Свойства городских почв

Почвы в пределах города обладают определенными специфическими свойствами, наиболее типичными из которых являются: наличие включений строительно-бытового мусора; повышенная уплотненность; тренд в сторону повышенной щелочности; накопление техногенных веществ; наличие патогенных микроорганизмов.

Типичная для центра старого города почва - урбанозем на древнем культурном слое, характеризуется мощным темноокрашенным органическим горизонтом урбик, отсутствием выраженного переходного горизонта В и элювиально-иллювиальной дифференциацией профиля. Профиль городской почвы часто растет вверх за счет напыления или антропогенного поступления материала.

1 Основные данные о свойствах урбаноземов получены при исследовании почв городов таежной природной зоны (работы М.Н. Строгановой с соавт., 1992, 1997, 1998).

Урбаноземы - генетически самостоятельные почвы, обладающие как признаками зональных педогенных процессов, так и специфическими свойствами.

Для них характерен поверхностный органо-минеральный насыпной, перемешанный горизонт с урбоантропогенными включениями, понимаемый как особое природно-антропо-техногенное образование.

В урбаноземах, несмотря на специфичность почвенного профиля и большую засоренность его разного рода твердыми включениями, протекают следующие процессы: гумусообразование и гумусовая аккумуляция; вынос и перераспределение минерального вещества; железо-гумусовая сегрегация; мобилизация и иммобилизация карбонатов; оглеение; структурообразование, включая биогенную переработку; как результат деятельности человека - процесс загрязнения ТМ и полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ); появление патогенных микроорганизмов; сезонное засоление.

Степень выраженности этих процессов различна и зависит от возраста наноса, условий использования участка и ряда других обстоятельств.

При определенных обстоятельствах, вероятно, урбаноземы, развивающиеся на культурном слое или на грунтах, могут эволюционировать в зональные почвы с присущими им свойствами и системой генетических горизонтов.

Морфологические свойства почв

Отличительной характеристикой городских почв, особенно почв в центре города, является большое количество антропогенных включений в средней и нижней частях почвенного профиля. Существенное место в профилях почв городов занимает насыпной грунт, имеющий по крайней мере один литологический перерыв.

С течением времени поверхностный слой приобретает черты горизонта А1. Встречаются погребенные горизонты, более темные из-за аккумуляции органического вещества, более рыхлой консистенции, с повышенным количеством корней и животного населения.

Для большинства урбаноземов, как центрального образа городских почв, характерно: отсутствие естественных почвенных горизонтов; в профиле почв сочетаются различные по окраске и мощности слои искусственного происхождения, о чем свидетельствуют резкие переходы и ровные границы между ними; 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. />Наряду с урбаноземами в городе в парках и лесопарках сохраняются естественные почвы, а также частично аллювиальные пойменные почвы разной степени нарушенное™. Они сочетают в себе ненарушенную нижнюю часть профиля и антропогенно-измененные верхние слои (урбо-почвы).

Все перечисленные почвы различаются в городе: по характеру формирования (насыпные, перемешанные), по гумусированности и оглеенности, по степени нарушенное™ профиля, по количеству и составу включений (бетон, стекло, токсические отходы и т.д.) и другим показателям.

Типы морфологических профилей представлены на рис. 10.8.

Водно-физические свойства почв

Урбаноземы значительно отличаются от естественных почв по физическим свойствам (табл. 10.4).

Гранулометрический состав почвы - важный показатель, который определяет продуктивность городской почвы, степень ее фильтрационной и водоудерживающией способности.

Таблица 10.4

Изменение физических свойств городских почв (поверхностные горизонты)

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

Важный фактор - содержание мелкозема, он определяет степень влагоемкости. Для городских экосистем характерно привнесение в почву песка и гравия, используемого в градостроительстве. Строительный материал, промышленные отходы, механические загрязнители и другие технологические субстраты имеют размеры гравия и камней. Из-за этого

их содержание в городских почвах постоянно увеличивается.

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.

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 напочвенного покрова и уплотнение поверхности почвы. В таких случаях затруднено проникновение корней в глубь 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. Оптимальная плотность пахотного горизонта для большинства культурных растений составляет 1,0-1,2 г/см3, для городских почв она выше (1,4-1,6 г/см3). Эта величина является очень важной характеристикой окультуренности почвы.

Как правило, почвы города сильно переуплотнены с поверхности. Граница переуплотнения горизонта и остановка развития корней начинается с величины 1,4 г/см3 для суглинистых почв и 1,5 г/см3 для песчаных.

