосфачивания» городских почв может негативно сказаться на функционировании зеленых насаждений

Почвы парков и лесопарков относятся к группе почв с низкой обеспеченностью элементами питания.

6. Содержание легкорастворимых солей.

Вопрос освящен слабо в научной литературе, так как основная часть исследований осуществляется в городах, расположенных в лесной зоне, для которых не характерно это явление.

Но по мнению ряда исследователей на городских территориях происходит деградация зонального почвообразующего процесса. Выявлена тенденция урботехногенной аридизации природных лесных экосистем (в частности, в Москве и Нижнем Новгороде) и сдвига ряда почвенных свойств к аридному (полупустынно-степному) типу, благоприятному для развития процессов галогенеза. урбанизация почва городской

Техногенным источником солей в городе, являются противогололедные смеси, используемые в зимний период. Периодичность применения и суммарные дозы внесения солей меняются от года к году и во многом зависят от конкретных погодных условий.

В 1960- 1990г. в Москве для борьбы с гололедом применялась преимущественно песчано-соляная смесь, в которой содержание солей было относительно низким. В настоящее время соляную смесь применяют без песка, а расход солевых реагентов при этом возрос в 1.5 раза. Масштабы современного применения противогололедных смесей характеризуются величиной порядка 5 кг/км2 (Состояние…2000).

Увеличение содержания легкорастворимых солей в почвах городов не имеет площадного распространения. Наибольшее количество противогололедных смесей приходится на крупные магистрали и дворовые территории, поэтому и переизбыток солей наиболее отчетливо выражен в почвах именно вблизи дорог и около жилых домов.

Масштабы распространения засоления вдоль дорог определяются разносом солей, зона влияния автодорог распространяется от 30 до 150-200 м, в зависимости от конкретных ландшафтных условий. Механические барьеры (здания, кустарник, деревья) уменьшают дальность переноса аэрозолей соли, резко увеличивая их концентрацию в непосредственной близости от дорог. Открытые пространства, наоборот, способствуют более дальнему переносу, при этом, по мере удаления от дороги уровень концентрации соли в снеге убывает постепенно.

Начало изучения содержания легкорастворимых солей в городских условиях проводилось в снеге и талых водах. На разделительных газонах вдоль автомагистралей оно колеблется от 8,5 до 1000 мг/л, а в парках и лесопарках на 2 порядка ниже. Работами Обухова показано, что электропроводность талых вод достигает 11 мСs то время как величина 3 мСs уже может приводить к засолению почв. Именно за счет фильтрации таких талых вод через почву в ней кратковременно и происходит увеличение содержания легкорастворимых солей, в первую очередь, за счет ионов натрия и хлора..

Наиболее неблагоприятными в этом отношении считаются почвы газонов в 0-2 м зоне от автомагистралей, так как снег, а, следовательно, и содержащиеся в нем соли, убираются с проезжей части на обочину.

Как следует из литературных источников, вторичное засоление почв на урбанизированных территориях может быть эфемерным (кратковременным весной) или, о чем утверждается в последнее время, и постоянным, в течение всего года. По глубине обнаружения солей (0-30 см) почвы ряда примагистральных участков г. Москвы можно отнести к солончаковым. По величине плотного остатка (0,2-0,5%) и электропроводности (3-20 mSm/sm) - к разной степени засоления (Обухов, Лепнева, 1990; Состояние…2000; Доклад… 2002; Азовцева, 2004; Экологические…2004). Для нормального роста большинства видов деревьев, кустарников и трав, традиционно используемых в озеленении городов, пределом является величина солей по плотному остатку 0,5%, а электропроводности более 2 mSm/sm. При содержании хлоридов более 1% почвы относятся к солончакам (Почвоведение, 1988).

Анализ состава соляных смесей, применявшихся в Москве зимой 1997-1999гг. показал, что они на 97% состоят из NaCl. Снижение содержания легкорастворимого натрия в поверхностных горизонтах почв сопровождается, с одной стороны, его миграцией в более глубокие горизонты, а с другой - переходом воднорастворимого натрия в обменный.

