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.