Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологические свойства почв городов Ростовской области. Монография

11

- некроземы - почвы, входящие в комплекс почв городских кладбищ; перемешанность грунтов более 200 см.

На территории городов формируются почвоподобные техногенные поверхностные образования (техноземы). Подобные почвы ранее назывались «почва-грунт», «плодородный грунт». Техноземы различаются по качественному составу, мощности, свойствам органогенного слоя (гумусированные, перегнойные, торфо-компостные), составу и свойствам почвообразующего материала.

1.2. УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГОРОДСКИХ ПОЧВ

Являясь естественно-историческим телом, почва в своем развитии проходит разные этапы (стадии): становления, активного формирования и стабильного (динамически равновесного) состояния (Арчегова, Федорович, 1988).

На протяжении последних столетий почвенный покров Земли все более широко подвергается антропогенным воздействиям, которые в той или иной степени меняют функционирование почв, вмешиваются в естественный ход их развития, позволяя говорить об антропогенном периоде позднеголоценовой эволюции почв и почвенного покрова. Среди антропогенных воздействий можно различать прямые, непосредственно влияющие на почву, и косвенные, влияющие на почву опосредованно, через изменение факторов почвообразования (климата, рельефа, почвообразующих пород, растительности и др.) (Лебедева, Тонконогов, 1988).

Скорость и свойства почвенно-геохимических процессов, происходящих в городских ландшафтах, отличаются от таковых в естественных условиях. Городские системы, в отличие от природных, подвергаются катастрофическим воздействиям с высокой степенью

12

интенсивности, что часто приводит к гибели самой системы и образованию новой, а соответственно, и формированию нового почвенного покрова (Герасимова и др., 2003).

История города (строительство и реконструкция жилых и промышленных зон, смены технологий на ведущих предприятиях, перераспределение транспортных потоков) является фактором формирования и постоянного переформирования его специфической геохимической среды (Стурман и др., 2000).

Формирование городских почв во времени может происходить как: -изменение унаследованных почв – преобладает естественная

эволюция в почвах городских лесов и лесопарков с дополнительными признаками урбопедогенеза («почва по почве»);

-образование почв на органо-минеральных перемешанных, насыпных или намывных грунтах в районах новостроек и в средней части города («почва на грунте») – от ноль-момента до настоящего времени;

Все вышеперечисленные модели эволюции осложняются процессами химического и физического загрязнения, подщелачивания, окарбоначивания, засоления и т.д.

Эволюция и трансформация городских почв обусловлены: -хозяйственными и функциональными особенностями использования

разных частей города (жилая зона, промышленная зона, природнорекреационная зона и т.д.);

-субстратом (физико-механические, химические и минералогические особенности культурного слоя, природных и техногенных грунтов, остатков естественных почв);

-возрастом почвенного покрова, который имеет широкий спектр в разных частях города: от древних центров с бывшими монастырскими землями с многометровым культурным слоем и серией погребенных

13

древних естественных и городских почв (возраст n×100-1000 лет) до современных микрорайонов, создающихся на местах недавно бывших пахотных или лесных земель (возраст n×1-10 лет).

Создание современного городского ландшафта и соответственно почвенного покрова при глубоком преобразовании грунтов проходит несколько этапов:

Техногенный этап. При современной технологии строительства жилых микрорайонов полностью уничтожается почвенно-растительный покров, нарушается почвенно-грунтовая толща до глубины 3-6 м, обнажается грунт.

Этап технической рекультивации. После строительства зданий, оставшиеся неровности неорельефа вместе со строительным мусором разнообразного состава и химизма засыпаются, намываются и выравниваются привозными или местными грунтами.

После столь кардинального изменения ландшафта начинается физическая и структурная стабилизация с уплотнением и усадкой грунтов, формирование гидрогеологического режима. После этого развитие может идти двумя путями – или поселяется первичная растительность и формируются эмбриоземы, или, что чаще, проводится этап биологической рекультивации, при котором на грунт наносится плодородный слой почвы или торфо-компостной смеси (Герасимова и др., 2003).

При рытье котлованов и траншей перемешиваются горизонты почвы с материнской и подстилающей породами и появляются различные почвообразования - почвогрунты. Насыпные почвогрунты занимают часто в 2-3 раза больше площади, необходимой под строящийся объект

(Мамаева, 1984).

Таким образом, ведущим фактором почвообразования в большинстве типов доминирующих и субдоминирующих городских ландшафтов

14

(урболандшафтов) является техногенез, часто «перекрывающий» влияние естественных, в первую очередь, биоклиматических почвообразующих факторов. Интерференция различных составляющих техногенеза и природных почвенно-геохимических процессов в городах исключительно сложна. Тем не менее, по характеру геохимического изменения естественных и в разной степени измененных городских почв относительно фоновых почв региона можно судить об уровне их техногенной трансформации (Тютюнник, Горлицкий, 1998).