По мнению ряда исследователей, вполне вероятно развитие на небольших площадях почв крупных городов таежной зоны процесса вторичного осолонцевания (Экогеохимия…1995; Состояние…2000; Экологические…2004).

Иная картина наблюдается в почвах городов, расположенных в природных зонах, для которых характерно проявление засоления в естественных почвах .В настоящее время нами получены результаты по почвам г. Якутска. И предварительно мы делаем вывод о том, что природные засоленные почвы в городских условиях подвергаются рассолению.

7. Водно-физические свойства

В настоящее время эти свойства менее всего изучены, вернее, одни из них достаточно отражены в литературе (твердость, плотность), а по другим - структурный, агрегатный состав, водопроницаемость- имеются лишь единичные данные.

Установлено, что в ряде случаев физические свойства городских почв резко отличаются от свойств естественных аналогов. В них увеличивается плотность, твердость, уменьшается поровое пространство, влагоёмкость и водопроницаемость, изменяется гранулометрический состав.

Гранулометрический состав.

1.Отмечена большая мозаичность гранулометрический состав, так как он определяется, прежде всего, приуроченностью к тем или иным ЭГЛ и степенью нарушенности почв.

2. В профиле ряда почв прослеживается высокая щебнистость (каменистость, включения строительного мусора).

3.В поверхностных горизонтах возрастает содержание тонкодисперсных фракций , вследствие поступления на поверхность почвы городской пыли.

4.При формировании урбаноземов отмечается слоистость грунтов и, соответственно, гранулометрического состава.

Литературные данные по гранулометрическому составу городских почв весьма скудны. Доказывается, что он определяется прежде всего принадлежностью их к ЭГЛ: в почвах лесопарков увеличивается содержание илистой фракции, а на ПМУ - существенна доля песчаных фракций.

Для городских экосистем характерно привнесение в почву песка и гравия, используемого в градостроительстве. Строительный материал, промышленные отходы и другие субстраты имеют форму гравия и камней. Поэтому содержание скелета ( каменистость) ряда городских почв повышается.

Наши исследования свидетельствуют, что в гранулометрическом составе почв лесопарков по сравнению с естественными выявлены следующие закономерности:

1) В гумусово-элювиальной толще (0-30 см) отмечено снижение содержания песчаной фракции (с 33 до 6-15%), обогащение илистыми (с 4 до 10-15%) и пылеватыми (с60 до 80%) частицами. Соотношение физического песка и физической глины сдвигается в сторону увеличения последней ( 76:24 на 63:37).

2.В гор. ЕВ изменения аналогичны, а в иллювиальной части несущественны

По мере приближения от окраин города к его центру прослеживается тенденция уменьшения степени дифференциации профиля почв по гранулометрическому составу.

Это позволяет предположить снижение интенсивности основного зонального процесса (подзолообразования) , о чем свидетельствуют и морфологические свойства профиля городских почв. Аналогичные факты отмечены и другими исследователями в Ярославле и С-Петербурге.

Вероятность этого, возможно, обусловлена несколькими причинами:

1.Ослаблением кислотного гидролиза минеральной части вследствие снижения кислотности почв и уменьшения агрессивности гумусовых кислот.

2.Заиливанием поверхностных горизонтов городской пылью.

3. Обогащением гумусом.

4.Развитием метаморфизации, что подтверждается покрытием включений илистым налетом, накоплением фракций мельче 0,001 мм в горизонте ЕВ.

Последнее вполне возможно в почвах, развивающихся в черте города, поскольку здесь создаются необходимые условия. Рохмистров и Иванова считают, что перестройка биогеохимических процессов в почвах, не подверженных прямому воздействию человека приводит к оглиниванию элювиального горизонта, изменению его гранулометрического состава и структуры. Скорость же метаморфизации зависит от продолжительности и степени антропогенного воздействия на городские ландшафты

Структурное состояние почв.

Может быть различным, а его показатели зависят от типа целевого использования территории (типа растительного покрова, почв) и степени рекреационной нагрузки.

Можно предположить, что в почвах, подвергающихся незначительному антропогенному «прессингу», структурное состояние, по крайней мере, не будет ухудшаться. Обусловлено это увеличением в них содержания гумуса, изменением его качественного состава, поступлением тонкодисперсной городской пыли, обогащенной карбонатами кальция и магния.

