Систематика почв и почвоподобных тел городов южнотаежной зоны Европейской территории России [138]

1. Открытые незапечатанные территории
Почвы				Почвоподобные тела		Грунты
Природные с признаками урбогенеза	Антропогенно-преобразованные			Искусственно созданные		Грунт природный (насыпной, намывной, перемешан­ный и т.д.)	Грунт техногенный (шлаки, золы, отходы и т.д.)
	Поверхностно-преобразованные	Глубоко-преобразованные		Техноземы
	Урбо-почвы	Урбаноземы
		физически	химически
Дерново-подзолистая, аллювиальная и пр.	Урбоподзолистая, урбоаллювиальная и пр.	Урбанозем, культурозем	Интрузем, индустриозем	Реплантозем, конструктозем
2. Закрытые и запечатанные территории
Почвы и почвоподобные тела		Грунты искусственные и естественные			Застроенные
под асфальто-бетонным и другим дорожным покрытием					Под фундаментами зданий и строений
Экранозем		Запечатанный грунт
По природной почве, урбо-почве, урбанозему, технозему		Запечатанные абралиты, петролиты, стратолиты, руделиты и т.д.

Природные ненарушенные почвы сохраняют нормальное залегание горизонтов и приурочены к городским лесам и лесопарковым территориям, расположенным в черте города. Поверхностно-преобразованные почвы (урбо-почвы) сочетают горизонт «урбик» мощностью менее 0,5 м и ненарушенную срединную и нижнюю части почвенного профиля. Собственно урбаноземы характеризуются отсутствием генетических горизонтов до глубины 0,5 м и развиваются обычно на культурных отложениях, состоящих из своеобразного пылевато-гумусного субстрата разной мощ­ности и качества с примесью городского мусора, могут подпираться какой-либо преградой. Культуроземы – городские почвы фруктовых и ботанических садов, старых парков или бывших хорошо окультуренных пашен, отличаются большой мощностью гумусового горизонта разной мощности, развиваются на иллювиальной части почвенного профиля исходной почвы. Индустриоземы – почвы промышленных зон, загрязнен­ные и уплотненные. Под асфальтированными, запечатанными территориями формируются почвы-экраноземы и запечатанные грунты.

В классификационной схеме антропогенно-преобразованных почв Беларуси Г. С. Цытрон (2004) выделяет несколько подклассов почв, характерных для городских территорий (в скобках – типы почв): нарушенные неполнопрофильные (скальпированные, пирогенно-измененные, карьерно-литогенные); нарушенные поверхностно-трансформированные (рекультивированные, погребенные, турбированные); загрязненные (химически-, физически-); техногенно заболоченные (подтопленные, постдренированные). При крупномасштабном картографировании городских ландшафтов гг. Минска и Светлогорска выделено пять групп техногенно-измененных почв: окультуренные, редуцированные, перемешанные, насыпные, экранированные [98].

Продукты техногенеза накапливаются в верхних горизонтах почв, изменяют их химический состав, включаются в природные миграционные циклы. Для того чтобы судить о степени техногенной трансформации городских почв, их сравнивают по химическому составу с естественными фоновыми почвами. На локальном уровне в качестве фоновых чаще всего используют прилегающие к городу особо охраняемые природные территории, пригородные участки или ландшафты-аналоги, не испытывающие техногенного воздействия.

Однако для контроля трансформации городских почв с долговременным характером загрязнения, использование таких подходов не всегда эффективно. Оно не позволяет выявить антропогенное геохимическое воздействие, имевшее место в течение длительного исторического периода, и вычленить вклад современных источников в хемотрансформацию почвенного покрова города. Так, исследования культурных слоев древних городов Новгорода, Пскова н Самарканда показали, что антропогенное геохимическое воздействие в доиндустриальный период уже привело к заметному загрязнению почв этих городов тяжелыми металлами (в среднем в 6–8 раз выше фона) [94].

Поэтому в ряде случаев для оценки трансформации почв урбанизированных территорий применяется показатель «городской педогеохимический фон» – средневзвешенное содержание химических веществ в почвах города или в почвах отдельных функционально-планировочных зон [141]. Вычисленные средние для города содержания элементов являются точкой отсчета при анализе динамики техногенных изменений, выявлении вклада отдельных источников, оконтуривании экологически проблемных территорий. Расчет среднего содержания химических веществ в почвах функционально-планировочных зон позволяет различать педогеохимический фон для участков разного целевого назначения, испытывающих специфическое техногенное воздействие. Так, в г. Минске достаточно четко прослеживается зависимость накопления тяжелых металлов в почвах города от функционального использования территории (рис. 21.9).

