Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 7
1.1. Экологические функции почв в городской среде 8
1.2. Формирование свойств почв в городской среде 11
1.2.1. Физические свойства 12
1.2.2. Физико-химические и химические свойства 15
1.2.3. Биологическая активность 20
1.3. Классификация городских почв 27
Глава 2. Объекты и методы исследований
2.1. Экологические условия территории исследований 32
2. 2. Методы исследований 51
Глава 3. Формирование свойств почв и ТПО многоэтажных жилых районов городов Пермь, Березники, Соликамск
3.1. Морфология почв и ТПО 54
3.2. Гранулометрический состав ..60
3.3. Физико-химические свойства 64
3.4. Содержание водорастворимых солей 79
3.5. Содержание гумуса и питательных элементов 86
3.6. Содержание микроэлементов 98
3.7. Биологические свойства 137
Выводы 152
Список литературы 154
Приложение 180
Введение к работе
Актуальность темы. Урбанизированные территории занимают около 1% площади суши, на них проживает более половины мирового населения (Почва, город, экология, 1997). В урбанизированной среде при высокой плотности населения и техногенной нагрузке повышена степень экологического риска. В формировании условий городской среды незаменимую роль играет почвенный покров. Почвы определяют условия для произрастания зелёных насаждений, способны сорбировать загрязняющие вещества и удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды, а также от поступления пыли в городской воздух, обладают санитарными и антисептическими свойствами по отношению к биологическим загрязнителям, что в конечном итоге сказывается на состоянии здоровья человека и его генофонде. Способность выполнять эти важнейшие экологические функции зависит от комплекса почвенных свойств и режимов.
В формировании почвенного покрова городов проявляются некоторые общие закономерности: уничтожаются природные почвы, перемешиваются грунты, загрязняются органическими и минеральными веществами, в их состав включается много бытового и строительного мусора и др. В то же время специфика городских почв зависит от региональной направленности процессов почвообразования, истории и возраста формирования города, местных форм современной техногенной деятельности человека. Как «новые» компоненты окружающей среды городские почвы изучены недостаточно.
Цель и задачи исследований. Целью наших исследований являлось изучение экологического состояния почв и техногенных поверхностных
образований (ТПО) многоэтажных жилых районов городов Пермь, Березники и Соликамск.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
Выявить разнообразие почв и ТПО и диагностировать в соответствии с классификацией, разработанной М.Н. Строгановой и др. (Почва, город, экология, 1997) для городских почв таежно-лесной зоны.
Определить основные показатели физико-химического и химического состояния почв и ТПО, определяющие устойчивость зеленых насаждений.
Оценить некоторые показатели биологической активности почв.
Выявить тенденции в развитии техногенного загрязнения почв и ТПО.
Научная новизна. Впервые получена информация о свойствах почв и
ТПО самых густо населенных районов городов Пермского Прикамья.
Оценены значимость и последствия разных видов антропогенной
деятельности, тенденций развития техногенного загрязнения в
формировании комплекса физико-химических, химических и биологических свойств почвенного покрова. Полученные данные позволили впервые оценить способность почв и ТПО выполнять важнейшие экологические функции по оптимизации условий городской среды.
Защищаемые положения.
1. При формировании нового комплекса физико-химических и
химических свойств почв и ТПО значимыми факторами являются: перемешивание и создание новых минеральных слоев из пород разного гранулометрического состава, использование карбонатных материалов при строительстве, торфокомпоста при создании газонов, техногенное загрязнение, применение антигололедных средств.
2. Проявление высокой щелочности, низкое содержание гумуса и азота,
присутствие легкорастворимых солей и солонцеватость, высокое локальное
загрязнение тяжелыми металлами, ослабленная биохимическая активность свидетельствуют о пониженной способности большинства почв и ТПО к выполнению экологических функций по оптимизации свойств городской среды.