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 насыпных почвах эта величина может равняться 0,8-0,9 г/см3. В.Д. Зеликов (19641) установил, что от соотношения рыхлых и плотных участков зависит состояние зеленых насаждений: если участков с объемной массой почв выше 1,1 г/см3 более 30%, то многие деревья страдают суховершинностью. Постепенное уплотнение приводит к изменению структуры почвенных горизонтов, образованию слоеватости и формированию крупнопластинчатых отдельностей (Рохмистров, Иванова, 19852).

Сильное уплотнение почвы ведет к созданию в корнеобитаемом слое условий, близких к анаэробным, особенно в период продолжительных дождей весной и осенью. В таких условиях сильно затрудняется рост мелких (активных) корней древесных и травянистых растений и нарушается процесс естественного возобновления растительности. В уплотненных почвах масса корней в 2,5-3 раза меньше, чем в неуплотненных. Хорошо предохраняет почву от переуплотнения лесная подстилка.

Исследованиями также установлено, что твердость почвы на уплотненных участках газона, где наблюдались изреживание и плохой рост трав, составляла 40-45 кг/см2, тогда как для нормального роста трав требуется, чтобы она была в два раза меньше (Абрамашвили, 1985).

Порозность (скважность) - одно из важнейших свойств почвы, обусловливающее в основном водный и воздушный режим. От величины Зеликов В.Д. Некоторые материалы к характеристике почв лесопарков, скверов и улиц Москвы. // Известия ВУЗов, Лесной ж. 1964. №3, с. 10-15. Рохмистров В.Л., Иванова Т.Г. Изменение дерново-подзолистых почв в условиях крупного промышленного центра // Почвоведение, №5, 1985, с. 71-76.

пор зависит 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 водно-воздушного режима почвы.

С порозностью связаны влагоемкостъ и воздухоемкостъ 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.

Водопроницаемость. Важной характеристикой городских почв является величина способности почв впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. Величина и характер водопроницаемости сильно зависят от степени каменистости, порозности почвы, от ее влажности и химического состава. Существенное значение имеет наличие в почве города камней, трещин и пустот.

Наличие тропиночной сети с сильно уплотненным поверхностным горизонтом нарушает естественное распределение корневой массы, что может стать причиной деградации растительности.

Большое значение для улучшения экологической обстановки в городе и здоровья 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, влажности почвы и др., наличие экранирующего действия искусственных покрытий и утечки природного газа из городской газопроводной сети.

Асфальтовое покрытие, например, практически полностью экранирует почву Одним из негативных последствий затрудненного газообмена является пониженное поступление кислорода: коэффициент диффузии кислорода уменьшается от 3,8x10'2 см2/с на открытом пространстве до 5x10-5 см2/с под асфальтовым покрытием. При таком коэффициенте диффузии, если нет других источников поступления кислорода, его количество недостаточно для жизнедеятельности аэробных организмов и корней деревьев в 10-сантимет- ровом слое почвы. Однако кислород может поступать в почву под асфальтом из трещин и граничащих с дорогой участков, причем наблюдается прямая зависимость количества кислорода в центре дороги от ее ширины.

На газовый состав почв влияют и утечки газа из городских газовых коммуникаций. Во многих странах Западной Европы были зарегистрированы случаи, когда из-за этого происходило усыхание деревьев и кустарников в городе. Вероятно, это явление имеет место и в наших городах, но, по-видимому, ему не уделяется должного внимания.

При поступлении природного газа (в основном это метан, этан, пропан) в почву, значительно (в 50-100 раз) возрастает интенсивность микробиологического окисления метана и других газов ввиду активного развития специфической группы анаэробных микроорганизмов, что увеличивает потребление 02 и продуцирование С02. Исследования показали, что состав газовой фазы разных почв вокруг зон утечки был сходным. Было установлено, что область влияния утечки газа зависит от интенсивности последней и может иметь радиус до 20 м, при этом в радиусе до 11 м образуются полностью анаэробные условия. Вокруг анаэробной зоны образуется неширокая (вследствие очень высокой интенсивности) зона окисления, которую, в свою очередь, окружает зона транзита кислорода из незатронутых участков. Перечисленные зоны имеют практически правильную сферическую форму.

После ликвидации утечки газа происходят существенные изменения численности и состава микроорганизмов и состава газовой фазы почв, однако возвращение последнего в исходное состояние занимает период от нескольких месяцев до года. Последствиями воздействия утечки газа может быть появление в почве неорганических восстановителей (Fe2+, Мп2+, S2 ) или органических кислот. Естественно, утечка газа, последствия и последействия этого явления крайне отрицательно действуют на почвенную фауну и растительность. В развитых странах газовый состав почв в урба- нофитоценозах иногда регулируется с помощью специально разработанных методов, включая создание вентиляционных каналов, компрессорную обработку почв в зонах распространения корней (Craul, 19921).

