Содержание к диссертации
Введение
I. Городские почвы, как неотъемлемый элемент экологии городской среды 14
1.1. Урбанизация - мощнейший фактор трансформации окружающей среды 14
1.2. История изучения почв в городе 17
1.3. Место и роль почвы в городской среде 22
1.4. Систематика городских почв 27
1.4.1. Классификация и номенклатура городских почв в России 27
1.4.2. Место городских почв в зарубежных классификациях 37
1.5. Диагностика городских почв 45
1.6. Техногенная трансформация свойств городских почв 49
1.7. Тяжелые металлы в почвах города 57
1.8. Эколого-геохимическое и гигиеническое нормирование почв урболандшафтов 63
II. Ростовская агломерация. Исторические аспекты формирования почвенного покрова. Характеристика условий почвообразования 75
2.1. Исторические аспекты формирования почвенного покрова «Большого Ростова» 75
2.2.Характеристика условий почвообразования Ростовской агломерации 82
III. Объекты и методы исследования 90
IV. Общая характеристика почвенного покрова «Большого Ростова» 99
4.1. Специфика классификации городских почв применительно к Югу Европейской части России. Диагностика городских почв, горизонты и их индексы 99
4.2. Специфика картирования почв «Большого Ростова» 110
V. Влияние города на черноземообразование 129
5.1. Пути морфологической трансформации черноземов в условиях урботехнопедогенеза Юга России 129
5.2. Физические свойства почв Ростовской агломерации 145
5.3. Особенности гумусного состояния почв городских территорий степной зоны 167
5.3.1. Специфика трансформации и миграции органического вещества в почвах урболандшафтов 171
5.3.2. Гуминовые кислоты естественных и антропогенно-преобразованных почв степной зоны 185
5.3.3. Апробация новых методов исследования органического вещества на примере городских почв урболандшафтов Ростовской агломерации 202
5.4. Биологическая активность почв городских территорий 208
5.4.1. Ферментативная активность городских почв 208
5.4.2. Микробиологическая активность запечатанных почв 234
VI. Химическое загрязнение городских почв Ростовской агломерации тяжелыми металлами и его оценка 243
6.1. Приоритетные тяжелые металлы в почвах урболандшафтов Большого Ростова 244
6.2. Валовое содержание микроэлементов в почвах Ростовской агломерации и их профильное распределение в различных типах почв 248
6.3. Диагностические горизонты городских почв, как возможный индикатор экологической оценки 260
6.4. Оценка степени загрязнения естественных и антропоантропогенно-преобразованных почв Ростовской агломерации тяжелыми металлами.. 272
6.5. Генотоксичность городских почв 284
VII. Радионуклидный состав почв урболандшафта Ростовской агломерации 295
7.1. Удельная активность естественных радионуклидов 232Th, 226Ra, 40К и 137Cs в черноземах рекреационных территорий Ростовской агломерации 297
7.2. Удельная активность 232Th, 226Ra, 40K и 137Cs в антропогенно-преобразованных почвах 300
Заключение 303
Выводы 305
Список сокращений и условных обозначений 310
Список литературы 313
Приложения 358
- Классификация и номенклатура городских почв в России
- Специфика картирования почв «Большого Ростова»
- Валовое содержание микроэлементов в почвах Ростовской агломерации и их профильное распределение в различных типах почв
- Удельная активность 232Th, 226Ra, 40K и 137Cs в антропогенно-преобразованных почвах 300
Введение к работе
Актуальность. Возникновение и рост мегаполисов привели к появлению проблем экологического характера, решение которых не терпит отлагательства. Сохранение природы и улучшение состояния окружающей среды являются приоритетными направлениями деятельности нашего государства и общества. Поэтому вопросы экологического состояния почвенного покрова урбанизированных территорий привлекают пристальное внимание ученых, вплоть до появления крупных монографических работ (Burghardt, 1996; Строганова, 1998; Строганова, Мягкова, Прокофьева, 1997; Meuser, 2010; Soils within Cities, 2017). Расширение городов и объединение их в агломерации приводит к интенсивному воздействию человека на окружающую среду, как самого мегаполиса, так и обширных пространств вокруг него. Как правило, площадь воздействия города превышает его территорию в 20– 50 раз (Приваленко, Безуглова, 2003).
Согласно данным, приводимым на конгрессах SUITMA – Soils of Urban, Industrial, Traffic, Miningand Military areas (Москва, 2017), к настоящему времени в городах проживает половина населения земли, к 2030 году эта величина достигнет 60%, а к 2050 году уровня в 70 %.
При этом прогнозы в отношении населения земного шара являются уже свершившимся фактом для ряда государств. Так городское население Германии и Японии превысило порог в 70 % еще в 2000 году (Burghardt, 2017). В настоящее время наиболее урбанизированными странами являются Великобритания (92 % населения проживает в городах) и Кувейт (91 %). В Российской федерации доля городского населения в 2000 г. достигла уровня 65,87 %, а к началу 2018 года – 74,43% от общей численности жителей страны. Другими словами в городах и населенных пунктах, на территории, равной 0,65 % от общей площади, проживает около 3/4 населения, т.е. более 100 млн. человек (Приваленко, Безуглова, 2003; Игнатова, 2010).
