Часть 4 . почвы урболандшафтов

Цель: рассмотреть трансформацию почв в условиях города; дать характеристику экологии, современную классификации городских почв. Раскрыть существующие подходы к восстановлению городских почв.

Особенности городских почв

Современные города являются специфическими урбаноэкосистемами, в которых одной из базовых компонентов является почва. Выполняя важные средообразующие функции, почва влияет на химический состав воздуха, атмосферных осадков и подземных вод, выступает универсальным физико-химическим и биологическим адсорбентом, поставщиком и регулятором содержания углекислого газа, кислорода и азота в воздухе. Почвы играют большую роль в формировании здоровой городской среды, обеспечивают оптимальные условия для роста и развития растений. Почва как основа экотопа в значительной мере определяет макро- и микроэлементный химический состав произрастающих на ней растений. Почвенный слой поглощает и удерживает загрязняющие вещества, препятствует их проникновению в грунтовые воды.

Высокий уровень антропогенной и техногенной нагрузки на почвы в крупных мегаполисах приводит к их деградации, снижению плодородия и средозащитных функций. В городах на почвенный покров идет селитебное, промышленное, транспортное, сельскохозяйственное, лесотехническое, водохозяйственное и рекреационное воздействие. Современные городские почвы значительно отличаются от естественных почв. При этом на сегодняшний день естественный почвенный покров большей части крупных городов фактически уничтожен. Он сохранился лишь островками в городских лесопарках. Вместо естественных почв в городах сформировались урбаноземы, возникающие в результате перемешивания и загрязнения естественной почвы несвойственными ей строительными материалами, бытовым мусором, нефтепродуктами и отходами промышленного производства. Значительное уплотнение, нарушение структуры и загрязнение почв влияют на состав и развитие растительных сообществ в черте города.

Изучение почв городских территорий - достаточно молодое направление в почвоведении, но уже более ста лет назад основатель нашей науки выдающийся ученый-естествоиспытатель В.В. Докучаев обратил внимание на необходимость обследования Санкт-Петербурга и других городов России. Исследование городских почв сопряжено с целым рядом сложностей, в том числе и методологических. Если естественная почва рассматривается как единая система, то в случае городских почв исследователи в большинстве случаев имеют дело с отсутствием генетических горизонтов и наличием различных по окраске и мощности слоев искусственного происхождения.

Городские почвы - это антропогенно измененные почвы, имеющие созданный в результате человеческой деятельности поверхностной слой мощностью более 50 см, полученный перемешиванием, насыпанием, погребением или загрязнением материалами урбаногенного происхождения (в т.ч. строительно-бытовой мусор). В городских почвах отчетливо проявляются два вида техногенного воздействия: загрязнение и преобразование. Загрязнение почв происходит в результате привнесения не свойственных им элементов, нарушения местами внутрипочвенных связей, не затрагивая при этом ведущих (зональных) геохимических процессов. Преобразование почв происходит в результате их полной деградации (эволюции) с коренным изменением консервативных показателей (валового состава, рН, почвенного поглощающего комплекса и др.).

Отличительные черты городских почв:

Материнской породой часто являются насыпные, намывные или перемешанные грунты, культурный слой. Грунт - субстрат, состоящий из минерального и органического вещества природного и антропогенного происхождения. Плодородный грунт - грунт, искусственно формируемый из минерального и органического материала и обладающий заданными физическими, химическими и биологическими свойствами или состоящий из нарушенного субстрата естественно - природных гумусовых горизонтов. В плодородном грунте не должно быть включений бытового и строительного мусора. Содержание физической глины (фракции < 0,01 мм) - не менее 30-40 %, содержание гумуса - 3-4 %, pH = 5,5-7,0. Почвообразующий грунт - грунт, преобразуемый почвообразующими процессами и обладающий оптимальными свойствами для обеспечения жизнедеятельности растений.

Высокая контрастность и неоднородность почвенного покрова. Почвенный покров крупных городов отличается высокой контрастностью, неоднородностью из-за сложной истории развития города, перемешанности погребенных разновозрастных исторических почв и культурных слоев. Так, в центрах крупных городов России почвы формируются на мощном культурном слое - наследии прошлых эпох, а на окраинах, в районах нового строительства, почвообразование развивается на свежих насыпных или перемешанных грунтах.

