Содержание к диссертации
Введение
1 Опыт изучения почвенного покрова и зелёных насаждений урбанизированных территорий 10
2 Методы изучения и картографирования почв и зелёных насаждений в урболандшафтах 25
2.1 Картографирование урбогеосистем с использованием ДДЗ и ГИС 25
2.2 Методы полевого и камерального исследования экологического 28
состояния почв и зелёных насаждений 28
3 Физико-географическая и экологическая характеристика объекта исследования 36
3.1 Физико-географическая характеристика г. Волжского 36
3.2 Динамика урбогеосистем г. Волжского 39
3.3 Особенности развития и современное экологическое состояние г. Волжского как крупного промышленного центра 43
4 Анализ системы озеленения и антропогенно преобразованного почвенного покрова г. Волжский 50
4.1 Пространственный анализ городских почв Волжского по данным ДЗЗ 50
4.3 Ландшафтное зонирование города Волжского 52
4.4 Морфологическое описание почв урбанизированных территорий 58
5 Влияние степени озеленения на экологическое состояния почвенного покрова урбанизированной территории 80
5.1 Анализ плодородия почвенного покрова г. Волжского 80
5.2 Биомониторинг почвенного покрова г. Волжского 85
5.2.1 Ферментативная активность почв 85
5.2.2. Целлюлозолитическая способность почвы .89
5.3 Анализ содержания тяжелых металлов в почвах г. Волжского 93
6 Эколого-экономическая оценка мероприятий по восстановлению санитарно-защитных зон промышленных предприятий 111
Заключение 116
Список литературы 119
- Опыт изучения почвенного покрова и зелёных насаждений урбанизированных территорий
- Ландшафтное зонирование города Волжского
- Анализ плодородия почвенного покрова г. Волжского
- Эколого-экономическая оценка мероприятий по восстановлению санитарно-защитных зон промышленных предприятий
Опыт изучения почвенного покрова и зелёных насаждений урбанизированных территорий
В настоящее время на Земле практически не осталось мест, совершенно не испытывающих влияние человека, при этом специфическую нагрузку испытывают на себе урбанизированные территории. Вопросам урботехногенного преобразования окружающей среды, а также планирования территориального развития городов с учетом интенсификации техногенных нагрузок посвящено множество публикаций российских [8, 15, 22, 26, 66, 102, 126, 127, 131, 132, 151, 161] и зарубежных [177, 186] авторов. Плотная застройка в городах, а также высокая концентрация промышленных предприятий, разрушительно влияют на природное окружение, их воздействие приводит к коренной трансформации природной среды. В урбогеосистемах изменяются рельеф и гидрографическая сеть, формируется особый микроклимат, естественную растительность вытесняет искусственная, сильно изменяется почвенный покров, что приводит к образованию специфических почв и почвоподобных тел [5].
Однако, именно в крупных городах, благодаря их научно-техническому и социально-культурному уровню, возможно достижение оптимального уровня взаимодействия человека с окружающей средой, в первую очередь, за счет создания комплексной и целостной системы озеленения. Зелёные насаждения являются одними из эффективнейших средств улучшения состояния городской среды: они уменьшают загрязненность воздуха в городе, снижают уровень шума на улицах, ионизируют воздух, благотворно влияют на радиационный, температурный и ветровой режимы [130, 163, 178]. Общепринято представление о системе озелененных территорий, которые пронизывают город в виде зеленых клиньев, решая, таким образом, проблему оздоровления среды города. Этому вопросу посвящено большое количество публикаций, из которых уже классическими считаются работы В. В. Владимирова с соавторами [21], В. А. Горохова [34], В. А. Кучерявого [78], В. М. Лукьянова [84], В. Д. Пряхина и В. Т. Николаенко [119], И. Д. Родичкина [124], Н. М. Тюльпанова [150].