Антропогенно-преобразованные почвы городских территорий долгое время не исследовались почвоведами, несмотря на то, что важность таких изысканий обосновал еще В.В. Докучаев, разработавший подробный план-проект изучения почв Санкт-Петербурга (1890). Между тем, почвы, функционирующие в окружающей среде городов, отличаясь чрезвычайной гетерогенностью и гетерохронностью сложения и свойств, являются важным фактором их экологического состояния, в том числе и санитарного. Это обусловливает необходимость систематики и инвентаризации таких почв, а также изучения особенностей их экологических функций (Строганова и др., 1997; Прокофьева и др., 2011; Матинян и др., 2012; Апарин, Сухачева, 2015, Иващенко и др., 2016).
Городские территории уже сейчас представляют собой техногенные геохимические и биогеохимические провинции, в которых города являются центрами концентрации несвойственных природным экосистемам веществ, и зачастую выступают как мощные источники техногенного загрязнения. В сложившихся условиях именно почва – ключевой природный ресурс, являясь основным депонирующим компонентом урбоэкосистемы, она защищает «живое вещество» городов, продолжая выполнять свои экологические функции.
Степень разработанности темы. Работы последних лет внесли большой вклад в развитие представлений о формировании процессов урбопедогенеза, выделения диагностического горизонта урбик и таксономическом положении городских почв в отечественной и международной почвенной классификации.
Изучение городских почв привлекает внимание ученых во многих странах, но исследования в основном сосредоточены на выявлении и мониторинге загрязнения почвенного покрова. Вопросам состава и свойств городских почв, их гумусного состояния, уровня биохимической активности, влияющим на протекторные функции почв, уделяется значительно меньше внимания. Однако эти показатели характеризуются высоким уровнем информативности и могут использоваться как индикаторы степени трансформации и уровня загрязнения почвы в целом, причем на сравнительно ранних стадиях. Комплексные полнопрофильные изыскания позволяют выяснить полноценную картину состояния почв и сопредельных сред, а также отследить особенности доминирующих процессов почвообразования, уровня загрязнения почв, оценить способность почвы выполнять протекторные функции и дать прогноз поступления загрязняющих веществ в сопредельные среды.
Признавая значительные достижения отечественного урбопочвоведения, следует отметить, что исследования почвенного покрова приурочены в основном к городам, расположенным в лесной зоне на кислых почвах. В степной зоне исследования почвенного покрова урболандшафтов с выделением новых диагностических горизонтов и полнопрофильным изучением свойств почв проводились в единичных случаях, и не имели комплексный характер. Не учитывались в работах специфика нативных почв региона, а именно их высокая природная мощность и гумусированность, что, несомненно, накладывает отпечаток на формирование почвенного профиля антропогенно-преобразованных разностей, а также обуславливает особенности процессов трансформации органического вещества, как важнейшей почвенной составляющей. Исследования урболандшафтов Ростовской агломерации позволяют внести весомый вклад в изучение трансформации почвенного покрова и получить новые, актуальные результаты для городских почв, заложить теоретические основы для научной организации почвенно-экологического мониторинга городской среды как для степной зоны, так и других регионов России.
Цель и задачи исследований. Цель исследования – выявить особенности генезиса естественных и антропогенно-преобразованных (АПП) городских почв на примере Ростовской агломерации; изучить специфику трансформации городских почв и определить их классификационное положение в соответствии с Классификацией и диагностикой почв России (КиДПР, 2004), а также обосновать экологическую роль почв в условиях городской среды Юга Европейской части России.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить степень физико-химических преобразований черноземных
почв в условиях урболандшафтов, уделив особое внимание основному процессу черноземообразования – трансформации почвенного органического вещества исследуемых почв. Изучить роль гидролитических и окислительных ферментов в
процессах трансформации органического вещества антропогенно-преобразованных почв;
-
Определить классификационное положение изученных почв с использованием принципов субстантивно-генетической классификации;
-
Адаптировать принципы картографирования почв к условиям крупного промышленного города степной зоны и на этой основе составить почвенную карту-схему Ростовской агломерации;
-
Изучить специфику почвенного покрова различных зон г. Ростов-на-Дону и их геохимических особенностей;
-
С целью оценки протекторных функций почвы определить содержание тяжелых металлов, естественных и искусственных радионуклидов в почвах природных и урбанизированных территорий Ростовской агломерации. Выявить особенности миграции поллютантов по почвенному профилю и оценить степень загрязнения почвенного покрова города в целом;
-
Оценить сохранность протекторных функций почв, различающихся по типу и степени антропогенного воздействия, в ряду: целинный чернозем -залежный чернозем - пахотный чернозем - черноземы под лесопарковыми посадками - реплантированный чернозем - урбостратозем на черноземе -запечатанный урбостратозем на черноземе.