Включения строительного и бытового мусора в верхних горизонтах.Для городов очень характерно поверхностное захламление почв. В результате строительства в городах нарушается гумусовый горизонт и вместо него складывается специфический тип покрытия, в котором строительный бытовой мусор – кирпичная крошка, битое стекло, куски асфальта – смешан с компостами или торфопесчаниками. Наличие камней, мусора снижает плодородие почв и препятствует механизированной обработке.

Снижение плодородия городских почв происходит из-за ежегодного отчуждения растительного опада осенью. В результате из биологического круговорота исключаются многие химические элементы, уменьшается содержание органического вещества в почве. Регулярная уборка растительных остатков обрекает городские растения на голодный паек. Ухудшает качество почв и регулярное скашивание газонов. Снижает плодородие городских земель и бедная почвенная микрофлора, малое количество микробного населения. Почти нет в почвах городов таких полезных и непременных членов почвенного населения, как дождевые черви. Нередко городские почвы стерильны почти до метровой глубины. А ведь именно почвенные бактерии переводят мертвые органические остатки в форму, удобную для усвоения корнями растений.

Изменение химических показателей городских почв. Городские почвы имеют ряд характерных особенностей, отличающих от зональных почв естественных ландшафтов. Отличия прежде всего касаются большого разброса величин химических показателей. В целом для городских почв характерно повышенное содержание органического углерода, обогащение сажей (до 5 % вместо нормальных 2-3 %). Содержание органического углерода разнообразно и зависит от богатства перегноем того субстрата, из которого они образовались, а также от способа ухода (применение удобрений, компостов). Очень часто наблюдается большое содержание органического углерода в пробах почв, отобранных вблизи дорог. Это связано с загрязнением их сажей, нефтепродуктами, автотранспортом и не отражает содержание в почве собственно гумуса.

Щелочная техногенная трансформация свойств почв. В городской пыли преобладают макроэлементы - железо, кальций и магний. С этим связаны два геохимических следствия - ожелезнение почв и карбонатизация почв. Карбонатизация почв ведет к увеличению их щелочности, насыщению поглощающего комплекса основаниями, связыванию многих металлов в труднорастворимые карбонаты. В центральных частях крупных городов формируются антропогенно-преобразованные нейтрально-слабощелочные почвы (pH может достигать 8-9), являющиеся карбонатным геохимическим барьером. Щелочная техногенная трансформация городских почв ведет к изменению их буферности, увеличению поглотительной способности, уменьшению возможности выноса и миграционной способности многих поллютантов и, прежде всего тяжелых металлов. При достижении определенного предела подщелачивание сказывается на почвенной флоре и фауне. В степной и пустынной зонах процессы карбонатизации почв менее заметны.

Загрязнение городских почв тяжелыми металлами и нефтепродуктами. Сосредоточение промышленности, теплоэнергетики, автотранспорта и муниципальных отходов ведет к образованию в городских почвах техногенных аномалий тяжелых металлов. Основная часть загрязняющих веществ поступает в городские почвы с атмосферными осадками, с мест складирования промышленных и бытовых отходов. Городские почвы имеют повышенное содержание тяжелых металлов, особенно в верхних (до 5 см), искусственно созданных слоях, которые в 4-6 раз превышает фоновое. За последние 15 лет площадь земель, сильно загрязненных тяжелыми металлами, возросла в городах на треть и охватывает места новостроек. Большую роль в этом загрязнении имеют не только стационарные промышленные (в первую очередь, металлургические) предприятия, но и мобильные источники, особенно автотранспорт, количество которого с увеличением размеров городов постоянно повышается. Если 15-20 лет назад атмосферу городов загрязняли в основном промышленность и энергетика, то сегодня первенство перешло к "химическим фабрикам на колесах" - автотранспорту, на долю которого приходится до 90 % всех выбросов в атмосферу городов. Почти половина загрязняющих веществ попадает в организм человека с почвенной пылью.