Рис. 21.9. Среднее содержание тяжелых металлов в почвах различных функциональных зон на территории г. Минска [142]

Геохимический анализ почв в городах выполняется с целью выявления педогеохимических аномалий и их генезиса, исследования соотношения форм соединений техногенных элементов, определения устойчивости почв к техногенезу, выявления педогеохимических барьеров.

Все техногенные соединения, оказывающие воздействие на почвы, М. А. Глазовская объединила в две группы: педогеохимически и биохимически активных веществ [36]. Педогеохимически активные вещества преобладают по массе в выбросах, отходах, изменяют щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия в почвах. Это в основном нетоксичные и слаботоксичные элементы с высокими кларками – железо, кальций, магний, щелочные элементы и минеральные кислоты. При достижении определенного предела оказываемое ими подкисление или подщелачивание сказывается на почвенной флоре и фауне. Подогеохимически активны и некоторые газы, например, сероводород и метан, изменяющие окислительно-восстановительную обстановку миграции веществ. Биохимически активные вещества воздействуют сразу на живые организмы. Это высокотоксичные элементы с низкими кларками (ртуть, кадмий, свинец, сурьма, селен и др.), образующие более контрастные относительно фона ореолы на территории городов и представляющие опасность для флоры, фауны и человека.

Методика геохимического опробования. Изучение состояния почв города начинается обычно со сплошного сетевого геохимического опробования поверхностных горизонтов (0–10 см) почв с учетом ландшафтной ситуации и функциональных зон. Густота сети зависит от масштаба исследований и обычно колеблется от 1 до 10 точек на 1 км². В случае попадания на схеме отбора намеченной точки на асфальтированную поверхность, здание, ее следует сместить на близлежащий участок. Обязательным условием является отбор почвенных проб на задернованных целинных участках с ненарушенным почвенным покровом. Смешанный образец составляется из пяти единичных проб (отбор методом конверта), отстоящих друг от друга на 10–15 метров и отобранных из верхнего слоя почвы (0–10 см). Во время выполнения работ на пунктах наблюдения описывается рельеф территории, цвет, плотность, агрегатный и механический состав почвы, мощность и состояние гумусового горизонта, состояние растительности, хозяйственное использование территории. В районах интенсивных техногенных нагрузок (на промплощадках, в зонах влияния очистных сооружений и свалок) закладываются дополнительные точки отбора, т.е. сеть почвенно-геохимической съемки сгущается.

В зонах интенсивного техногенного воздействия выполняется также почвенно-геохимическое профилирование. Выбор линий профилей производится с таким расчетом, чтобы проследить изменение концентраций техногенных веществ с удалением от источников и оценить неоднородность почв по способности к их накоплению. На линиях профилей в наиболее типичных для местных ландшафтов условиях закладываются почвенные шурфы. В шурфах вскрываются все генетические горизонты почв. В супераквальных ландшафтах шурф закладывается до уровня грунтовых вод. Отбор проб производится по горизонтам с формированием усредненной пробы. В шурфах, где вскрываются грунтовые воды, фиксируется глубина их залегания и отбирается водная проба. Кроме того, по профилю почв отбираются пробы техногенных новообразований: корки солей, конкреции и другие.

Анализ химического состава почв выполняется обычно с использованием эмиссионного спектрального метода и атомно-абсорбционной спектроскопии. Эмиссионным спектральным методом определяются концентрации более 30 элементов (никеля, кобальта, марганца, титана, ванадия, хрома, свинца, циркония, меди, цинка, бериллия, ниобия, скандия, серебра, молибдена, галлия, вольфрама, иттрия, иттербия, германия, таллия, гафния, висмута, сурьмы, стронция, селена, олова, бора, мышьяка). Чувствительность определения для разных элементов составляет 0,1–n10 мг/кг. С помощью атомно-абсорбционной спектроскопии выполняется определение содержания свинца, кадмия, цинка, меди, никеля, хрома, марганца. Чувствительность определения составляет 0,1–n1,0 мг/кг. Этим же методом с использованием солянокислой и ацетатно-аммонийной вытяжек определяется содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах и других твердых субстратах.