Признавая исключительную значимость зеленых насаждений в городских условиях и важную роль почвы и ее экологических функций для произрастания растений, необходимо констатировать следующее:

Повышенная щебнистость и карбонатность урбаноземов, бес- структурность, переуплотненность и большая твердость поверхностных слоев отрицательно сказываются на водно-физических свойствах как искусственно созданных, так и сохранившихся естественных почв города и, следовательно, на функционировании урбофитоценозов и всей урбоэкосистемы.

1 Craul Р. G. Urban soils in landscape design. New-York. 1992.

Физико-химические свойства почв

Большинство выбросов различных, в том числе и токсических Bely I ществ и материалов в городскую среду сосредоточиваются на по- /У/ верхности почвы, где происходит их постепенное накопление. Это приводит к изменению химических и физико-химических свойств субстрата.

По основным физико-химическим показателям почвы города значительно отличаются от своих природных аналогов. Данные табл. 10.5 иллюстрируют различие свойств урбаноземов Москвы и дерново-подзолистых почв Подмосковья. Вероятно, в иных природных зонах некоторые тенденции этих различий могут быть иными.

Таблица 10.5

Сравнительная характеристика свойств поверхностных горизонтов урбаноземов г. Москвы и дерново-подзолистых почв Подмосковья

(Строганова, Агаркова, 1992)

Величина кислотности корнеобитаемого слоя городских почв колеблется в широких пределах, но преобладают почвы с нейтральной и слабощелочной средой. В большинстве случаев реакция среды у городских почв выше, чем у зональных (Обухов и др., 1989, 1990). Высокую щелочность городских почв большинство авторов связывает с попаданием в них через поверхностный сток и дренажные воды преимущественно хлоридов кальция и натрия, а также других солей, которыми посыпают тротуары и дороги зимой. Другой причиной является высвобождение кальция под действием осадков из различных обломков, строительного мусора, цемента, кирпича и пр., имеющих щелочную реакцию. Практически повсеместно наблюдается постепенное уменьшение величины pH с глубиной.

Как известно, повышение кислотности до значений, близких к нейтральным, благоприятствует росту большинства растений и способствует активности микроорганизмов, а также связыванию некоторых растворимых соединений тяжелых металлов. Однако дальнейшее подщелачивание может привести к образованию труднорастворимых форм некоторых элементов питания и микроэлементов, и, начиная со значений pH, равных 8-9, делает почву непригодной для роста большинства растений.

Содержание органического углерода в городских почвах варьирует и зависит от его величины в исходном субстрате, а также от применения органических и минеральных удобрений, привнесения органического мусора и т.д. Как правило, количество органического вещества в городских почвах выше, чем в фоновых.

Во всех стародавних почвах, особенно почвах скверов, парков, огородов, содержание гумуса достигает 8-12%, а в среднем 4-6% (Земля- ницкий и др., 1962; Лепнева, Обухов, 1987'). С глубиной оно несколько падает, часто имея скачкообразный характер распределения по профилю. Иногда «старонасыпные» почвы приобретают характер черноземовидных, как это отмечено Л.Т. Земляницким и др. (1962) для Александровского сада Москвы.

В молодых почвах города в составе органического вещества доминируют компостные компоненты и низкогумифицированная фульвокис- лотная фракция.

Степень насыщенности основаниями часто превышает 80-95% и достигает 100%. Для почв большинства парков и городских лесов она обычно составляет меньшую величину. В составе обменных катионов преобладают Са (до 70%) и Mg (до 30%).

Элементы питания растений (N, Р, К) в городских почвах распределяются неравномерно. Большинство исследователей отмечают высокую обогащенность урбаноземов и слабонарушенных почв общим азотом, фосфором и калием. В них же отмечается обогащенность и подвижными формами элементов питания. Для насыпных почв г. Москвы Л.Т. Земля- ницкий с соавторами (1962) отмечали высокую обеспеченность подвижным фосфором (до 100-200 мг/100 г почвы и больше); данные по обес- 1 Лепнева О.М., Обухов А.И. Тяжелые металлы в почвах и растениях территории МГУ. // Вести. МГУ, сер. 7. №1, 1987.

печенности доступным калием довольно пестрые, иногда анализ обнаруживает только следы подвижного калия, а иногда величина достигает 40 мг/100 г и более.