К числу приоритетных загрязнителей атмосферы, а, следовательно, и почвы, поступающих с отработанными газами автомобилей, относятся свинец и бензапирен. Содержание их в почвах многих городов значительно превышает предельно допустимые нормы. В почвах 120 городов России в 80 % обнаружено превышение ПДК свинца, около 10 млн. городских жителей постоянно контактируют с загрязненной свинцом почвой. Изучение состояния здоровья населения населенных пунктов в зависимости от уровня загрязнения почв поступившими из атмосферы тяжелыми металлами позволило разработать оценочную шкалу санитарной опасности загрязнения - суммарный показатель загрязнения (СПЗ). Воздействие свинца нарушает функции женской и мужской репродуктивной системы, приводит к росту числа выкидышей и врожденных заболеваний, оказывает влияние на нервную систему, снижает интеллект, вызывает заболевания сердца, нарушения двигательной активности, координации движений, слуха. Ртуть нарушает функции нервной системы и почек, а в больших концентрациях может вызвать паралич. Большие дозы кадмия снижают адсорбцию кальция костной ткани, приводя к самопроизвольным переломам костей. Систематическое поступление цинка приводит к воспалительным явлениям в легких и бронхах, циррозу поджелудочной железы, анемии. Медь вызывает функциональные нарушения нервной системы, печени, почек, снижение иммунитета.

Засоление городских почв. Особый вклад в ухудшение химических свойств почв вносят "снегоносы" - применение зимой солей в целях быстрого освобождения дорожных покрытий от снега. Для этого обычно используют хлористый натрий (поваренную соль), что ведет не только к коррозии подземных коммуникаций, но и к искусственному засолению почвенного слоя. В результате в городах и вдоль автомагистралей появились такие же засоленные почвы, как где-нибудь в сухих степях или на морских побережьях (как оказалось, существенный вклад в засоление придорожных почв в последние годы вносят мощные машины типа джипов, которые, идя на большой скорости, разбрызгивают лужи на дорогах далеко в стороны). Предлагаемые безвредные для растений заменители соли (например, фосфорсодержащая зола) не нашли в России широкого применения.

Особые физико-механические свойства городских почв (пониженная влагоемкость, повышенная объемная масса, переуплотненность, высокая каменистость).Уплотнение почв затрудняет естественное восстановление и развитие растительности.

Изменение гранулометрического состава городских почв. В городах используется большое количество песка для борьбы с гололедом, который затем, в результате работы уборочных машин и деятельности ветра, оказывается на прилегающих к дорогам участках земли. Это приводит к заметному облегчению гранулометрического состава верхнего слоя почв, находящихся не только вблизи дорог, но и на значительном от них расстоянии. Большинство проб имеет легкий (супесчаный или легкосуглинистый) гранулометрический состав.

Рост профиля вверх за счет постоянного привнесения различных материалов и интенсивного эолового напыления. Поступление пыли на поверхность городских почв на порядок и более выше, чем в естественных почвах.

Радиоактивное загрязнение городских почв. Городские почвы принимают на себя весь удар и от радиоактивного загрязнения. Только в Москве насчитывается более полутора тысяч предприятий, использующих для своих нужд радиоактивные вещества. Ежегодно на территории города образуются несколько десятков новых участков радиоактивного загрязнения, ликвидацией которых занимается НПО "Радон".

Ослабление экологических функций городских почв происходит не только из-за сильного загрязнения (почвенный покров перестает быть фильтрационным барьером), но и из-за уплотнения, затрудняющего газообмен в системе почва-атмосфера и приводящего к появлению микропарникового эффекта под плотной (утоптанной) поверхностной коркой почвы. В жаркие летние дни асфальтовые покрытия, нагреваясь, отдают тепло не только приземному слою воздуха, но и в глубь почвы. При температуре воздуха 26-27°С температура почвы на глубине 20 см достигает 37 °С, а на глубине 40 см - 32°С. Это самые настоящие горячие горизонты - как раз те, в которых сосредоточены живые окончания корней растений. Таким образом, для уличных растений создается необычная тепловая ситуация: температура подземных органов у них выше, чем надземных. Из-за уборки опавших листьев осенью и снега зимой городские почвы сильно выхолаживаются и глубоко промерзают - нередко до -10… -15°С. Выявлено, что годовой перепад температур в корнеобитаемом слое городских почв достигает 40-50°С, в то время как в естественных условиях (для средних широт) он не превышает 20-25°С.