Изучение содержания водорастворимых веществ в почве выполняется агрохимическими методами в водных вытяжках из почв. Определение нефтепродуктов в образцах почв производится флюоресцентным методом или ИК-спектроскопии, основанном на экстракции нефтепродуктов из почвы четыреххлористым углеродом с одновременной очисткой элюатов на окиси алюминия в хроматографической колонке.

Почва в значительной степени способна иммобилизовать соединения металлов за счет процессов сорбции, реакций гидролиза, осаждения на органических и неорганических компонентах почвенно-поглощающего комплекса, переводя их в неподвижные и недоступные для растений формы. Поэтому данные о валовом содержании металлов в почве не всегда могут указать на опасность ее загрязнения. В связи с этим изучается соотношение валовых и подвижных, доступных для растений, форм содержания металлов в почвах.

Основным методом интерпретации и анализа полученных данных является почвенно-геохимическое картографирование. При этом составляются моноэлементные карты, на которых изолиниями или сплошным фоном показано содержание отдельных элементов, и карты суммарного загрязнения почв города несколькими элементами по значениям показателя Z_c.

При формировании перечня аномальных элементов в качестве критерия аномальности чаще всего используется превышение фона в 1,5 раза, эта величина выбрана, исходя из точности эмиссионного спектрального анализа [143]. При статистически достоверном выделении аномалий используются параметры распределения фоновых концентраций: закон распределения, среднее, стандартное отклонение. При этом геохимическая аномалия в почве рассматривается как ореол рассеяния с концентрациями, достоверно превышающими фоновые значения с учетом их фоновой вариации [144]. В качестве критерия аномальности используется в этом случае минимально аномальная концентрация, рассчитываемая по формуле:

K_a = С_ф + 3s/n,

где K_a – коэффициент аномальности, С_ф – среднее фоновое содержание, s – среднее квадратичное отклонение фоновых содержаний, n – число коррелирующихся точек. Отнесение точки к аномалии определяется, таким образом, не только концентрацией элемента в ней, но и в смежных точках. Могут быть выделены аномальные концентрации для одной (K_a = С_ф + 3s), двух (K_a = С_ф + 2s) и девяти (K_a = С_ф + s) коррелирующихся точек. Точки с аномальными концентрациями объединяются в аномалии по внешнему контуру минимально аномальной концентрации с учетом числа точек и их обеспеченности. При этом в состав аномалии попадает и некоторая часть точек с фоновыми концентрациями, что обусловлено неоднородностью полей загрязнения. В итоге получается несколько вариантов контуров с аномальной концентрацией различной обеспеченности [145]. Использование данного подхода эффективно лишь в тех случаях, когда имеется достаточная информация о фоновых вариациях содержаний элементов. Эти условия выполняются далеко не всегда – чаще при крупномасштабных исследованиях почвенного покрова городов и картографировании его состояния.

Важнейшим нормативом, позволяющим оценить степень загрязнения почвы химическими веществами, является ПДК загрязняющих веществ. Для экотоксикологической оценки почв используется показатель кратности превышения ПДК конкретного загрязняющего вещества. По степени загрязнения почвы разделяют на 3 категории: сильнозагрязненные, в которых содержание загрязняющих веществ в несколько раз превышает ПДК; среднезагрязненные, в которых содержание загрязняющих веществ превышает ПДК, но без видимых изменений свойств почв; слабозагрязненные, в которых содержание веществ не превышает ПДК.

Предельно допустимые концентрации неорганических химических веществ в почве устанавливаются в соответствии со значениями допустимых уровней показателей вредности: транслокационного, миграционного водного, миграционного воздушного и общесанитарного. По опасности уровня загрязнения почвы подразделяются на 4 категории: чрезвычайно опасный, опасный, умеренно опасный и допустимый. Критериями для оценки степени загрязнения выступают класс опасности вещества (I–IV классы) и содержание вещества в почве. В последние годы ведется работа по корректировке показателей ПДК в зависимости от значимых факторов, так как миграционная активность элементов существенно зависит от типа почвы, ее механического состава, реакции среды и других показателей. Согласно исследованиям почвоведов [146, 147, 148 и др.], основными факторами, влияющими на подвижность тяжелых металлов в почвах и опасность их перехода в растения, являются щелочно-кислотные свойства почвы, гранулометрический состав и содержание гумуса. Поэтому разработаны ориентировочно допустимые концентрации (ОДК), которые нормируют опасность высокого содержания элементов для различных типов почв (табл.21.11).

Таблица 21.11