Научная новизна:
Впервые изучены основные типы естественных и антропогенно-преобразованных почв ядра Ростовской агломерации - городов Ростов-на-Дону, Аксай и Батайск, и обозначены их региональные особенности. На основании разнопланового исследования полнопрофильных разрезов и критического анализа полученных данных выявлены особенности трансформации и генезиса городских почв Юга России. Рассмотрена специфика почвенного покрова городской среды, в связи с особенностями функциональных зон города, где особое внимание уделено ведущим почвообразовательным процессам - гумусообразованию и гумусонакоп-лению, а также миграции карбонатов в почвенном профиле. Впервые дана характеристика гумусного состояния с позиций биохимической трансформации основных типов почв урбанизированных ландшафтов степной зоны. На этой основе была выявлена степень сохранности протекторных функций почв по наиболее информативным индикаторам мониторинга гумусного состояния. Изучена специфика почвенного органического углерода: фракционно-групповой состав гумуса, проведена экстракция гуминовых кислот из городских почв и определены их состав, функциональные группы и сняты ИК-спектры.
Впервые изучены особенности накопления доминирующих поллютантов в трансформированных и вновь образованных почвах городов Юга России, выявлены особенности внутрипочвенных геохимических потоков и проведена оценка техногенного загрязнения изученных почв.
Впервые составлена почвенная карта-схема и схема запечатанности почвенного покрова ядра Ростовской агломерации, в основу которой положено выделение почвенных комбинаций с учетом зонирования городов агломерации и прилегающих территорий по типам землепользования (функциональным зонам). При картографировании использованы методы ГИС-технологий и дистанционного
зондирования Земли (ДЗЗ), дешифрование цифровой модели высот (ЦМВ) и ее векторизация.
Теоретическая и практическая значимость. В диссертации обобщены результаты исследований по вопросам урбопочвоведения применительно к южному спектру почв, использованы самые современные методы изучения их физических и химических свойств, что позволило углубить понимание процессов, идущих в почвах под влиянием антропогенного воздействия. Теоретическая значимость работы состоит в том, что эта информация существенно дополняет имеющиеся представления по вопросам генезиса и классификации антропогенно-преобразованных почв городских территорий. В ходе исследований было конкретизировано научное представление о формировании почвенного покрова урболандшафтов Юга России, сформулирована общая концепция трансформации черноземных почв под влиянием процессов урбопедоседиментогенеза.
Полученные знания могут стать основой для мониторинговых исследований
почвенного покрова Юга России, испытывающего избыточное антропогенное
влияние. Результаты исследований могут быть использованы в работе
градостроительных и природоохранных структур. В градостроительном аспекте
информация о почвенном покрове города и степени его запечатанности может
быть полезна для составления нормативных рекомендаций, а также при разработке
проектов детальной планировки территории городских кварталов. Разработанную
карту запечатанности городской территории и методику ее построения можно
использовать при проектировании системы городских водостоков, что позволит
оптимизировать их функционирование с учетом особенностей рельефа, степени
запечатанности территории, особенностей физических свойств почв.
Коммунальные службы и проектные организации могут использовать данные
запечатанности территории при разработке проектов генеральных схем
водоотведения поверхностных вод, проектов централизованных систем
водоотведения поверхностно-ливневых вод с селитебных территорий и промплощадок.
В природоохранном аспекте детальное исследование почвенного покрова городов, в том числе, ненарушенных естественных почвенных разностей, дает основания для выделения особо охраняемых природных территорий (ООПТ) в черте города. Кроме того, результаты данной работы могут быть использованы при контроле экологической ситуации в городе, а также в службе главного дендролога города, при проектировании экологически сбалансированного озеленения городских ландшафтов.
Методология и методы исследований. Методология исследований основана на информационном поиске источников отечественной и зарубежной литературы, в том числе Интернет-ресурсов, обосновании актуальности, формулировке научной гипотезы, определении цели и задач. Программа исследований включала проведение маршрутно-полевых экспедиционных исследований, закладку разрезов и проведение лабораторных опытов, ведение наблюдений, учетов и анализов, статистической обработке полученных данных, анализе и обобщении полученных результатов. Выполнение работы проводилось с использованием общепринятых в почвоведении методик, ГОСТов и оценочных шкал.
Основные защищаемые положения:
1. Формирование почвенных комбинаций, включающих комплекс при
родных и антропогенно-преобразованных почв, различается по функциональным
зонам агломерации в соответствии с разнонаправленным воздействием хозяйст
венной деятельности человека. Это обусловливает чрезвычайную сложность поч
венного покрова, однако использование ГИС-технологий в сочетании с традици
онными методами картографирования позволяет с достаточной точностью созда
вать почвенные картосхемы урбанизированных территорий.
2. В условиях Юга России трансформация почвенного покрова под
влиянием города может происходить различными путями, но общей особенностью
является сохранение в «теле» антропогенно-преобразованных почв полного или
частично редуцированного профиля чернозема. В зависимости от характера зем
лепользования черноземы испытывают различные виды и степень изменения мор
фологии профиля и других свойств, обусловленные стагнацией, консервацией, хе-
мотрансформацией или интенсификацией основных почвообразующих процессов.
-
Особенности физико-химических и биологических свойств почв города определяются степенью выраженности урбопедогенеза, это в свою очередь находит отражение в трансформации ведущего почвообразовательного процесса – гумусообразования и гумусонакопления, а также классификационном положении самих городских почв.