Практическая значимость работы. На основании показателей современного состояния почв и ТПО многоэтажных жилых районов городов Пермь, Березники, Соликамск рекомендуются приемы оптимизации биологических свойств:
для снижения щелочности и усиления биологической активности почв и ТПО более широко использовать и периодически обновлять покрытие поверхности слабокислой торфокомпостной смесью; при этом следует контролировать химический состав минерального компонента, чтобы не усилить загрязнение микроэлементами (в частности Ті);
оценку загрязненности почв и ТПО тяжелыми металлами производить, прежде всего, по элементам с устойчивой тенденцией к накоплению (Pb, Zn), загрязненные поверхности покрывать «чистыми» грунтами и торфокомпостом;
для озеленения придорожных полос возле загруженных магистралей применять солеустойчивые травы.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации представлены на Всероссийской конференции «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям», Москва, 2002; конференции молодых ученых «Современные проблемы микробиологии, экологии и иммунологии», Пермь, 2002; XI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и пути решения», Пермь, 2003, Всероссийской научной конференции «Человек и почва в XXI веке», Санкт-Петербург, 2004; XII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и
6 молодых ученых «Экология: проблемы и пути решения», Пермь, 2004; летней итало-российской школе по экологии, Палермо, 2004; IV съезде Докучаевского общества почвоведов России, Новосибирск, 2004.
По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и приложения. Изложена на 180 страницах машинописного текста, приложение на 33 страницах. Работа содержит 24 таблицы и 5 рисунков в тексте, 6 таблиц и один рисунок в приложении. Список литературы включает 273 наименования работ, из них 224 отечественных и 49 зарубежных авторов.
Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР Пермского госуниверситета. Исследования поддержаны грантом РФФИ (01-04-96459).
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору О.З. Еремченко за внимание и помощь в написании диссертации. Особую благодарность автор выражает к.б.н., зав. лаб. ботаники и экологии почв ЕНИ В.И. Каменщиковой, руководившей исследованиями по биологическим свойствам почв, преподавателям кафедры физиологии растений и микроорганизмов за ценные указания и замечания при выполнении диссертационной работы, а также студентам географического и биологического факультета за помощь в сборе и обработке материала.
Экологические функции почв в городской среде
В природных ландшафтах эволюция и развитие негативных процессов
1 . протекает медленно и постепенно, и экосистема успевает к ним приспособиться и перестроиться. Городские системы принципиально отличаются от природных тем, что они подвергаются аварийным катастрофическим воздействиям высокой степени интенсивности процесса, что часто приводит к гибели самой системы. Кроме собственно почвенных процессов, состояние земель может ухудшаться вследствие негативных процессов в воздушной, водной и геологической средах. М.Н. Строганова и А.Д. Мягкова (1996) классифицировали негативные экологические процессы Щ (НЭП), протекающие в почвенной толще, отрицательно воздействующие на экологическое и санитарно-гигиеническое состояние городских почв.
A) Физические НЭП:
1. Эрозия: водная (линейная, плоскостная), ветровая (дефляция и аккумуляция);
2. Нарушение: подтопление, иссушение, подогрев (тепловое загрязнение);
3. Переуплотнение корнеобитаемого слоя и захламление поверхности. Б) Биологические НЭП:
4. Истощение и нарушение органопрофиля;
5. Сокращение биоразнообразия микрофлоры и почвенной мезофауны, изменение ее состава, структуры и численности, заражение патогенными микроорганизмами.
B) Химические НЭП:
6. Внедрение загрязняющих веществ (внутригородские и аварийные выбросы, глобальные массопереносы);
7. Нарушение кислотности и щелочности почв.
Г) Общегородские НЭП:
8. Увеличение запечатанности территорий (уменьшение поверхности продуктивного почвенного покрова), засыпка и срезание естественных почв и грунтов, снижение озелененности.; Таким образом, городские почвы подвергаются сильному воздействию
человека; но, тем не менее, остаются биокосной многофазной системой, состоящей из твёрдой, жидкой и газообразной фаз с непременным участием живой фазы, и выполняют определённые экологические функции. В первую очередь - это пригодность для произрастания зелёных насаждений, способность сорбировать в толще загрязняющие вещества и удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды, а также от поступления пыли в городской воздух. Почва - среда обитания микро-, мезо- и макробиоты (Добровольский,
Никитин, 1996, Структурно-функциональная..., 1999, Добровольский, Никитин, 2000). Она и в городе остается источником элементов питания, кладовой влаги и энергии; стимулирует и ингибирует физиологические и биохимические процессы живых организмов (в неё поступают ферменты и др. активные соединения и сохраняются в ней в активной форме, влияя на жизнь растительных и микробных сообществ).