Создание искусственных почв. В черте города очень широко распространены привоз и насыпка грунта. Свойства почвы в этом случае будут определяться свойствами привезенного грунта. В настоящее время газоны и зеленые насаждения бульваров и скверов в городах устраиваются в основном на искусственных почвах. Это могут быть почвы, вывозимые с участков сельскохозяйственного назначения, искусственно созданные грунты (торфо-песчаные смеси), компосты различного состава. В качестве основных компонентов при производстве растительных грунтов могут быть использованы: гумусовые горизонты (растительные грунты), изымаемые при строительстве различных сооружений; рыхлые горные породы (супеси, пески, суглинки, глины), добываемые в карьерах и изымаемые при строительстве различных сооружений; различные виды торфа (верховой, переходный, низинный), а также сапропель и биокомпосты, получаемые при компостировании различных видов навоза, птичьего помета, древесных опилок, растительных остатков и др.Классификация городских почв Почвенный покров в условиях города имеет различный генезис. Городские почвы различаются по характеру формирования (насыпные, перемешанные), по гумусированности, по степени нарушенности профиля, по количеству и составу включений (бетон, стекло, токсичные отходы) и т.д. Согласно классификации городских почв, предложенной Строгановой (1997), все почвы города разделены на группы почв: 1. Естественных ненарушенных;2. Естественно-антропогенных поверхностно-преобразованных (естественных нарушенных);3. Антропогенных глубокопреобразованных урбаноземов;4. Почв техногенных поверхностных почвоподобных образований - урботехноземов.Естественные ненарушенные почвы - почвы, сформировавшиеся в соответствующих природных условиях и имеющие полный профиль (все генетические горизонты, соответствующие условиям их формирования). Естественно-антропогенные поверхностно преобразованные почвы - почвы, сформировавшиеся вследствие уничтожения либо замены насыпными незагрязненными грунтами генетических горизонтов верхней части профиля (до 50 см) естественных почв. Они сочетают в себе горизонт "урбик" мощностью менее 50 см и ненарушенную нижнюю часть профиля. Почвы сохраняют типовое название с указанием характера нарушенности (например, урбо-черноземная скальпированная, погребенная и т.д.). В настоящее время отсутствуют строгие номенклатурные названия подобных почв, поскольку они не разработаны и в общей национальной классификации почв России.Урбаноземы - антропогенные глубокопреобразованные почвы искусственного происхождения, созданные в процессе формирования городской среды. В данных почвах горизонт "урбик" имеет мощность более 50 см. Они формируются за счет процессов урбанизации на культурном слое или на насыпных, намывных и перемешанных грунтах мощностью более 50 см, и подразделяются на две группы: · физически преобразованные почвы, в которых произошла физико-механическая перестройка профиля (урбанозем, культурозем, некрозем, экранозем);· химически преобразованные почвы, в которых произошли значительные хемогенные изменения свойств и строения профиля за счет интенсивного химического загрязнения как воздушным, так и жидкостным путем, что и отражается на их разделении (индустризем, интрузем).Тип "Урбанозем"А. Физически преобразованные1. Урбаноземы (собственно) - почвенный профиль состоит из серии диагностических горизонтов U1, U2 и т.д., из своеобразного пылевато-гумусного субстрата разной мощности и качества с примесью городского мусора. Могут подстилаться непроницаемым материалом (асфальтом, фундаментом, бетонными плитами, коммуникациями). Характеризуются отсутствием генетических горизонтов до глубины 50 см и более. Формируются на грунтах разного происхождения и на культурном слое. Собственно урбаноземы занимают селитебные участки, пустыри, заросшие свалки.2. Культуроземы- городские почвы фруктовых и ботанических садов, старых огородов. Характеризуются большой мощностью гумусового горизонта, наличием перегнойно-торфо-компостных слоев мощностью более 50 см, развивающихся на нижней иллювиальной части почвенного профиля, на культурном слое или на грунтах разного происхождения.3. Некроземы - почвы, входящие в комплекс почв городских кладбищ. Перемешанность грунтов более 200 см.4. Экраноземы - экранированные почвы (название условно). Формируются под асфальто-бетонным и каменным покрытием, под зданиями, сооружениями. Их также называют мощенные, запечатанные. В современных городах до 30-40 % площади жилых застроенных зон занимают запечатанные почвы. Наименьший процент «запечатанности» в городах имеют рекреационные зоны, где этот показатель доходит до 10 %.