Для городов засушливой зоны, имеющих свою специфику в озеленении, касающуюся, в первую очередь, подбора засухоустойчивого ассортимента древесно-кустарниковых пород, в работах А. В. Альбенского [3], Г. П. Озолина [123], Н. В. Лысовой [86], Н. И. Хижняк [157], А. В. Семенютиной [9, 137, 138], Г. В. Подковыровой [106], И. Ю. Подковырова [107], Ю. И. Сухоруких [100] представлены соответствующие рекомендации. Изучением состояния почв под защитными лесными насаждениями, заложив, тем самым, основы такого направления, как «агролесомелиорация почв», занимался В. М. Кретинин [74].
Начиная с Докучаева В. В., т.е. с конца XIX века, в почвоведении изучались, в основном, естественные и сельскохозяйственные почвы. Однако в последнее время было установлено, что почвы городов имеют свою специфику. Они играют большую роль в формировании экологического и санитарного состояния урбанизированных территорий. Таким образом, на современном этапе развития почвоведения инвентаризация, систематика и оценка состояния городских почв, а также изучение их экологических функций становятся первостепенными задачами [114].
Bockheim J. считает, что городские почвы – это «почвенный материал, содержащий антропогенный слой несельскохозяйственного происхождения толщиной более 50 см, образованный путем перемешивания, заполнения или загрязнения поверхности земли на городских и пригородных территориях» [171]. Слой нарушений мощностью в 50 см был выбран почвоведами потому, что любой профиль, претерпевший нарушение, изменение или добавление материала менее этой глубины ведет себя как природное тело.
Следует различать понятия «почвы города» и «городские почвы». К почвам города относятся любые почвы на его территории. Как общее понятие, этот термин включает в себя природные или квазиприродные (например, с естественным профилем, но загрязненные) и собственно городские почвы (урбанозёмы) [116].
На сегодняшний день исследования в урбопочвоведении имеют очень обширную географию. В пределах России уже активно изучаются почвы Москвы [117, 118, 146], Астрахани [144], Волгограда [75-77], Ростова-на-Дону [33], Биробиджана [65], Владивостока [114] и ряда других городов. Исследованиями охвачены крупнейшие города мира [188, 190]. Уже предложено включить почвы города в современную классификационную систему почв России [116].
На сегодняшний день изучение почв города идет в нескольких направлениях. Одно из них рассматривает почвы города как естественные зональные почвы, которые подвергаются различным антропогенным воздействиям, главным образом, химическому загрязнению. Согласно данному направлению, основное отличие почв города от естественных почв видится в повышенном содержании различных загрязняющих веществ, поэтому большое количество научных исследований посвящено анализу химического загрязнения почв городов [52, 91, 98, 101].
Другое направление предлагает рассматривать почвы города как целостный специфический природно-антропогенный объект, для которого характерны свойства, как присущие естественным почвам, так и обусловленные длительным формированием в условиях урбогенеза. Основное сходство обусловлено органо-минеральной сущностью обоих типов почв, их вертикальной и горизонтальной неоднородностью. В антропогенно-преобразованных почвах протекают такие же почвообразовательные процессы (гумусообразование, вынос и перераспределение минеральных компонентов, глееобразование и т.д.), как и в естественных почвах.
Отличия урбанозёмов от природных почв обусловлены, в первую очередь, нарушением естественной структуры, присутствием строительно-бытового мусора и промышленных отходов. В урбанозёмах возможно наличие погребенных культурно-археологических слоев. В урбанозёмах происходит накопление загрязняющих техногенных веществ, повышается плотность, щелочность и окарбоначенность, изменяется тепловой режим, ухудшается аэрация. Следствием всего вышеперечисленного становится сокращение в урбанозёмах биоразнообразия, изменяются состав, численность и структура микрофлоры, ослабляется активность почвенных организмов, в худшем случае происходит формирование патогенной биоты [112].
В урбогеосистемах, как совокупности земель, имеющих различное функциональное назначение, происхождение и возраст, действует ряд негативных факторов, которые мешают полноценной реализации экологических функций почв [112; 114] (рисунок 1).
Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН (ФАО) первоначально была разработана легенда к Почвенной карте мира (Legend to the Soil Map of the World, FAO\UNESCO), где сразу были выделены Антросоли (Antrosols) или Антропосоли – почвы, испытавшие сильное воздействие, приведшее к образованию нового генетического профиля, в том числе и в городах (урбиковые Антросоли). По мере трансформации системы FAO\UNESCO в международную классификацию WRB (World Reference Base for Soil Resources -Мировая Реферативная База почвенных ресурсов), принципы выделения Антросолей изменились и уже в новом варианте WRB 1998 года: техногенные и городские почвы внесены в группу Регосолей (Regosols) – слаборазвитых литогенных почв на рыхлых породах. Кроме того, существует целый ряд национальных классификаций, в которых отражается специфика природных условий и сельского хозяйства конкретных стран. Так, среди антропогенных почв Нидерландов подробно классифицированы различные оторфованные мелиорированные почвы. В классификации почв Китая и Японии высокое классификационное положение занимают различные разности рисовых почв [5].
Признанным авторитетом в области изучения городских почв за рубежом можно считать Ф. Кроула (Ph. J. Craul). В 1992 году вышла в свет его монография «Городские почвы в городском ландшафте» [171], а также целый ряд публикаций [169, 170, 172], раскрывающих различные аспекты трансформации почвенного покрова под воздействием многочисленных факторов городской среды. Также изучению городских почв посвящены работы J. C. Patterson [180], H.-P. Blume [164], E. M. Bridges [167] и других [166, 168, 174].
Ландшафтное зонирование города Волжского
Параметры городской среды целесообразно изучать в рамках отдельных операционно-территориальных единиц, с которыми можно определится, в зависимости от задач конкретного исследования, и классифицировать городской ландшафт по различным критериям. Так, в основу функционального зонирования городов положена дифференциация городской территории по признаку разрешенного использования земельных участков [62, 70, 151]. Используя всего три показателя – застройки, степени озеленения и плотности автотранспортной сети – можно выполнить ландшафтное зонирование, как это было сделано, например, для Москвы [70]. Данный принцип был использован нами для осуществления ландшафтного зонирования города Волжского, однако потребовалась существенная корректировка диапазонов значений каждого показателя. Осреднение данных, полученных в результате анализа космических изображений, о степени застроенности, озеленения и плотности автодорожной сети дало возможность разработать критерии ландшафтного зонирования для Волжского (таблица 6).
Для города Волжского была создана карта ландшафтного зонирования (рисунок 14).
Зеленые насаждения на территории Волжского распределены неравномерно. Кварталы старой и микрорайоны новой застройки имеют одинаковую долю площади под зданиями (18-25%) и дорогами (28-35 %), но сильно различаются по площади древесно-кустарниковой растительности. В кварталах старой застройки доля зеленых насаждений составляет от 35 до 45%, в пределах новой застройки она не превышает 20%. По показателю площади озелененного пространства есть определенное сходство между дачной и индивидуальной малоэтажной застройкой: в обоих случаях доля озелененных пространств превышает 30%. Однако по степени застроенности и плотности дорожной сети эти два таксона сильно разнятся между собой. Доля застройки на дачах не превышает 8%, а для частного сектора доля застройки в среднем выше и составляет от 10 до 15%.
В административных границах города, в целом, незастроенные территории (44%) преобладают над застроенными (25%). Это говорит о потенциальной возможности планирования и конструирования на данной территории экологического каркаса. Вместе с тем, существующая система городского озеленения недостаточна и неравномерна, к тому же новый Генеральный план 2010 года не предусматривает значительного увеличения площади зеленых насаждений [29, 110]. На наш взгляд, сегодня город Волжский переживает затянувшийся период «озеленительной» стагнации.
Система зелёных насаждений современного города формируется из насаждений трёх категорий [34, 37]: общего и ограниченного пользования, специального назначения. К насаждениям общего пользования относится древесно-кустарниковая растительность городских и районных парков, скверов, бульваров, набережных, лесопарков и т. д. Право ограниченного пользования имеют насаждения жилых кварталов, детских, учебных и спортивных заведений, учреждений здравоохранения и других организаций и безвредных в санитарном отношении предприятий. Специальное назначение имеют насаждения санитарно-защитных зон, ботанических садов, питомников, цветочно-оранжерейных хозяйств, а также кладбищ. Согласно М. М. Подколзину [108], в городе Волжском зелёные насаждения распределяются по категориям следующим образом: 54% приходится на долю насаждений общего пользования, 37% ограниченного пользования и 9% на долю насаждений специального пользования.