Благодаря определенным биогеохимическим свойствам и огромной активности поверхности тонкодисперсной части, почва в городе превращается в "депо" токсических соединений и одновременно становится биогеохимическим барьером для большинства соединений (тяжелых металлов, минеральных удобрений, пестицидов, нефтепродуктов и т. д.) на пути их миграции в грунтовые воды и речную сеть. Также почва препятствует вертикальному проникновению в грунт химического и биологического непосредственного загрязнения, является биогеохимическим fe преобразователем грунтов, мусора и свалок (Почва..., 1997, Герасимова и др., 2003). В городской среде почва является газопоглотительным барьером антропогенных газовых примесей, в том числе автотранспорта, ТЭЦ, заводов; она регулирует газовый состав атмосферы путём поглощения и выделения газов (СЬЦ, NH3, С02 и др.). Прямое участие почвы в преобразовании состава воздуха определяется во многом микроорганизмами, для которых она является средой обитания; почва сорбирует микроорганизмы, меняя их активность, скорость размножения, размеры колоний, направленность физиолого-биохимических процессов. Видовой состав почвенных микроорганизмов уникален и сильно изменился по сравнению с природными условиями. Это может привести, в частности, к изменению видового состава экосистем, исчезновению некоторых видов растений или ухудшению условий их существования, т. к. жизненные процессы растений и микроорганизмов тесно взаимосвязаны (Строганова и др., 1997, Артамонова, 2002).
Почва в городе продолжает выполнять и санитарную функцию, обладая определенными антисептическими свойствами, она трансформирует продукты жизнедеятельности и уничтожает патогенную микрофлору. Болезнетворные организмы, попадая в почву, лишаются пищи, их поглощают бактериофаги, с ними конкурируют почвенные микроорганизмы. Выживаемость патогенной микрофлоры зависит от свойств и экологического состояния почвы (Почва, ..., 1997, Структурно-функциональная..., 1999, Артамонова, 2002, Герасимова и др., 2003).
В связи с тем, что почва в городе выполняет важнейшие экологические функции, необходимо её изучение и принятие мер для обеспечения благоприятного экологического состояния почв в городе, что в конечном итоге сказывается на состоянии здоровья человека и его генофонде.
Методы исследований
Исследования проводились на территориях городов Пермь, Березники, Соликамск с 1998 по 2004 гг. Исследовались почвы и техногенные поверхностные образования (ТПО) многоэтажных жилых районов. Описано в общей сложности 114 разрезов. Почвенные разрезы закладывались до глубины более метра. Смешанные образцы для анализов брали с трех стенок разреза в пределах корнеобитаемого горизонта и на некоторых глубинах в зависимости от строения почвенного профиля. Для почвенно-химических анализов использовано около 260 почвенных образцов.
При изучении влияния антигололедных средств на состояние почв придорожных полос пробы отбирались в течение весны и лета 2001, 2002 гг. в 3 срока наблюдений в 5-кратной повторности.
Систематика и диагностика почв и ТПО проводилась согласно классификации московских почвоведов М.Н. Строгановой и др., разработанной для городских почв таежно-лесной зоны (Почва..., 1997; Герасимова и др., 2003).
Свойства почв и ТПО исследовались с применением следующих методик: гранулометрический состав - по Качинскому с подготовкой пирофосфатом натрия, определение рН водной и солевой потенциометрическим методом; содержание карбонатов, кислоторастворимых форм кальция и магния - в солянокислой вытяжке по Молодцову, количественное содержание кальция и магния комплексонометрическим методом (Химический анализ..., 1995); емкость катионного обмена - по методу Е. В. Бобко и Д. Л. Аскинази, валовое содержание углерода - по Тюрину, содержание водорастворимого углерода -по методу Кубеля-Тимана (Агрохимические методы..., 1975); валовое содержание азота, фосфора и калия определяли после сжигания по Гинзбургу: N - по Кьельдалю, Р - фотометрически, К - на пламенном фотометре (Агрохимические методы..., 1975); выделение подвижных форм фосфора и калия проводилось в вытяжке по Кирсанову (Химический анализ..., 1995), с определением калия на пламенном фотометре, фосфора -фотометрически; количество водорастворимых ионов в водной вытяжке: Na + и К+ - на пламенном фотометре, СГ - меркуриметрическим методом; обменный натрий - по Молодцову-Игнатовой; содержание тяжелых металлов определяли в лаборатории УрО РАН полуколичественным спектральным методом с контролем по стандартным почвенным образцам.