Структура корнеобитаемых горизонтов городских почв довольно благоприятная: Кстр. практически везде больше 1, что обусловлено обилием клеящих веществ.

Однако показатели структурного состояния существенно варьируют в зависимости от характера землепользования. Наилучшим качеством структуры обладают почвы лесопарков и парков. В них по мере усиления рекреационной нагрузки возрастает доля либо глыбистых, либо мелких отдельностей.

На разделительных газонах в зависимости от ухода показатели структурного состояния различны, но в целом они менее благоприятны, чем в почвах лесопарков.

На участках , испытывающих максимальную нагрузку человека (тропы, пустыри), качество структуры почв резко ухудшается, а верхние 0-2 см имеют слоеватую уплотненную почвенную массу.

Исследования водопрочности агрегатов свидетельствуют, что в лесопарках ее можно оценить как хорошую и отличную (более 50-80% агрегатов не разрушаются водой). Повышение степени антропогенной нагрузки (тропинки, ПМУ) способствует снижению в 2-3 раза устойчивости агрегатов, а их водопрочность определяется как удовлетворительная или недостаточно удовлетворительная (доля устойчивых агрегатов составляет 24-32%).

Данные гранулометрического и микроагрегатного анализов по содержанию илистой фракции позволяет рассчитать Кдисперсности, характеризующий степень устойчивости микроагрегатов. Чем он выше , тем менее прочны микроагрегаты .

В фоновых почвах К варьирует от 75 до 90%, характеризуя низкую степень их оструктуренности. В городских - отмечается значительное улучшение качества структуры верхних горизонтов: микрооструктуренность характеризуется как хорошая и высокая (Кдис. составляет 8-26%). Установлена четкая закономерность ее улучшения при движении от окраин города к центру.

Плотность сложения.

Очень важная физическая характеристика почвы, определяющая водный, воздушный, тепловой режимы почвы, рост и развитие корневой системы растений, интенсивность микробиологической деятельности. Это весьма динамичная величина как во времени, так и в пространстве. Зависит от гранулометрического состава, количества гумуса и других свойств.

В городских условиях эта величина варьирует в широких пределах: от 0,65 до 1,7 г/см3 в зависимости от типа ЭГЛ и степени антропогенного «прессинга». Но как правило, на больших территориях почвы города переуплотнены.

Самые рыхлые- верхние горизонты почв вновь созданных газонов и лесопарков (0,9-1,1). На участках подверженных рекреации плотность возрастает на 0,2-0,3 г/см 3 . Наиболее уплотнены ( до 1,7 г/см 3)поверхностные слои почв селитебных участков (дворов, бульваров и т.д.).

Работами Смагина показано, что в рекреационных зонах на 70% территории уплотнение почвы отсутствует, а вот на газонах лишь на 35%. В последнем случае вероятность переуплотнения снижается по мере удаления от автомагистрали (75% на расстоянии 0,4 м и 47% - 3 м.).

Оптимальной плотностью почвы для растений в верхних горизонтах является величина 0,9-1,15 г/см3. Границей переуплотнения почвы и прерывания развития корней растений считается величина 1,4 для суглинистых и 1,5 г/см 3 для песчаных.

Сильное уплотнение почвы ведет к созданию в корнеобитаемом слое условий, близких к анаэробным. В таких условиях сильно затрудняется рост корней растений. Зеликов установил, что от соотношения рыхлых и плотных участков зависит состояние зеленых насаждений. Если участки с плотностью более 1,1 г/см3 составляет более 30%, то многие деревья страдают суховершинностью.

В урбаноземах из-за присутствия разных количеств строительных и бытовых отходов плотность сложения с глубиной может меняться скачкообразно.

Твёрдость.

Уплотнение почвы сопряжено с возрастанием твердости верхнего горизонта. Максимум твёрдости приходится на почвы на селитебные участки (погружение плунжера на 10 - 30 мм) и минимум - в почвах парков и лесопарков (45 - 60 мм.) . Значительная рекреационная нагрузка (на тропинках) увеличивает твердость в 2-4 раза.