Для определения современного состояния городских зелёных насаждений в июле 2017 года было проведено обследование насаждений общего пользования в застроенной озеленённой ландшафтной зоне города: между проезжей частью и первым от проезжей части пешеходным тротуаром с обеих сторон улицы Коммунистической и проспекта Ленина (таблица 7). Улица Коммунистическая обследована на участке протяженностью 1,1 км от пересечения с улицей Кирова до площади Свердлова (Приложение Б). Проспект Ленина обследован на участке протяженностью 1,4 км от площади Строителей до площади Свердлова (Приложение В).
Исследование показало, что большая часть насаждений вдоль улицы Коммунистической и пр. Ленина имеет хорошее и удовлетворительное состояние, что обеспечивается за счет постоянной работы служб по благоустройству города: регулярно осуществляются омолаживающие обрезки деревьев, проводится удаление сухих и больных деревьев.
Результаты таксации зелёных насаждений на пробных площадях показали, что неудовлетворительное состояние имеют, в основном, насаждения санитарно-защитных зон промышленных предприятий (Приложение Г).
В целом результаты инвентаризации подтвердили выводы исследователей, изучавших породный состав насаждений города Волжского [104, 108], об их бедном породном составе и недостатке ценных декоративных пород.
Локальное озеленение территории города часто производится в ходе пиар-акций общественных организаций. Так, в апреле 2013 года была проведена акция «Посади дерево» с участием регионального общественного движения Волгоградской области «Счастливый город своими руками» и движения «Витязи», в ходе которой по ул. Сталинградской было высажено более 70 деревьев и кустарников. В октябре-ноябре 2013 года проведены субботники по высадке зеленых насаждений с участием администрации города и представителей УМВД по г. Волжскому, прокуратуры, депутатов Волжской городской Думы, представителей муниципальных предприятий и учреждений, молодежных организаций [46-48].
В целом, темпы озеленения города не увеличиваются, о чем свидетельствуют данные на рисунке 17. График составлен по данным, предоставленным в Комитете благоустройства и дорожного хозяйства г. Волжского (Приложение Д).
Анализ плодородия почвенного покрова г. Волжского
Вредные вещества поступают в почвы городов в результате разрушения и строительства зданий, выбросов транспорта, промышленных предприятий, энергетических станций, слива сточных вод, применения противогололедных химикатов и т.д. В целом, загрязнение почвенного покрова в результате техногенной деятельности приводит к изменению его химического состава, вызывает целый ряд негативных последствий, в частности, потерю способности к биопродуктивности и самоочищению [159].
Для оценки санитарно-гигиенического состояния почв города Волжского в 2014 году проводился геохимический и экологический мониторинг почв.
Так как содержание органических веществ в почве зависит главным образом от поступления опада растительности, то целесообразно проанализировать территории обследуемых микрорайонов по обеспеченности зелеными насаждениями. Для этого были учтены площади зеленых насаждений внутридворовых зон жилой застройки, относительно площади обследуемых микрорайонов (рисунок 22).
Обеспеченность микрорайонов зелеными насаждениями снижается в сторону новой части города (к 37 микрорайону). Таким образом, почвенный покров новой части города подвергается антропогенным воздействиям в большей степени, чем в старой части города, при этом, не имея достаточного количеств зеленых насаждений, которые должны выступать в качестве буферов (стабилизаторов) экологического состояния. Необходима разработка мероприятий по озеленению микрорайонов новой части города.
Для городских почв характерна неравномерность распределения элементов питания, однако общее содержание азота, фосфора и калия в урбаноземах и слабонарушенных почвах достаточно высоко [5, 72].