-
В условиях урболандшафтов ведущими функциями городских почв, как естественных, так и антропогенно-преобразованных, становятся утилитарные, при этом на первый план выходит протекторная функция почвы, обеспечивающая стабильность всей урбоэкосистемы в целом и защищающая сопредельные среды от токсикантов. Наиболее информативными показателями антропогенного загрязнения для Ростовской агломерации являются концентрации и особенности распределения в почвенном профиле цинка, свинца, меди и никеля, что вызвано природой этих элементов и спецификой техногенных выбросов в регионе.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность полученных результатов подтверждается соответствующим количеством разрезов (103) и поверхностных проб (более 200), обеспечивающих полноту характеристики исследуемой территории; обширным объемом полученных экспериментальных данных, обработанных методами статистического анализа, подтвердившими достоверность и воспроизводимость полученных результатов. Анализы почв проведены по соответствующим ГОСТам и общепринятым методикам, ряд исследований выполнено с использованием оборудования ЦКП «Биотехнология, биомедицина и экологический мониторинг» и ЦКП «Высокие технологии» Южного федерального университета.
Результаты исследований были доложены на более чем 40 научных и научно-практических конференциях, в том числе международных: Ростов-на-Дону, 1997, 1998, 1999, 2000; 2001, 2002, 2004, 2008, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017; Красноярск, 1997; Москва, 1997, 1998, 1999, 2003, 2014, 2015, 2016, 2017; Санкт-Петербург, 1997, 2003, 2004; Granada, Spain, 1999; Limassol, Cyprus. 2001; Vienna, Austria, 2008; Ulm , Germany, 2013; Махачкала, 2014; Пермь, 2013, 2014; Сыктывкар, 2014; Antalya, Turkey, 2014, Минск, Беларусь, 2015; Донецк, ДНР, 2015; Сара-7
тов, 2015; Mnchen, Germany, 2015; Witzenhausen, Germany, 2015; Елабуга, 2015; Киров, 2016; Иркутск, 2016; Пущино, 2016; Туапсе, 2016; Kanazava City, Ishikawa, Japan, 2016; Воронеж, 2017. Кроме того, материалы исследования были представлены на международных конгрессах и съездах (Monpelier, France, 1998; Bangkok, Thailand, 2002); на съездах Докучаевского общества почвоведов в Суздале, 2000; Ростов-на-Дону, 2008; Петрозаводске, 2012; Белгороде, 2016; на международных конгрессах по городским почвам «Soils of Urban, Industrial, Traffic, Miningand Military Areas, SUITMA» в Essen, 2000, Mexiko, 2015, Москва 2017.
Личный вклад автора. Исследования проводились в период с 2004 по 2017 гг. лично автором или при его непосредственном руководстве, диссертация и автореферат оформлялись по плану, согласованному с научным консультантом, лично автором.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 118 научных работ, в том числе 21 статья в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7-ми глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 448 страницах компьютерного текста, содержит 52 таблицы, 37 рисунков и 5 приложений. Список литературы включает 414 источников, в том числе 106 на иностранном языке.
Классификация и номенклатура городских почв в России
Как уже отмечалось, возросшая за последние десятилетия интенсивность антропогенной трансформации почв, привела к существенному изменению компонентного состава и структуры почвенного покрова больших территорий. Это требовало разработки общей объединяющей концепции классификации антропогенно-преобразованных почв и почвоподобных образований, созвучной с официально принятой к использованию «Классификацией и диагностикой почв СССР» (1977). Однако, несмотря на такой глобальный характер антропогенных трансформаций почвенного покрова и обширную информацию по этим вопросам в специальной литературе, антропогенно измененные почвы до последнего времени рассматривались не как самостоятельные тела со специфическими свойствами и процессами, а как варианты естественных почв, в которых генетическая эволюция осложнена некоторыми дополнительными антропогенными свойствами (Безуглова и др., 2012).
В начале 90-х годов в отечественной литературе существовали различные взгляды на генезис почв городских ландшафтов, а также обнаруживалось разнообразие точек зрения на проблему их классификации (Агаркова и др, 1991; Строганова, 1997). Наиболее близки к решению данной проблемы оказались авторы новой субстантивно-генетической классификации почв, предложенной группой сотрудников Почвенного института им. В.В. Докучаева (Лебедева, Тонконогов, Шишов, 1993; Классификация и диагностика почв России (КиДПР), 2004). Как отмечают И.И. Лебедева с соавторами (2008), отчасти это было связано с тем, что ходе дискуссий и критических обсуждений новой классификации на фоне различного рода замечаний все рецензенты были единодушны в положительной оценке именно классификационных подходов к антропогенно измененным почвам, охватывающих все их разнообразие и встроенных в общую структуру системы «на равных» с естественными почвами. По существу, классификация, используя субстантивную диагностику, и в отношении антропогенно-измененных почв является генетической, рассматривая антропогенные преобразования, как стадии эволюции.
Главный принцип данной классификации – разделение почв на основании различий в строении их генетического профиля как совокупности горизонтов, отражающих в своих свойствах процессы, их формирующие. Такой подход позволяет строить диагностику таксонов на собственно почвенных свойствах, и учитывать в единой системе все поверхностные (и антропогенно преобразованные) тела (Лебедева и др., 1996). Изложенные принципы определенным образом сближают новую классификацию с наиболее распространенными в мире почвенными классификациями: американской (Soil Taxonomy, 1998) и международной системы WRB (2014).