Уплотнение почвы отражается на величине порового пространства. В лесопарках, где почва подвергается незначительному уплотнению, порозность колеблется от 45 до 75%.Уплотнение почвы снижает порозность до 25-45%.

В результате переуплотнения верхнего горизонта в 1,5 раза уменьшается порозность, ухудшается структура, до 10 раз уменьшается фильтрация, на 30% уменьшается плодородный слой, в 2 - 3 раза сокращается "дыхание" почвы, увеличивается обсеменённость анаэробными микроорганизмами в 4 -10 раз. Водно-воздушный режим в таких почвах резко ухудшается, что ведёт к развитию процесса оглеения .

Водопроницаемость.

Исследований мало. Общие закономерности следующие:

1).В верхних горизонтах городских почв по сравнению с природными аналогами водопроницаемость снижается в 2-5 раз, а иногда в десятки раз.

2).Абсолютная величина зависит от целевого использования участка и степени рекреационной нагрузки: естественные почвы -18 мм/мин, в лесопарках - 10-12, в скверах -2-4, а на тропинках -0,63-0,98 мм/мин.

3).Для урбаноземов характерна провальная или мозаичная водопроницаемость, обусловленная наличием пустот и высокой каменистостью профиля за счет строительного и бытового мусора.

Загрязнение почв химическими веществами.

Одним из основных признаков урбогенеза, влияющих на почвообразование, является загрязнение почвы в результате накопления, перемещения загрязнителей. Эти материалы могут быть твердыми (бумага, стекло, пластик, твердые выпадения из атмосферы), жидкими (атмосферные загрязненные осадки, промышленные и канализационные стоки и пр.) и газообразными (инертными или токсичными). Данные по загрязнению почв различными веществами в литературе обширны, как по городам России, так и за ее пределами.

Источниками загрязнения являются выбросы промышленных предприятий, ТЭЦ, автотранспорта, коммунально-бытового сектора.

Как показывают исследования культурного слоя древней части Москвы, здесь заметно накопление свинца, мышьяка, меди и цинка, соединения которых широко использовались человеком при металлообработке, обработке кож и других видах деятельности человека в те времена.

Подвергаясь значительной техногенной нагрузке, почвы города содержат в 5 - 10 раз больше тяжелых металлов (ТМ), чем фоновые. Их содержание может варьировать в пределах 2-3 порядков, а локально превышать ПДК в 5-100 раз (вокруг промышленных предприятий, вдоль автодорог). На закономерности распределения ТМ влияют свойства ТМ, мощность и расположение источника загрязнения, погодных условий, особенности архитектуры, структура города, почвенно-геохимические условия.

Верхние горизонты почв всех УФЦ (кроме лесопарков) содержат Pb и Zn в 3-4 раза выше нормы, а Сd и и Сu в 2-5 раз

Но окарбоначивание городских ландшафтов приводит к связыванию многих ТМ в труднорастворимые карбонатные комплексы и к изменению класса водной миграции.

Наряду с почвами растительность также подвергается атмотехногенному воздействию и загрязнению рядом поллютантов. Содержание металлов в городских растениях достаточно сильно изменяется в зависимости от вида растений, его органа и условий произрастания. Содержание тех или иных ТМ может превышать фоновые в 2-17 раз, но не достигать максимального уровня.

Существенную проблему представляют органические загрязнители, воздействие которых ( например, бензопирена) весьма негативно сказывается на здоровье человека.

Биологические свойства почв

Важнейшей характеристикой биологических свойств почвы является оценка структуры, функций почвенной биоты, которая осуществляется разными методами.

Целлюлазная активность определялась по % разрушенной ткани.

В составе органического вещества целлюлозе принадлежит значительная доля. Наиболее интенсивно разлагают ее бактерии. Смена микробных сообществ почв в городах уменьшает долю грибов и увеличивает бактерий и актиномицентов.

В почвах городов ее показатели превышают те, которые характерны для естественных дерново-подзолистых. По мере увеличения антропогенного прессинга микробиологическая деятельность возрастает: в почвах лесопарков она составляет 23-33%, а скверов и разделительного газона - 34-38%.