Загрязняющие вещества городских почв. С шестидесятых годов XX в. и по сей день экологов-урбанистов и почвоведов интересует проблема загрязнения городских почв тяжелыми металлами. Необходимо отметить, что этот вид загрязнения почв наиболее изучаем, так как почти каждая публикация, посвященная городским почвам, содержит сведения о загрязнении микроэлементами. Большинство городских экологов считает, что все городские почвы загрязнены тяжелыми металлами. В настоящее время для многих крупных городов мира установлено, что тяжелые металлы поступают в почву в основном из воздуха. На территории городов наибольшее внимание привлекает загрязнение такими элементами, как Pb, As, Си, Zn, Cd, Ni.

Тяжелые металлы вовлекаются в биологический круговорот, передаются по цепям питания и вызывают целый ряд негативных последствий. При максимальном проявлении процесса химического загрязнения почва теряет способность к продуктивности и биологическому самоочищению, происходит потеря экологических функций и гибель урбосистемы. Изменяется состав, структура и численность микрофлоры и мезофауны. «Перегрузка» почвы тяжелыми металлами может полностью или частично блокировать течение многих биохимических реакций. Тяжелые металлы уменьшают скорость разложения органического вещества почв.

История землепользования в старых городах довольно сложна. Загрязнение тяжелыми металлами могло произойти в результате ремесленной и индустриальной деятельности в прошлые века, в результате разрушения и строительства зданий после войн. В общем, при изменении типа землепользования в разные времена происходило накопление субстратов с различными свойствами, в том числе и загрязненных тяжелыми металлами.

Одним из основных источников загрязнения в городах признан автотранспорт. Специалисты насчитывают в выхлопных газах около 40 химических веществ, большинство из них токсичны. Особенно много токсичного свинца, его повышенные концентрации находят на расстоянии более 100 м от автомагистрали.

Большое внимание исследователи уделяют загрязнению почв противогололедными соединениями. С начала семидесятых годов в странах Западной Европы проводятся регулярные исследования влияния NaCl, СаС12 и Ca(N03)2, которыми посыпают дороги в зимнее время, на свойства почв вдоль дорог. Накопление солей в почве может наблюдаться на расстоянии 100 м от дороги, но существенным оно бывает на расстоянии первых 5-10 м. Максимум содержания солей приходится на раннюю весну, минимум на сентябрь-октябрь. К осени Na перемещается из поверхностного горизонта (0-5 см) в более глубокие слои, С1 вымывается. На расстоянии 10 м от дороги десятилетней эксплуатации Na накапливается в количестве 50-70 мг/кг. Встречаются данные об увеличении pH почвенного раствора. Посыпание дорог солью ведет к усилению диспергирования, ухудшению влагопроводности и аэрации почв. Вопрос о последействии хлоридов и выхлопных газов требует дальнейших глубоких и обстоятельных исследований.

К другим загрязнителям, типичным для городских условий, относятся: различные формы пестицидов, унаследованные от агроландшафтов и характерные в основном для новых городских территорий; органические отходы (жидкие стоки животноводческих комплексов, промышленные органические отходы, сточные воды); радионуклиды; ртуть; вещества, попадающие на почву с загрязненными атмосферными осадками.

Включения антропогенных материалов чрезвычайно сильно влияют на все почвенные свойства, ограничивая площадь возможного проникновения корней и распространения микроорганизмов, уменьшают водоудерживающую способность почв. Кальцийсодержащий строительный мусор, пыль, цементная крошка и подобные материалы способствуют подщелачиванию, а разложение других субстратов (пластика и пр.) ведет к высвобождению токсичных веществ и газов.

Важнейшим фактором, влияющим на свойства городских почв, становится загрязненность их тяжелыми металлами, пестицидами, хлор- органическими соединениями и другими токсикантами.

В настоящее время получены обширные материалы об уровнях загрязнения почв в различных городах СНГ и за рубежом. Для 120 городов России в 80% случаев отмечены существенные превышения ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) содержания свинца и других тяжелых металлов в почве. Более 10 млн. городских жителей контактируют с почвой, имеющей в среднем превышение ОДК по свинцу. В большинстве городов содержание свинца изменяется в пределах 30-150 мг/кг при среднем значении 100 мг/кг.

В значительной степени эти показатели определяются видом источника загрязнения, количественным и качественным составом выбросов, удаленностью загрязнителей от источника загрязнения и имеют специфический характер для каждого города и любого участка в нем. Распределение загрязнителей по поверхности почв определяется многими факторами. Оно зависит от особенностей источников загрязнения, розы ветров, геохимических потоков миграции, форм рельефа.

Степень проявления процесса загрязнения определяется как отношение содержания загрязняющего вещества в почве к величине ПДК или другой нормативной величине. Химическое загрязнение тяжелыми металлами определяется по их валовым и подвижным формам.