Однако на первых этапах формирования КиДПР городские почвы не были включены в ее состав по той причине, что ко времени ее издания в литературе отсутствовали достаточные фактические основания для рассмотрения городских почв как самобытных образований, заслуживающих статуса самостоятельных объектов классификации. Авторы КиДПР фактически отождествляли городские почвы с общей группой антропогенно-преобразованных почв и техногенных-поверхностных образований (ТПО), формирующихся в результате строительства и эксплуатации дорог и различных промышленных объектов.
Тем не менее, основываясь на данной разработке и на изучении различных подходов к проблеме систематики и классификации городских почв в России и в мировой литературе, М.Н. Строганова (Строганова и др., 1997; Строганова,1998) довольно удачно вписала городские почвы в новейшую классификацию. Это стало «спусковым механизмом» для более системного изучения городских почв различных регионов России, и как следствие, накопленный на настоящий момент большой объем новых данных по различным аспектам образования, строения, свойствам и функционировании почв в условиях урболандшафтов явились главной причиной возвращения к обсуждению «встраивания» городских почв в общую субстантивно-классификационную систему КиДПР (Классификация и диагностика почв России, 2004; Прокофьева и др., 2011, 2014; Лебедева, Герсимова, 2011)
Как отмечает Т.В. Прокофьева с соавторами (2011) выделение в толще городских отложений и описание свойств почвенных горизонтов «урбик» ознаменовало начало изучения городских почв с позиции генетического почвоведения и создание классификации городских почв на примере г. Москва. На протяжении двадцати лет М.Н. Строгановой с соавторами (1997, 1998, 2000, 2005, 2008) разрабатывались авторские классификационные схемы для описания городских почв природной зоны южной тайги.
В связи с недостаточной проработанностью в конце 90-х годов прошлого столетия классификационных таксономических понятий "отдел, тип, подтип" для антропогенных почв и техногенных поверхностных образований, М.Н. Строгановой были выделены таксоны на уровне групп и подгрупп. Все почвы города, аналогично антропогенно преобразованным в предложенной «Классификации почв России» (1997), были разделены на группы:
естественные ненарушенные почвы;
естественно-антропогенные поверхностно преобразованные;
антропогенные глубоко преобразованные почвы - урбаноземы;
техногенные поверхностные почвоподобные образования - урботехноземы.
На данном этапе создания классификации почв г. Москва, было дано первое отечественное определение диагностического горизонта "урбик". Это поверхностный насыпной, перемешанный горизонт, часть культурного слоя мощностью более 50 см, с примесью - более 5% - антропогенных включений (строительно-бытового мусора, промышленных отходов) Его верхняя часть гумусирована. Наблюдается нарастание горизонта вверх за счет пылевых атмосферных выпадений, эоловых перемещений, антропогенной деятельности.
В итоге систематика городских почв г. Москва сводилась к следующему разделению указанных выше классификационных групп и описанию их основных морфологических признаков.
Естественно-антропогенные поверхностно преобразованные почвы в городе подвергаются поверхностному изменению почвенного профиля менее 50 см мощности. Они сочетают в себе зачатки горизонта урбик мощностью менее 50 см и ненарушенную нижнюю часть профиля. Почвы сохраняют типовое название с указанием характера нарушенности (например, урбо-подзолистая скальпированная, урбочернозем, погребенная и т.д.).
Антропогенные глубоко преобразованные почвы образуют группу собственно городских почв урбаноземов, в которых 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 2 группы:
Физически преобразованные почвы, в которых произошла физико-механическая перестройка профиля (урбанозем, кулътурозем, 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).
Кроме этого, на территории городов формируются почвоподобные техногенные поверхностные образования - урботехноземы. Они представляют собой искусственно созданные путем обогащения плодородным слоем или торфо-компостной смесью насыпных или других свежих грунтов почвогрунты. Среди них выделяют реплантоземы, конструктоземы. Следующим этапом в совершенствовании классификации городских почв г. Москва явились работы Т.В. Прокофьевой с соавторами (2010, 2011).
Разработка систематики почв Москвы была проведена на основе предшествующего многолетнего опыта с учетом принципов и структуры «Классификации и диагностики почв России» (2004), с использованием концепции городского почвообразования М.Н. Строгановой с соавторами (1997,1998) и концепции эталонирования. Под эталонированием Т.В. Прокофьева, вслед за французскими коллегами, подразумевает четкое определение, по возможности приведенное в количественные рамки, создавшихся в коллективном сознании ученых образов горизонтов или почв на уровне типа для избежания противоречий в диагностике, дублирования и наложения центральных образов (Referentielpedologique, 2000, цит. по Прокофьевой, 2011).
Одним из отличий созданной Т.В. Прокофьевой с соавторами систематики почв Москвы от КиДПР и других классификаций городских почв является назначение стандартной глубины исследования для описания профиля (1 метр в соответствии со статьей 1 Закона г. Москва «О городских почвах», 2007). По мнению авторов это является не только допустимым, но и полезным, т.к. урбаноземы и другие антропогенные городские почвы в силу своих особенностей сложно отделимы от толщи городских отложений. Как следствие решается проблема: диагностировать ли последний цикл почвообразования (который может быть не слишком продолжительным), или весь вскрытый профиль.