Участие атмосферы как природного тела в почвообразовании выражается в обмене между ней и почвой лучистой и тепловой энергией, пылью, солями, влагой и газами. Все эти виды обмена являются двусторонними, но в определенных условиях некоторые из них могут приобретать резко выраженную ассиметричность или даже превращаться в односторонний поток вещества или энергии (Роде, 1984).

Человек, построивший большие города, оказал активное воздействие на ландшафт и тем самым на первоначальный климат. Некоторые исследователи настаивают на необходимости выделения такой разновидности климата, как городской. Отличия в климате города и окрестностей иногда равнозначны широтному смещению на 200-300 км к югу. В атмосфере создаются острова тепла и пыли, которые существенно влияют на температуру воздуха и осадки. Центр города в среднем теплее, чем его окраины и окрестности на 3-4◦С (Рощина, Шуралева, 2004).

Ввиду «запечатанности» поверхности большая часть осадков минует почвенное тело, а интенсивное нагревание поверхностей асфальта и городских сооружений способствует перегреву почвы.

Говоря о рельефе как условии почвообразования, следует иметь в виду не только внешний, т.е. рельеф поверхности, но и рельеф внутренний, т.е. форму и относительное положение в пространстве различных слоев

15

почвы и грунта, что имеет значение для возникновения почвенного и грунтового стока.

Как фактор, который влияет на процессы, протекающие в данной почве, имеет значение рельеф не только того участка, который занят ею, но и его отношение к рельефу соседних участков, ибо последним определяется возможность поступления веществ в данную почву со стороны почв соседних участков, и наоборот, возможность отдачи веществ почвам этих участков (Роде, 1984).

Рельеф города влияет не только на водную, но и на воздушную миграцию поллютантов (Касимов, Перельман, 1995).

Антропогенные факторы и источники (шахтные, индустриальногородские воды, удобрения, мелкозем эродированных полей) пополняют природные геохимические потоки примесями механического, взвешенного, растворенного минерального и органического вещества (Ковда, 1985).

В качестве почвообразующих пород в городе могут выступать:

-естественные субстраты;

-культурный слой;

-насыпные грунты;

-намывные грунты.

Для городов характерно образование на естественных почвах мощного культурного слоя, состоящего из строительного материала и отходов города прошлых эпох (Экологические аспекты городских экосистем, 1984).

Толщина или мощность культурного слоя может колебаться от нескольких сантиметров до десятков метров (в Саратове до 12 м, в Москве до 22 м) и характеризуется пестротой даже в пределах небольших участков.

Основная причина трансформации почвенного покрова городов лежит во все прогрессирующей строительной деятельности человечества. С

16

этим связаны изменения почв, включающие снятие, уничтожение или перемещение плодородного слоя, а также накопление, возможно здесь же, вредных промышленных и строительных отходов (Cordsen, 1996).

В состав культурного слоя в современных городах входят самые разнообразные примеси – битый кирпич, камень, строительный мусор, различные предметы домашнего обихода, заброшенные фундаменты зданий, погреба, колодцы, бревенчатые и дощатые настилы, булыжные и асфальтовые покрытия. Среди этих отложений обычно преобладает строительный мусор. Культурный слой представляет собой разновозрастную систему погребенных городских почв.

Одним из основных факторов почвообразования является почвенная микробиота, которая играет ключевую роль в процессах трансформации и деструкции органического вещества почвы, одновременно являясь его составной частью.

Урбанофитоценозы характеризуются, как правило, искусственно сформированными растительными сообществами, и экологическое их функционирование в большей степени определяется вкладом человека: удаление опавшей листвы, внесение органических и минеральных удобрений и т.д.

При сильной запыленности воздуха в городе большое значение имеет способность зеленых насаждений улавливать пыль и аэрозоли. В течение вегетационного периода деревья улавливают 42% пыли воздуха.

Насаждения оказывают положительное влияние на тепловой режим. Кроме того, озелененные территории способны увеличивать влажность воздуха (Ладонина, Ладонин, 2000).

Зелеными насаждениями поглощаются из воздуха и тяжелые металлы, что несколько снижает их концентрацию. Накопление поллютантов в растениях зависит от их толерантности, т.е. их способности

17

переводить соединения металлов в физиологически неактивное состояние

(Beckett, Davis, 1978; Goralch, Gambus, 1992).

Некоторые растения способны поглощать настолько большое количество тяжелых металлов, что их можно использовать для очистки почвы от загрязнений (O`Connor et all, 1990; Wilke, 1991; Antosiewicz, 1992; Marguard et all, 1995).

При этом очень высокое значение твердости по сопротивлению расклиниванию отрицательно действует на жизнедеятельность растений, затрудняя развитие корневой системы (Безуглова, Клименко, 1998).

Деградация травянистой растительности из-за уплотнения почв, их вытаптывания и при проведении земляных и строительных работ может привести к вторичному загрязнению посредством пылеватых и песчаных частиц (Chutke et al., 1995; Ладонина, Ладонин, 2000; Пляскина, Ладонин, 2005).