Одним из важнейших элементов питания растений является азот, значительная часть которого в почве представлена органическими соединениями, при этом в состав гумуса входит свыше 90% от общего содержания азота в почве. Питание растений в основном происходит за счет минеральных соединений азота (нитратов и соединений аммония), которые составляют от 1 до 7 % от общего азота в почве. Нельзя исключать и биологический азот, который поступает в почву в результате азотофиксации растениями и микроорганизмами азота атмосферы. Другим важным биогенным элементом, необходимым для жизнедеятельности растений, является фосфор, который присутствует во всех органах растений в виде фосфорной кислоты, содержащейся в рибо- и дезоксирибонуклеиновых кислотах. При разложении органических соединений в результате деятельности микрофлоры фосфор превращается в минеральные соединения и, таким образом, становится доступным растениям.
Незаменим в минеральном питании растений калий, содержание которого в почве определяется наличием калийсодержащих минералогических элементов (слюд, гидрослюд, полевых шпатов и т.д.). Валовое содержание калия в черноземах и каштановых почвах может достигать 2,7 %, однако важное значение имеет наличие доступного растениям подвижного калия [72, 155].
В результате проведенных анализов почв микрорайонов города Волжского, расположенных на границе селитебной и промышленных зон, а также различных по обеспеченности зелеными насаждениями, были выявлены некоторые особенности распределения элементов питания растений. Максимальное содержание азота аммонийного обнаружено в 8 микрорайоне (32,8 мг/кг) и снижается до минимального значения в 37 микрорайоне (14,3 мг/кг) в 2,3 раза (рисунок 23). Коэффициент корреляции между содержанием азота и площадью
Среднее содержание нитрат-ионов не превысило ПДК ни в одном из микрорайонов. Минимальная концентрация выявлена в 9 микрорайоне (22,1 мг/кг), максимальная концентрация – в 24 микрорайоне (114,6 мг/кг) и практически достигла уровня ПДК (рисунок 24).
В 8-16 микрорайонах процент обеспеченности зелеными насаждениями находится в пределах 25-30%, что способствует активному вовлечению соединений азота в процессы жизнедеятельности растений и почвообразования. В 30 и 37 микрорайонах практически полностью отсутствует растительность, поэтому здесь почвенные процессы замедлены, что способствует минимальному накоплению азота. Уровень нитратов в этих микрорайонах низок.
Показатели содержания фосфора также не превысили уровня ПДК ни в одном из обследованных участков. Максимальная концентрация обнаружена в 10 микрорайоне (181,7 мг/кг), минимальная – в 16 микрорайоне (95 мг/кг). В целом, наблюдается тенденция снижения запасов фосфора в направлении новой части города (рисунок 25).
Максимальная концентрация подвижного калия (рисунок 26) установлена в 8 микрорайоне (1235 мг/кг), что в 2,4 раза больше минимальной концентрации, обнаруженной в 21 микрорайоне (525 мг/кг).
Таким образом, анализ элементов питания в почвенном покрове города Волжского позволил установить, что почва территории города Волжского характеризуется достаточной обеспеченностью калием и азотом аммонийным во всех обследуемых микрорайонах и не требует мер по увеличению содержания этих элементов растительного питания. Содержание нитратного азота достаточное в мкр. 8, 10/16, 16, 17, 21, 30. Мер по увеличению его содержания не требуется. В мкр. 9 и 37 содержание нитратного азота низкое, требуются меры для дополнительного увеличения его содержания в почве данных микрорайонов. В мкр. 10, 22, 24, 24/30 содержание нитратного азота повышенное. Избыточное содержание нитратов в почве может накапливаться за счет использования минеральных и органических удобрений. Рекомендуется в ближайший период не вносить соответствующих удобрений. Содержание валового фосфора в почве всех микрорайонов достаточное и не требует дальнейших мер по увеличению.
Эколого-экономическая оценка мероприятий по восстановлению санитарно-защитных зон промышленных предприятий
Установлено, что санитарно-защитная зона (СЗЗ), обустроенная высадкой деревьев и кустарников в 2-4 раза снижает уровень концентраций различных вредных веществ по сравнению с не обустроенными санитарно-защитными зонами [1, 135, 139]. Учитывая повышенные концентрации подвижных форм тяжелых металлов, обнаруженные в микрорайонах 9, 10, 10/16 и 16 (см. рисунок 51), для создания санитарно-защитного барьера между территорией предприятия ОАО «Волжский подшипниковый завод» (санитарно-защитная зона 300 м) и жилой застройкой целесообразно восстановить участок санитарно-защитной зоны площадью около 13 га. На данном участке насаждениями занято 2,6 га, следовательно, на данный момент защитное озеленение составляет менее 20%. Согласно Руководству по проектированию санитарно-защитных зон промышленных предприятий [128], защитное озеленение санитарно-защитных зон размером от 300 до 1000 м должно занимать площадь не менее 50% от площади зоны.