Численность, разнообразие и активность микрофлоры изучали чашечным методом посева на плотные питательные среды МЛА, КАА, Эшби, Чапека; содержание азотобактера - методом обрастания почвенных комочков; эмиссию почвой углекислого газа - адсорбционным методом Макарова с предварительным инкубированием почвы с глюкозой и без глюкозы; активность каталазы - объемным методом в свежих и стерильных образцах в кинетике. Фитотоксичность устанавливалась по подавлению прорастания семян и роста проростков пшеницы и газонной смеси (мятлик, полевица).
Полученные данные были обработаны статистическими методами, методами корелляционного, дисперсионного, факторного и дискриминантного анализов с применением пакетов программ Diasta и Statistica.
Содержание микроэлементов
Природные и техногенные механизмы формирования микроэлементного состава почв. Количество микроэлементов в почвах определяется, прежде всего, их содержанием в исходной почвообразующей породе и влиянием почвообразующего процесса на их дальнейшее перераспределение. В процессе урбанизации формируются техногенные аномалии полиэлементного состава. Основными загрязнителями почв города являются промышленные выбросы в атмосферу и сточные воды, автотранспорт, разрушение и строительство зданий. Уровень промышленного загрязнения определяется мощностью предприятий - загрязнителей, продолжительностью их действия и системой очистительных сооружений. Ежегодное поступление со всеми видами отходов крупного города составляет около 5 тыс. тонн Zn, по 2 тыс. т Си и Сг, 1100 т Pb, по 300 т Ni, Sb, W, около 50 т Cd и Mo, около 50 т Cd и Мо, около 50 т Ag и др. (Сает и др., 1985).
Степень загрязнения почв определяется количественным и качественным составом выбросов, удаленностью источников загрязнения, метеорологическими условиями, геохимическими факторами и рельефом. В случае мощных промышленных зон наблюдается слияние аномалий от отдельных источников загрязнения в единую геохимическую аномалию. В городах слабо проявляется вытянутость осей техногенных аномалий по "розе ветров", это связанно с особенностями распределения воздушных ПОТОКОВ в условиях городского ландшафта (Методические рекомендации ..., 1987, 1999; Колесников и др., 2001а).
Выбросы предприятий цветной металлургии содержат до 10-20 химических элементов, вокруг них образуются глобальные геохимические аномалии с сильным загрязнением почв V, Cd, Hg, Со, Ni, Мп, Си, Mo, As и др. Предприятия производства легированных сталей поставляют в почвы много Со, Mo, Bi, Zn; железорудное производство - Pb, Ag, As. Около предприятий энергетической промышленности почвы обогащены металлами, входящими в состав топлива; химическое, нефтехимическое, нефтеперерабатывающее производства - источник загрязнения металлами. Городские свалки и сточные воды загрязняют почвы Си, Pb, Zn, V, Hg, Cd, Sb (Важенин, 1988; Ильин и др., 1991; Глазовская, 1990 и др.).
Насчитывается около 40 химических веществ в выхлопных газах автотранспорта. Возле автомобильных дорог меняется химический состав почв за счёт выхлопных газов и других воздействий автомашин. Загрязнение почв зависит не только от интенсивности движения, но и от климата, рельефа, растительности. Дальность рассеивания выхлопных газов, включающих аэрозоли ТМ, сажу и другие вещества, не превышает 100 м от магистралей, причём в сторону господствующих боковых ветров. Например, наибольшая концентрация РЬ наблюдается обычно на расстоянии 10-15 м, а органических веществ - 50-100 м (Методические рекомендации..., 1987).
Формы нахождения и локализация микроэлементов-металлов в почвах зависят от химических форм, унаследованных от материнской породы, либо от тех, в которых они поступают в почву. В природной почве микроэлементы находятся преимущественно в составе металлсодержащих гипогенных минералов, органического вещества. При техногенном загрязнении в почве происходит накопление преимущественно оксидной и металлической форм, и даже микроскопических капель металлов; микроэлементы-металлы, поступающие с атмосферной пылью, обычно находятся в минеральной форме - в виде силикатов, карбонатов, сульфатов и сульфидов. Когда же они поступают от сжигания угля, преобладают стекловидные частицы. Если микроэлементы поступают в почву при орошении сточными водами, их формы зависят от источника поступления и способа обработки стоков (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
На поведение микроэлементов и формы их соединений в почвах оказывают влияние окислительно-восстановительные условия, реакция среды, концентрация CQz, содержание органического вещества и карбонатов, гранулометрический состав, емкость поглощения и условия водного режима (Перельман, 1979; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Глазовская, 1997).