Б. Химически преобразованныеК химически преобразованным и загрязненным почвам могут относиться и техногенно-загрязненные почвы, в которых сохраняется генетический профиль, но произошли значительные хемогенные изменения свойств и строения профиля за счет интенсивного химического загрязнения.5. Индустриземы - почвы промышленно-коммунальных зон, распространены в районах промышленных предприятий, вблизи крупных автомобильных и железных дорог. Сильно техногенно загрязненные тяжелыми металлами и другими токсичными веществами, которые изменяют почвенно-поглощающий комплекс почв, предельно сокращают биоразнообразие почвенной биоты, делают почву почти абиотичной. Уплотненные, бесструктурные, с включениями токсичного непочвенного материала объемом более 20 %. Название условно, их также можно назвать "поллютозем".6. Интруземы - почвы, пропитанные органическими масляно-бензиновыми жидкостями. Они формируются на территории бензозаправочных станций и автомобильных стоянок, когда масло и бензин постоянно проникают в грунт. Название условно, их также предлагается называть "урбохемозем", "нефтезем".Тип "Урботехнозем"Поверхностно-гумусированные урботехноземыНа территории городов, в районах массовой застройки формируются почвоподобные техногенные поверхностные образования (урботехноземы). Они представляют собой созданные искусственно почво-грунты.Урботехноземы (слаборазвитые, молодые, примитивные) различаются по мощности и свойствам гумусированного слоя, составу и свойствам породы.1. Реплантоземы - почвы, которые состоят из маломощного гумусового слоя, слоя торфо-компостной смеси или слоя органо-минерального вещества, нанесенного на поверхность рекультивируемой породы. Формируются в районах городских промышленных и селитебных новостроек, на новых газонах.2. Конструктоземы - почвы, формирующиеся на специально отсыпанных грунтах со слоистой вертикальной структурой, задаваемой исходя из гидрогеологических условий, характера формируемых на них зеленых насаждений и положения в рельефе.3. Почвогрунты- почвы, формирующиеся на антропогенно нарушенных (с инородными включениями, нарушенным сложением и т.д.) грунтах, не подвергавшихся целенаправленной рекультивации на всю глубину корнеобитаемого слоя (до 1,5 метра) и имеющие гумуссированный горизонт (искусственно созданный либо сформированный почвообразующими процессами in situ). Рекультивация городских почв Городские почвы требуют постоянного внимания и контроля над их состоянием. При проектировании почвенного покрова необходимо учитывать уровень химического загрязнения почвообразующего грунта. Степень его загрязнения определяется в санитарном и биологическом аспектах. Характеристика санитарного состояния дается для поверхностного слоя, входящего в сферу жизнедеятельности человека и домашних животных. Мощность этого слоя составляет 30 см. Биологическая характеристика дается для слоя почвы, обеспечивающего нормальное развитие растений и составляющего 2 м.В зависимости от степени захламленности и каменистости, а также насыщенности отдельными химическими элементами определяется необходимость проведения рекультивации городских почв. В случае сверхнормативного загрязнения грунта радиоактивными веществами рекультивацию проводят спецподразделения. Существуют специально разработанные гигиенические нормативы предельно-допустимых и ориентировочно допустимых концентраций (ПДК, ОДК), которые позволяют вычленить и оценить индивидуальную роль каждого элемента в загрязнении. Критерии такой оценки зависят от хозяйственного назначения территорий. В природоохранных и сельскохозяйственных зонах (национальных парках, парках культуры и отдыха, скверах и т. п.) действуют наиболее жесткие требования. В промышленных зонах допустимы значительные уровни загрязнения, регулируемые специальными нормативами. Предельно-допустимые и ориентировочно допустимые концентрации (ПДК и ОДК) тяжелых металлов в почвах утверждены Минздравом России и Госкомсанэпидемнадзором России. Если почва и грунт имеют существенные отклонения от нормы, то требуется их реабилитация, включающая, в соответствии с функциональным зонированием, частичную или полную замену.ТаблицаТребования к качеству городских почв