Исследования автора, а также других ученых [141] показали, что почвы под санитарно-защитными зонами города Волжского по своим морфологическим, водно-физическим, агромелиоративным, агрохимическим свойствам отвечают зональному типу светло-каштановых почв.
Существующие зеленые насаждения на территории СЗЗ должны быть максимально сохранены и включены в общую систему озеленения зоны. При проектировании озеленения СЗЗ следует отдавать преимущество смешанным древесно-кустарниковым растениям, обладающим высокой устойчивостью к загрязнению среды, а также, учитывая климатические особенности региона, высокой засухоустойчивостью и зимостойкостью. Кроме того, обязательным компонентом СЗЗ является газонное покрытие. Используя методическую литературу по подбору ассортимента деревьев и кустарников [9, 128], для озеленения СЗЗ ВПЗ были подобраны 4 древесные и 1 кустарниковая порода. При обследовании участка СЗЗ установлено, что 30 деревьев подлежат удалению как погибшие. К ним относятся практически все экземпляры сосны обыкновенной (10 шт.), а также тополя (7 шт.), вязы и робинии (13 шт.), поэтому при подборе пород для восстановления озеленения СЗЗ отказались от сосны как породы, обладающей слабой устойчивостью к загрязнению среды. Была разработана схема озеленения участка СЗЗ Волжского подшипникового завода (рисунок 52).
Участки зеленых насаждений СЗЗ со стороны промышленного предприятия создаются посадками плотной конструкции изолирующего типа, которые создают 113 на пути загрязненного воздушного потока механическую преграду, осаждая и поглощая часть вредных выбросов. При этом не менее 50% общего числа высаживаемых деревьев занимает главная древесная порода, в данном случае клен ясенелистный. Зеленые насаждения, примыкающие к жилой застройке, можно осуществлять по типу лесопарка, предназначенного для транзитного движения пешеходов. Для оценки экологической эффективности восстановления СЗЗ использовался показатель санирующего эффекта в осаждении пыли растением за период вегетации (таблица 10).
Таким образом, восстановительные мероприятия позволят увеличить санирующий эффект санитарно-защитной зоны в осаждении пыли в 2,4 раза.
Для определения затрат на восстановление санитарно-защитной зоны использовались расценки по состоянию на 2018 год организаций в Волгограде и Волжском, специализирующихся на озеленении, создании газонов и поливе [192 114 194]. Цены на древесно-кустарниковые породы приведены по прайс-листу Нижневолжской станции по селекции древесных пород – филиала ФНЦ агроэкологии РАН на весну 2018 г. [195]. При создании газонного покрытия используются семенные смеси мятлика лугового, овсяницы красной, райграса многолетнего. Создание газона в условиях сухой степи предполагает обязательное наличие полива. Для участков, где деревья и кустарники произрастают группами или одиночно на газоне, наиболее приемлемым способом является сплошной полив зеленых насаждений посредством дождевальных установок.
Суммарные затраты на восстановление участка площадью 13 га СЗЗ Волжского подшипникового завода составил 11,7 млн. руб. (Приложение У). Расчет затрат по видам работ при восстановлении 1 га СЗЗ показал следующее их распределение (рисунок 53), из которого видно, что максимальные вложения требуются для создания газонного покрытия. В результате запланированных мероприятий, озеленение территории повысится с 20% до 56%, общий санирующий эффект увеличиться с 4,8 тонн пыли за период вегетации до 11,6 тонн. По данным [1] максимальная эффективность в улучшении санитарно-гигиенических условий в озелененном пространстве СЗЗ достигается через 8-10 лет.