Специфика картирования почв «Большого Ростова»
Процесс изучения почвенного покрова любого населенного пункта или города напрямую сопряжен с пониманием терминов «городские земли» и «городское землепользование». Как отмечает А.П. Сизов (2000) и З.Ф. Кочергина (2012), городские земли – это динамическая подсистема для функционирования сложной системы «город», включающая множество взаимосвязанных элементов (горные породы, почвы, подземные воды и др.), изменение свойств которых вызывает изменение состояния взаимодействующих с землями техногенных, экологических и других подсистем. В свою очередь эти подсистемы оказывают обратное воздействие на городские земли, что влечет изменения количественных и качественных характеристик земельных ресурсов.
В большинстве случаев процессы урбанизации приводят к формированию так называемых природно-антропогенных комплексов, которые необходимо рассматривать как целостную систему. Для нее характерно специфическое взаимодействие комплекса естественных и антропогенно-преобразованных почв, в котором преобладающим фактором почвообразования становится антропогенное воздействие, приводящее к формированию специфических типов почв и почвоподобных тел.
Несомненно, городские почвы значительно отличаются от естественных природных аналогов, некогда доминирующих на территории, занимаемой современными городами. Как указывает в своей работе М.Н. Строганова (1998), одной из наиболее характерных особенностей структуры почвенного покрова урболандшафта является его прерывистость (дискретность) и фрагментарность распространения. С этим мнением соглашаются Б.Ф. Апарин и Е.Ю. Сухачева (2013), отмечая что, почвенный покров любого города гетерогенен, и характеризуется значительной пространственной и временной неоднородностью. Это связано не только с разнообразием природных условий, но и разной степенью и масштабом воздействия человека на почвенный покров на различных этапах строительства и расширения города, а также в разных его частях – в центре, на окраинах, в лесопарках, промышленных территориях и спальных районах.
Кроме того, сложность почвенного покрова обусловлена также различием в сроке освоения территории. В древнем центре города почвы развиваются на мощном культурном слое. В новых районах жилищного строительства почвообразование идет на перемешанных отложениях, спланированных территориях с большей или меньшей срезкой верхних гумусированных слоев.
Процесс запечатывания также становится одним из факторов, еще более осложняющим структуру почвенного покрова в городе и диагностику городских почв (Прокофьева, 1998). Подобное мнение высказывает и W. Burghardt (1996) указывая, что особенно сильные изменения почвенного покрова городских ландшафтов происходят в результате роста площади перекрытых естественных почв. При этом на отлагаемых субстратах возникают примитивные почвы с новыми свойствами, и рост подобных почвенных ассоциаций происходит достаточно быстро. Эту особенность почвенного покрова городов и необходимо учитывать при его анализе.
Поскольку городские почвы, и особенно урбостратоземы, характеризуются достаточно сложным строением почвенного профиля, то к ним нельзя применить общие принципы картографирования, разработанные для природных почв, поэтому и исследование этих объектов является весьма трудной задачей. В официально принятой в России классификации почв, которая опубликована в 1977 г. (Классификация и диагностика…, 1977) и используется по настоящее время, почвы урбанизированных территорий не рассматриваются. Тем не менее, в Классификации и диагностике почв России (КиДПР) (2004) антропогенно-преобразованные почвы занимают значительное место, вплоть до введения в 2008 году специфического ствола антропогенно-преобразованных почв.
Как показано в главе 1, общепринятой классификации городских почв ни в России, ни в мире на сегодняшний день не существует. Это связано еще и с тем, что до настоящего времени отсутствует общепринятая классификация городских почв, целиком и полностью адаптированная под КиДПР, хотя работы ряда авторов (Строганова, Агаркова, 1992; Burghardt, 1994; Rossiter, 2007; Lehmann, Stahr, 2007; Матинян и др., 2008; Лебедева, Герасимова, 2011; Прокофьева и др., 2011, 2014; Naeth at al., 2012; Шестаков, 2014; Апарин, Сухачева, 2015) позволяют говорить о создании основ специального понятийного аппарата – номенклатуры, диагностики и основ классификации городских почв, которые могут быть использованы в картографировании урболандшафтов.
Принятые за основу принципы, изложенные в предыдущей главе, являются базовыми при создании специализированной классификации городских почв, подходящей для почв урболандщафтов степной зоны. Главный принцип данной классификации – разделение почв на основании различий в строении их генетического профиля как совокупности горизонтов, отражающих в своих свойствах процессы, их формирующие. По мнению И.И. Лебедевой (1996), такой подход позволяет строить диагностику таксонов на собственно почвенных свойствах, и учитывать в единой системе все поверхностные, в том числе и антропогенно-преобразованные тела.
Как отмечают Б. Ф. Апарин и Е. Ю. Сухачева (2015), на территории любого города практически всегда сочетаются элементы почвенного покрова естественных ландшафтов, агроландшафтов и участков плотной городской застройки и промышленных зон. Как следствие, спектр почвенных типов урболандшафтов охватывает, как естественные почвы, характерные для данной географической зоны, так и в различной степени трансформированные почвы и непочвенные образования. В этой связи, при составлении почвенной картосхемы Большого Ростова,в качестве приоритетных, были выбраны следующие принципы:
литолого-геоморфологическое разделение территории, как основной природный фактор, обуславливающий особенности почвенного покрова;
учет влияния на почвенный покров функциональных зон города;
учет возраста отдельных частей городской территории. По литолого-геоморфологическим особенностям территория Большого Ростова подразделяется на три основные части:
1) межбалочный водораздел р. Дон и его притоков;
2) надпойменные склоновые террасы с различной степенью уклона;
3) пойма р. Дон и его притоков.