Функциональное состояние почвенной биоты можно оценить набором интегральных показателей, например, «дыханием» почвы. Эти показатели указывают на интенсивность протекания процесса, однако не дают представления, в результате жизнедеятельности каких организмов эти процессы происходят. Ряд ученых определяют его по выделению СО2, другие же - О2. Биологическая активность (по выделению СО2) определялась методом субстрат индуцированного дыхания (СИД) в слое 0-10 см.

Базальное дыхание в почвах существенно колеблется: от 1,26 до 3,58 мкг СО2-С/г почвы*час, то есть по отношению к реальной биологической активности зональных дерново-подзолистых почв (2-5 мкг СО2-С/г почвы*час) или уменьшается, или соответствует ей . В материалах исследователей городских почв приводятся значения базального дыхания, варьирующие от 0,1 до 3,2 мкг СО2-С/г почвы*час в зависимости уровня антропогенной преобразованности почв. Однако в искусственно созданных почвах изменение функционирования почвенной микробиоты в городских условиях может быть разнонаправленным .

Показаны различия в реальной биологической активности почв разных элементарных городских ландшафтов. Наибольшая величина базального дыхания почв (3,5 мкг СО2-С/г почвы*час) характерна для территории Битцевского лесопарка.

Усиление прямой антропогенной нагрузки, выражающейся, в основном, в виде рекреации, которая приводит к уплотнению верхних горизонтов почвы и угнетению жизнедеятельности микроорганизмов, определяет снижение базального дыхания до 2,85 мкг СО2-С/г почвы*час на тропиночной сети в лесопарке и 1,3 в почвах селитебного ландшафта.

В почвах селитебно-транспортного ландшафта биологическая активность зависит от времени создания разделительного газона. На вновь созданных газонах она высока и достигает 3,5 мкг СО2-С/г почвы*час, что показывает сопротивление микробных популяций на первых этапах нарушения экосистемных функций почв. На старосозданных газонах усиление антропогенного пресса (накопление атмотехногенных загрязнителей) привело к падению микробиологической активности и величины БД до 1,5 мкг СО2-С/г почвы*час.

Потенциальная биологическая активность исследуемых почв варьирует от 3 до 12 мкг СО2-С/ г почвы/час, что соответствует или ниже значений в почвах естественных лесных биоценозов, где она составляет 8-23 мкг СО2-С/ г почвы/час. Лишь в работе О.В.Семенюк с соавторами (2013) имеются сведения о колебаниях величины потенциальной биологической активности до от 0,01 до 11,8 мкг СО2-С/ г почвы/час в зависимости от функционального использования территории усадьбы «Архангельское».

Закономерности изменения показателя СИД аналогичны базальному дыханию. Наибольшей потенциальной биологической активностью (12 мкг СО2-С/г почвы/час) характеризуются почвы основной территории парково-рекреационного ландшафта. Микробиологическая активность почв дворовых территорий значительно ниже (в среднем 3 мкг СО2-С/ г почвы/час), а на примагистральных участках сильно варьирует.

Известно, что уровень биологической активности (оцененный по СИД), как правило, находится в прямой зависимости от содержания органического углерода в почвах. Материалы по обеспеченности городских почв органическим веществом частично опровергают ее. Наиболее высокое содержание Сорг не соответствует более высокому уровню потенциальной биологической активности. Очевидно, это обусловлено тем, что питательный субстрат здесь представлен углеродом, не всегда доступным микроорганизмам. Этот углерод находится в соединениях, являющихся загрязнителями (продукты неполного сгорания бензина, сажа при трении покрышек автомобилей и т.д.).

Почвенная мезофауна. Обилие почвенных беспозвоночных определяется условиями среды их обитания, которые детерминируются почвенными свойствами. Их численность в почвах отдельных участков колеблется от 24 до 950 экз/м2 , а в ЭГЛ различается в 6 раз свидетельствуя об увеличении вариабельности вдвое по сравнению с почвами Подмосковья.