1.3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СПЕЦИФИКА ПОЧВ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ

Почва является важнейшим элементом городской экосистемы и определяет многие ее особенности. В общем случае городские почвы характеризуются увеличением уплотнения, объемной массы, содержания тонкодисперсных (глинистых) фракций, изменением структуры почвенных горизонтов в сторону слоеватости и формирования крупнопластинчатых отдельностей (Груздев, 1990).

Одной из наиболее характерных особенностей структуры почвенного покрова города является его прерывистость и фрагментарность распространения. Отличительной характеристикой городских почв, особенно почв в центре города, является большое количество антропогенных включений в средней и нижней частях почвенного

18

профиля. Существенное место в профилях городов занимает насыпной грунт, имеющий, по крайней мере, один литологический перерыв.

Для большинства урбаноземов характерно: -отсутствие естественных почвенных горизонтов;

-в профиле почв сочетаются различные по окраске и мощности слои искусственного происхождения;

-скелетный материал представлен в основном строительным и бытовым мусором (кирпичная крошка, куски асфальта, битое стекло, уголь и т.д.) в сочетании с промышленными отходами, торфокомпостной смесью или включениями фрагментов естественных почвенных горизонтов;

-иногда встречаются слои, полностью состоящие из отходов и мусора (Строганова, 1998).

Кроме того, урбаноземы значительно отличаются от естественных почв по физическим свойствам.

Для городских почв слоистость грунтов по гранулометрическому составу имеет важное почвенно-геохимическое значение, так как служит экранирующим и капиллярно-прерывающим барьером.

Важный фактор - содержание мелкозема; он определяет степень влагоемкости. Для городских экосистем характерно привнесение в почву песка и гравия, строительных материалов и промышленных отходов, имеющих размеры гравия и камней.

Другая важная характеристика – форма щебня. Многие городские почвы содержат слои твердых обломков заостренной формы, поэтому в таких субстратах наблюдается слабое проникновение корней и редкая встречаемость дождевых червей.

Для городских почв важным показателем является показатель захламленности, т. е. степень перекрытости поверхности почвы абиотическими наносами, в том числе токсическими. Эту часть почвы

19

можно назвать балластной. Важным фактором является химический состав материала. При его токсичности происходит химическое загрязнение всей экосистемы.

Урбанофитоценозы, выполняющие санитарно-гигиенические и эстетические функции, находятся в жестких условиях существования. Одним из факторов, который вызывает угнетенное состояние или гибель растений в условиях города, является высокая рекреационная нагрузка и, как следствие, вытаптывание почвенного покрова и уплотнение поверхности почвы. В таких случаях затруднено проникновение корней вглубь профиля.

Плотность сложения характеризует способность почвы накапливать запасы доступной влаги для растений, а также воздуха. Плотность почвы влияет на поглощение влаги, газообмен в почве, развитие корневых систем растений, интенсивность микробиологических процессов.

Изменение физических свойств связано с увеличением объемной массы поверхностных слоев почв: на участках с усиленным движением оно доходит до 1,7 г/см3, хотя в хорошо удобренных органическим веществом

условий, близких к анаэробным, изменению структуры почвенных горизонтов, образованию слоеватости и формированию крупнопластинчатых отдельностей (Рохмистров, Иванова,1985).

В зимний период снег в городах подвергается уплотнению, что приводит к потере его теплоизоляционных качеств. Вследствие этого происходит увеличение промерзаемости почвы (Экология урбанизированных территорий, 1987).

Порозность – одно из важнейших свойств почвы, обусловливающее в основном водный и воздушный режим. От величины пор зависит

20

передвижение воды в почве, водопроницаемость и водоподъемная способность, мобильность воды. В лесопарках, садах и на бульварах, где почва почти не подвергается уплотнению, порозность колеблется от 45 до 75%. Уплотнение почвы снижает ее до 25-45%, что приводит к ухудшению вводно-воздушного режима почвы.

С порозностью связаны влагоемкость и воздухоемкость почв. С ухудшением водно-физических свойств уменьшается накопление в ней влаги, особенно в летние месяцы, составляя на уплотненных участках всего до 14% от их влагоемкости.

Для городских почв характерна провальная или мозаичная водопроницаемость, обусловленная наличием пустот в профиле за счет строительного или бытового мусора. Наблюдается зависимость между плотностью сложения почвы и скоростью фильтрации воды в ней. Так, например, в верхних слоях почвы в естественном состоянии водопроницаемость на 60% выше по сравнению со средне вытоптанным участком и в четыре раза выше по сравнению с сильно вытоптанным (Герасимова и др., 2003).

Влажность почвы играет ключевую роль в процессах переноса влаги

иэнергии на границе поверхности суши и атмосферы вследствие испарения, инфильтрации и транспирации (Чухланцев и др., 2004).

Повышение влажности от 20 до 80% от полевой влагоемкости всегда сопровождается увеличением ферментативной активности почвы (Экологическая роль…, 1986).

Большое значение для улучшения экологической обстановки в городе

издоровья его жителей имеет интенсивность газообмена между городской почвой и атмосферой, а также состав газовой фазы почвы, который определяется процессами транспорта газов из атмосферы и внутри почвы. На газовый состав почв в городе влияет, помимо плотности сложения,