Соответственно, при составлении почвенной картосхемы были выделены три основных контура, отражающих, прежде всего, специфику некогда нативного почвенного покрова, как основы для доминирующих в настоящий момент процессов педоседиментогенеза. Внутри данных почвенных контуров могут быть выделены группы почв, объединенные особенностями морфологии и физико-химических свойств, которые обусловлены типом землепользования.
В свою очередь тип землепользования напрямую зависит от характера и специфики той или иной функциональной зоны города. Согласно ст. 85 Земельного кодекса Российской Федерации от 25.10.2001 N 136-ФЗ (ред. от 30.12.2015 с изм. и доп., вступ. в силу с 01.01.2016), в состав земель населенных пунктов могут входить земельные участки, отнесенные в соответствии с градостроительными регламентами к следующим территориальным зонам:
1) жилым;
2) общественно-деловым;
3) производственным;
4) инженерных и транспортных инфраструктур;
5) рекреационным;
6) сельскохозяйственного использования;
7) специального назначения;
8) военных объектов;
9) иным территориальным зонам.
Валовое содержание микроэлементов в почвах Ростовской агломерации и их профильное распределение в различных типах почв
Прежде чем рассматривать вопрос профильного распределения микроэлементов (или тяжелых металлов) в почвах Ростовской агломерации, целесообразно сгруппировать заложенные полнопрофильные разрезы в группы, отражающие специфику генезиса в условиях урбопедогенеза, что определяется, в свою очередь, видом землепользования. Как и в других разделах работы, были выделены естественные и антропогенно-преобразованные почвы, испытывающие различный характер и силу антропогенного прессинга. При этом в группе естественных почв особый интерес представляют почвы залежей окраин города и целинный участок ООПТ «Персиановская степь», как территория минимального вероятного загрязнения тяжелыми металлами.
Исследования показывают, что содержание всех рассматриваемых элементов в почвах залежей и целины превышает фоновые значения по всему профилю, включая материнскую породу. За фоновые значения принимаются данные результатов исследования, проведенные В.В. Акимцевым с соавторами на территории селхозугодий Ростовской области в 1962 году (Акимцев и др., 1962) (табл. 28).
Повышенные величины содержания микроэлементов в нативных почвах (табл. 29) могут объясняться с одной стороны кумулятивным эффектом накопления тяжелых металлов, вызванного процессами индустриализации во второй половине 20-го века и вероятной миграцией ТМ по профилю почв. С другой стороны, более вероятен факт педогеохимической специфики самих лессовидных суглинков, тем более, что полномасштабных исследований элементного состава материнских пород черноземов в середине прошлого века не проводилось. Хотя имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о богатстве лессовидных суглинков и глин микроэлементами (Акимцев и др., 1962; Кузнецова и др., 2010).
Действительно, принимая во внимание результаты элементного анализа совокупной выборки материнских пород (n=30), исследованные на территории Ростовской агломерации лессовидные суглинки, характеризуются повышенным содержанием изучаемых химических элементов, которые превышают фоновые значения, а по хрому и принятые значения ПДК (табл. 30).
Как видно из таблицы 29, данные содержания валовых форм микроэлементов в материнской породе чернозема целинного участка ООПТ «Персиановская степь» (таблица 29, разрез 1406) укладывается в значения представленной выборки. Учитывая тот факт, что данный разрез располагается на достаточном удалении от загрязняющих предприятий, была исключена вероятность миграции столь существенных количеств загрязняющих веществ вглубь почвенного профиля. Таким образом, можно констатировать, что относительно высокие значения содержания микроэлементов сопряжены именно с педогеохимическими особенностями лессовидных суглинков Северного Приазовья, что и было учтено в дальнейших расчетах и выводах.
Из всего ряда изученных элементов наиболее информативными, с точки зрения специфики миграции по профилю как естественных, так и антропогенно-преобразованных почв являются две пары элементов «никель-медь» и «цинк-свинец», что вызвано как природой самих элементов, так и наличием или отсутствием техногенных выбросов, характерных именно для Ростовской агломерации.
Профильное распределение никеля и меди (табл. 31) в горизонтах естественных почв показывает плавное снижение содержание элементов с глубиной в очень нешироком диапазоне величин, что свидетельствует о стабильности соединений этих элементов и слабой их миграции по профилю. Тем не менее, характер распределения этих двух металлов по профилю почвы демонстрирует различное их поведение в почве: если никель явно накапливается в перегнойно-аккумулятивной толще по сравнению с материнской породой, то медь в почвенном профиле заметно подвижнее – тому свидетельство обогащение средней части профиля по сравнению с породой и обеднение поверхностных горизонтов.
Цинк проявляет выраженную тенденцию к увеличению концентраций в дерновом и гумусово-аккумулятивном горизонтах, в нижележащей толще наблюдается выравнивание его содержания (таблица 32, рис. 26).