Попавшие в почву тяжелые металлы (ТМ), прежде всего их мобильная форма, претерпевают различные трансформации. Один из основных процессов, влияющих на их судьбу в почве, - закрепление гумусовым веществом, которое осуществляется в результате образования тяжелыми металлами солей с органическими кислотами, адсорбции ионов на поверхности коллоидных систем или закомплексирования их гумусовыми кислотами. Миграционные возможности ТМ при этом в основном снижаются. Органические вещества важны для переноса и накопления ионов металлов, присутствующих в почвах и водах в виде хелатов с разной устойчивостью, и для поступления этих ионов в корни растений (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991; Глазовская, 1997; Augustyn, Urbaniak, 1979).
Некоторая часть ионов тяжелых металлов адсорбируется на поверхности минеральных частиц. Возможно также их проникновение в межплоскостное пространство глинных минералов или изоморфное замещение ионов других элементов в кристаллической решетке.
Нисходящей миграции ТМ препятствуют гидроксиды и оксиды железа и марганца, которые обычно концентрируются в верхней части профиля почвы. Доля захваченных ими ТМ может быть значительной. Постоянное присутствие в почве соединений ТМ, способных к миграции с током почвенной влаги, может стать с течением времени причиной загрязнения водоемов и почв в пониженных элементах рельефа, т. е. образования вторичных техногенных аккумуляций.
Нормальное распределение микроэлементов в почвах характеризуется увеличением их содержания сверху вниз, от поверхности к почвообразующей породе. При почвообразовании происходит некоторое перемещение тяжелых металлов в профиле почвы. Наблюдается биогенная аккумуляция ряда физиологически важных для растительности элементов -марганца, цинка, отчасти меди. В дерново-подзолистых почвах элювиальный горизонт обедняется ТМ, а иллювиальный - обогащается.
Техногенные аномалии, связанные с выпадением из атмосферы, образуются в самой верхней части почв. Накопление ТМ техногенного происхождения в приповерхностном слое почвы объясняется тем, что основная их часть поступает в форме труднорастворимых или нерастворимых соединений, происходит их накопление в твердой фазе, что, прежде всего, выражается в увеличении их валового содержания (Методические рекомендации ..., 1987; Пащенко, 2002).
В антропогенных почвах городов, образованных на насыпных грунтах, часто перекрывающих загрязнённые отходами почвы, верхний органогенный горизонт может характеризоваться относительно невысоким содержанием загрязнителей, тогда как ниже по разрезу наблюдается резкое увеличение концентрации химических элементов (Методические рекомендации ..., 1987, 1999; Ильин, 1991; Колесников и др., 2001а, 20016). Не исключается нисходящая миграция ТМ, особенно в том случае, когда техногенные осадки или продукты обладают достаточной растворимостью и в верхних горизонтах почвы отсутствуют или слабо развиты биогеохимические барьеры. Помимо «приоритетных» загрязнителей (Pb, Си, Zn, Cd) в городской среде могут накапливаться и малоизученные - Ві, Се, Nb, Sc, Sn, Sr,W,Zr (Ильин, 2004).
Микроэлементный состав почв зеленой зоны г. Перми. Основные почвообразующие породы территории исследований - элювиально-делювиальные суглинки и глины и древнеаллювиальные пески были оценены по микроэлементному составу, сопоставление проведено с кларками осадочных пород (табл. 13). Суглинистые и глинистые породы содержат больше Сг (приблизительно в 1,5-2,0 раза), Мп (1,5-2,0 раза), Zr (1,5 раза), но меньше Sr (2,5 раза), Be (2-3 раза), Sn (2,5-5 раза), V и Ni (1,3-1,6 раза) по сравнению с кларками осадочных пород. Пески аллювиального происхождения характеризуются пониженным содержанием всех исследованных микроэлементов по сравнению с кларками, глинами и суглинками; только Sr в них больше, чем в породах элювиально-делювиального происхождения данной территории. Сравнительный анализ химизма пород имеет особое значение для оценки последствий техногенного загрязнения.