Показатели почвообразующих слоеви горизонтов	Глубины слоев, см
0-20	20-50	50-150
Физические свойства
Содержание физической глины < 0,01 мм	30-40	20-40	30-40
Плотность сложения, г/см3	0,8-1,1	1,0-1,2	1,2-1,3
Химические свойства
Гумус в/о	4-5	1-0,5	0,5
рН	5,5-6,5	5,5-7,0	5,0-6,0
Содержание ТМ отношение к ОДК	1	1	1
Величина РВ мкр/z	< 20	< 20	< 20
Минимальный уровень обеспеченности минеральным азотом, мг/100 г почвы	4,0	4,0	4,0
Содержание Р2О5 и К2О, мг/100 г почвы (мин. допустимое / оптим.)	10/40 и 35	10/20и 15	10/15и 10
Биологические свойства
Величина патогенных микроорганизмов, шт./грамм почвы	-	-	-
Разнообразие мезофауны, шт. видов	4	3	2
Фитотоксичность, кратность к фону	< 1,1	1,1-1,3	1,1-1,3

В качестве основных компонентов при производстве растительных грунтов для рекультивации городских почв могут быть использованы: гумусовые горизонты (растительные грунты), изымаемые при строительстве различных сооружений; рыхлые горные породы (супеси, пески, суглинки, глины), добываемые в карьерах и изымаемые при строительстве различных сооружений; различные виды торфа (верховой, переходный, низинный), а также сапропель и биокомпосты, получаемые при компостировании различных видов навоза, птичьего помета, древесных опилок, растительных остатков. Требования к этим видам растительных грунтов в отношении показателей загрязнения строги: они не должны превышать 0,9 ПДК и ОДК для большинства элементов, а для свинца, с учетом его быстрого накопления под действием автомобильного транспорта, – 0,5 ПДК. При этом в качестве добавок можно использовать отработанный тепличный грунт и осадки сточных вод, но только после предварительного анализа на содержание водорастворимых солей и токсикантов.

Для «ремонта» существующих почв и грунта используются торф, органические удобрения (компосты) и песок, а для мульчирования поверхности почвы после посева травосмесей – торф и компосты. Почвогрунт и его компоненты, ввозимые в города и используемые на объектах благоустройства и озеленения, должны исследоваться на предмет радиологической безопасности, а также проходить контроль на соответствие экологическим требованиям, предъявляемым по химическим, санитарно-эпидемиологическим и агрохимическим показателям. Биологический и средозащитный потенциал не качественного почвогрунта исчерпывается в течение двух–трех лет после посадки зеленых насаждений.

Контрольные вопросы

1. Как проявляется снижение средозащитных функций городских почв?

2. Как классифицируются почвы в черте города?

3. Перечислить приемы восстановления городских почв.

Литература

1. Владимиров В.В. Урбоэкология. Курс лекций. Москва: Изд-во МНЭПУ, 1999.- 204 с.

2. Перцик Е.Н. Города мира. География мировой урбанизации. Москва: Международные отношения, 1999. 384 с.

3. Почва. Город.Экология / Под общей ред. Акад. РАН Г.В.Добровольского - Фонд "За экологическую грамотность", 1997.- 320 с.

4.Яницкий О.Н. Россия: экологический вызов (общественные движения, наука, политика). Новосибирск: Сибирский хронограф, 2002.- 426 с.