Это может свидетельствовать об однородности почвообразующих пород по этому показателю по всей исследуемой территории, на фоне очевидного внешнего источника загрязнения, поставляющего цинк на поверхность почвы (а именно крупные лакокрасочные предприятия Ростовской агломерации).
В средней части профиля в почве под лесной растительностью в разрезах 1402 и 1504 наблюдается аномально низкое содержание свинца, что может быть обусловлено особенностями гранулометрического состава и спецификой фракционно-группового состава гумуса в этих горизонтах.
Таким образом, распределение валовых форм приоритетных тяжелых металлов в профиле почв естественного сложения (черноземы залежей и лесопарков) проявляет стабильные закономерности. На примере двух наиболее типичных разрезов (рис. 28) видно, что таким элементам, как никель и медь присуще плавное снижение содержания вниз по почвенному профилю в узком диапазоне величин. Содержание цинка имеет тенденцию к увеличению концентраций в дерновом и гумусово-аккумулятивном горизонтах, свинцу характерен разброс концентраций в пределах почвенного профиля с минимальными значениями в центральной его части.
Удельная активность 232Th, 226Ra, 40K и 137Cs в антропогенно-преобразованных почвах 300
Данная группа представлена разрезами 1301, 1303, 1304, 1503. В разрезах 1303 и 1503 не наблюдается отклонений от нормы, все в пределах нормального распределения. Средние, максимальные и минимальные значения удельной активности исследуемых радионуклидов представлены в таблице 52.
В разрезе 1304 в горизонте UR2 и UR4 удельная активность 40К и 232Th увеличивается, к этому могло привести изменение содержания в этих профилях Сорг и изменение реакции среды с нейтральной на слабокислую. В горизонте UR4 значение данных показателей также изменяется, что приводит к снижению количества 226Ra. Дать точное подтверждение наличию вышеуказанной зависимости мы не можем, так как исследуемые почвы были подвержены антропогенному воздействию и в них присутствуют строительные и бытовые отходы, которые влияют на физико-химические свойства почв (Безуглова и др., 2011).
В разрезах 1405 и 1501 не наблюдается отклонений от нормы, все в пределах нормального распределения.
В разрезах 1204 и 1401 отчетливо видна зависимость содержания естественных радионуклидов от гранулометрического состава. При повышенном содержании физического песка активность радионуклидов снижается. Также в разрезе 1401 в горизонте C повышенное содержание физического песка, чем и обусловлены низкие значения удельной активности естественных радионуклидов.
Таким образом, удельная активность естественных радионуклидов в почвах Ростовской агломерации по величине сопоставима с показателями, характерными для черноземов Ростовской области. Естественные радионуклиды в почвах в черноземах миграционно-сегрегационных распространены в профиле равномерно. Некоторое увеличение удельной активности наблюдается в нижележащих горизонтах, что связано с природой самих радионуклидов и тем фактом, что основным источником их поступления в почвенный покров и биосферу в целом являются материнские породы.
Удельная активность искусственного радионуклида 137Cs имеет максимальное значение в верхних дерновых горизонтах, что обусловлено хорошей сорбцией этого элемента гумусом.
В некоторых разрезах было замечено изменение удельной активности радионуклидов при смене реакции среды. В том числе хорошо видна зависимость содержания радионуклидов и их фиксация более мелкими гранулометрическими фракциями почв. Карбонатные барьеры также влияют на радионуклиды таким образов, что их содержание в этой части профиля изменяется.
Почвенный покров городов определяется существующими функциональными зонами агломерации, что находит отражении в формировании почвенных комбинаций, включающих в себя комплекс природных и антропогенно-преобразованных почв. Сложность данных комплексов затрудняет создание почвенных карт и картограмм содержания поллютантов. Тем не менее, применение ГИС-технологии в сочетании с традиционными методами картографирования позволяет с достаточной точностью создавать почвенные картосхемы урбанизированных территорий.
В степной зоне влияние города на почвы его территории изначально шло по двум основным противоположным направлениям. С одной стороны – посадка деревьев, с целью создания комфортных условий проживания. С другой стороны, запечатывание почвенных разностей под асфальтовым и другими видами твердого покрытия, а также погребение гумусовой толщи. Общей особенностью почвенного покрова Ростовской агломерации является сохранение в «теле» антропогенно-преобразованных почв полного или частично редуцированного профиля чернозема. Кроме того, характер землепользования определяет специфику основных почвообразующих процессов городских почв.
Степень выраженности процесса урбопедогенеза предопределяет физико химические и биологические свойств городских почв. В условиях Юга России это сказывается, прежде всего, на гумусообразовании и гумусонакоплении, проявляясь как уменьшением, так и увеличением содержания специфического органического вещества в почвах разных функциональных зон.
Классификационное положение городских почв обусловлено степенью морфологической и химической трансформации профиля.
Показателями антропогенного загрязнения для Ростовской агломерации являются концентрации доминирующих тяжелых металлов, таких как цинк, свинец, медь и никель, и особенности их распределения в почвенном профиле. Выявленные закономерности обусловлены как спецификой функциональных зон города и особенностями почв отдельно взятой территорий агломерации, так и свойствами самих химических элементов. В сложившихся условиях ведущими функциями городских почв, становятся утилитарные, в результате на первый план выходит протекторная функция почвы, обеспечивающая стабильность всей урбоэкосистемы в целом.