Особенно негативно на антропогенное воздействие реагирует мезофауна почв СЕЛ и СТ ландшафтов, где вследствие комплекса разных факторов фиксируется минимальная ее плотность (100 экз/м2). В селитебно-транспортном ЭГЛ - это уплотнение, загрязнение продуктами неполного сгорания бензина и последствия применения антигололедных соединений. Во дворовых территориях велико влияние рекреационной нагрузки, приводящей к сплошной вытоптанности и исчезновению травяного покрова. Дефицит питательного субстрата и снижение обеспеченности почв кислородом при высокой плотности угнетают жизнеспособность мезопедобионтов. Наибольшая численность обитающих в почве беспозвоночных (600 экз/м2) наблюдалось в Ботаническом саду МГУ, немногим меньшая - в скверах и парках. Преобладают мезопедобионты (80-100%) в минеральных горизонтах, а максимально сосредоточены в слое 0-10 см. Развитие подстилочного комплекса лимитируется в почвах СЕЛ и СТ ЭГЛ различными факторами: отсутствием подстилки, переуплотнением и т.д.

Величина их биомассы в среднем составляет 30 г/м2, варьируя в почвах отдельных объектов от 5 до 72 г/м2, то есть снижается по сравнению с почвами Подмосковья и практически идентична сведениям по городским. Закономерности изменения биомассы почвенных беспозвоночных в разных ЭГЛ коррелируют с их численностью: наименьшая (18-19 г/м2) характерна для почв селитебно-транспортного и селитебного, а её максимум (60 г/м2) отмечен в постагротехногенном.

В почвах города по сравнению с зональными наблюдается обеднение состава сообществ почвенных животных: обнаружено только 5 из 6 систематических классов: малощетинковые черви, пауки, многоножки, насекомые и брюхоногие .

Подстилочный комплекс мезопедобионтов менее разнообразен и высоко неоднороден: они или отсутствуют, или представлены 1-4 классами. Вследствие высокой мобильности доминируют представители насекомых (44-56%). В минеральных горизонтах почв фиксируются особи 3-5 классов беспозвоночных; наиболее многочисленны люмбрициды и многоножки (от 19 до 67%). Преобладание дождевых червей является свидетельством высокой устойчивости их популяции к меняющимся условиям среды Сохранение многоножек связано с различной специализацией типа питания и активным перемещением.

Для оценочного учета разнообразия и долевого участия классов мезопедобонтов использовался индекс Шеннона (Н), который снижается в исследуемых почвах по сравнению с зональными с 3-4,5 до 0,20-1,96. Аналогичный результат негативных последствий антропогенной деятельности получен и другими исследователями .

Наименьшие изменения в популяциях мезопедобионтов свойственны ПР ландшафту, где присутствуют все исследуемые классы, а индекс (Н) наибольший (1,68). В почвах Ботанического сада отсутствует лишь класс брюхоногих, а индекс несколько ниже. Преобладают (более 50%) многоножки, а доля люмбрицидов составляет около 20%.

На наиболее преобразованных человеком территориях (в СЕЛ и СТ ЭГЛ) почвенные беспозвоночные представлены 3-4 классами, а средний индекс разнообразия снижается до 0,94-0,96 при высоком варьировании по отдельным участкам. Отсутствие особей брюхоногих и пауков обусловлено ухудшением условий их обитания. Низкое проективное покрытие травяного яруса (5-10%) и высокая плотность почв (1,45-1,66 г/см3) угнетают брюхоногих, а открытые поверхности и высокая солнечная радиация определяют высокую миграцию паукообразных. Доминирующими выступают дождевые черви и многоножки.

ФОРМИРОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ПОЧВ.

Формирование, трансформация и эволюция почв в городских условиях обусловлены:

1. Функциональными особенностями использования территории (ЭГЛ).

2.Возрастом. Почвенный покров древних городов имеет широкий спектр возрастов в разных частях города, от древних центров с многометровым культурным слоем и серией погребенных древних естественных и городских почв (возраст от n 100 до 1000 лет) до современных территорий новых микрорайонов, создающихся на месте недавних пахотных или лесных земель, а иногда на полях орошения или свалках ( возраст n1-10 лет).

3.Положением в природной зоне.

Для собственно городских почв (урбаноземов) Строганова выделяет несколько фаз-стадий в формирования почв:

1. Урботехногенная . При современной технологии строительства жилых микрорайонов на больших территориях уничтожается почвенно-растительный покров, почвенно-грунтовая толща нарушается до 3-6 метров.

2.Постурботехногенная. Оставшиеся после строительства неровности рельефа, выемки вместе со строительным мусором засыпаются и выравниваются привозным или местными грунтами.

3. Фаза физической и структурной стабилизации и усадки грунта. Начинается формирование гидрологического режима и первичных растительных сукцессий с начальной стадией почвообразования (единицы лет).

4. Фаза геохимической и биологической стабилизации, биогеохимического круговорота веществ, приводящая к формированию городских почв.

ЭВОЛЮЦИЯ ГОРОДСКИХ ПОЧВ.

В последнее время все чаще высказывается мысль о том, что эволюция почв неразрывно связана с эволюцией ландшафта, с изменением экологических условий, в равновесии с которыми находится почва на определенном этапе своего развития.

В условиях усиливающегося антропогенного воздействия вполне оправданно ожидать качественного и количественного изменения в естественном ходе эволюции. При чем ряд авторов утверждает, что «антропогенная» эволюция накладывается на природную. К сожалению, теория антропогенного почвообразования сегодня не разработана. В литературе имеются лишь единичные предположения. Можно предположить, что это довольно сложный, разнонаправленный процесс, который находится в зависимости от типа городских почв, положения в природной зоне и многих других, пока не установленных факторов.

Развитие разных групп городских почв идет по-разному.

Наиболее полно это направление отражено в докладе Немецкого общества почвоведов (1983). Введена новая таксономическая группа «Урбиковые антросоли» (субстраты, образующиеся в результате деятельности человека). Эти субстраты могут развиваться как сироземы, затем идет аккумуляция гумуса и эволюция их в слаборазвитые почвы (регосоли), а в последствии - в дерновые (ранкеры, рендзины, парорендзины).Более развитые городские почвы могут классифицироваться аналогично природным почвам.

М.Н.Строганова утверждает в своей докторской диссертации, что при определенных условиях урбаноземы развивающиеся на культурном слое эволюционируют в зональные почвы.

Совсем иначе развиваются почвы городских территорий, не испытывающих сильного антропогенного «прессинга»., т.е. почвы лесопарков и парков, где обычно сохраняются естественные почвы.

Имеющиеся в литературе единичные данные по почвам городов, расположенных в лесной зоне (Ярославль, Москва, Нижний Новгород), а также результаты работ студентов нашей кафедры свидетельствуют об «аридизации» лесных экосистем и развитии почв по более южному варианту. Эти города расположены в зоне распространения дерново-подзолистых почв, следовательно можно предположить, что почвы эволюционируют в строну серых лесных. В зависимости от гранулометрического состава возможно проявление двух форм эволюции: трансформирующей (частичное изменение профиля с сохранением ряда признаков и добавлением новых) на тяжелых породах и стирающей (новый почвообразовательный процесс изменяет почву, стирая предшествующий) - на легких. В первом случае развитие почвы, вероятно, направлено по типу серых лесных почв, а во втором - слабонасыщенных бурых лесных.

Подтверждением этому процессу является свидетельство отсутствия классических дерновво0подзолистых почв. Почвы городских лесопарков отличаются слабой дифференциацией по элювиально-иллювиальному типу, большей мощностью гумусового горизонта, более гуматным составом гумуса, снижением доли агрессивных ГК и увеличением ГК, связанных с кальцием, увеличением плотности ГК. Одной из причин является изменение характера БК веществ. Студентами нашей кафедры отмечено увеличение в сотаве травяного яруса лесных городских ЭС доли злаков, обогащение их биомассы зольными элементами и как следствие увеличение в составе ППК обменных кальция и магния, закрепление гумусовых кислот в верхнем горизонте и снижение кислотности. Это ведет к снижению процесса подзолообразования и усиление лессиважа и гумусонакопления, что и характерно для серых лесных почв.

...