Кафедра биогеоценологии
И охраны природы
ХАРАКТЕРИСТИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ Г. ПЕРМИ
| Заведующий кафедрой д.г.н., профессор | С.А. Бузмаков |
| Научный руководитель к.б.н | И.Е. Шестаков |
| Рецензент | ХХХ |
| Дипломник заочного отделения | М.Ю. Гагарина |
Пермь, 2018
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.. 3
1. ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ.. 4
1.1. Свойства городских почв. 5
1.2. Функции городских почв. 9
1.3. Систематика городских почв и техногенных поверхностных образований. 14
2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫИССЛЕДОВАНИЯ.. 18
2.1. Характеристика природных условий, особенностей землепользования г. Перми и его функциональных зон. 18
2.2. Методы исследования. 23
ВВЕДЕНИЕ
Почвы, функционирующие в окружающей среде городов, являются важным фактором их экологического и санитарного состояния. Это обуславливает необходимость систематической инвентаризации таких почв, а также изучения особенностей их экологических функций.
В широком понимании городская почва – это любая почва или почвоподобное тело, функционирующее в окружающей среде города. В узком смысле этот термин подразумевает почвы и почвоподобные тела, сформированные деятельностью человека, который одновременно является и пусковым механизмом, и постоянным регулятором городского почвообразования (Строганова, Агаркова, 1992).
Целью дипломной работы является изучение основных свойств и составов почво-грунтов поверхностных техногенных образований г. Перми.
Для достижения заданной цели поставлены следующие задачи:
· дать характеристику городским почвам и поверхностным техногенным образованиям на основе литературных данных;
· провести агрохимический и биохимический анализ отобранных образцов поверхностных техногенных образований;
· дать характеристику поверхностных техногенных образований г. Перми.
Объект исследования – почвы и поверхностные техногенные образования г. Перми.
Предмет исследования – трансформация и экологическое состояние почвенного покрова функциональных зон г. Перми.
Эффективность проведенных исследований заключается в получении актуальных данных о поверхностных техногенных образованиях г. Перми, а также разработке рекомендаций по их восстановлению.
ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Городские почвы — это почвы, имеющие созданный человеком поверхностный органо-минеральный слой, полученный перемешиванием, насыпанием, погребением и (или) загрязнением урбаногенным материалом (строительно-бытовой мусор). Одним из основных признаков городских почв являются постоянные нарушения и механические привнесения в них инородного материала [Строганова].
Основными почвообразующими факторами формирования городских почв являются [Строганова]:
· хозяйственные и функциональные особенности разных частей города (типы хозяйственного использования: жилая зона, промзона, природно- рекреационная зона и т.д.);
· субстрат (физико-механические и химические особенности культурного слоя, насыпных, перемешанных и намывных грунтов, остатки естественных почв);
· возраст (древний центр— современные микрорайоны на окраинах).
Также формирование почвенного покрова в условиях города происходит на фоне ряда специфических процессов. Во-первых, постоянно происходит активная смена почвообразующих пород. Во-вторых, имеет место дробление структуры поверхности за счет ее частичного запечатывания искусственными покрытиями. В-третьих, наблюдается амортизация почвенного покрова, вызывающая необходимость искусственного поддержания его экологических свойств, вплоть до полной замены почвенного слоя на отдельных участках [Курбатова, Башкин].
Присутствие горизонта "урбик"—основное отличие городских почв от природных. Горизонт "урбик" определяется как поверхностный насыпной, перемешанный органо-минеральный горизонт или часть культурного слоя с примесью строительно-бытового мусора и промышленных отходов более 5% и мощностью более 5 см [Строганова].
Свойства городских почв
Почвы в пределах города обладают определенными специфическими свойствами, наиболее типичными из которых являются [Герасимова]:
· наличие включений строительно-бытового мусора;
· повышенная уплотненность;
· тренд в сторону повышенной щелочности;
· накопление техногенных веществ;
· наличие патогенных микроорганизмов.
Морфологические свойства почв
Отличительной характеристикой городских почв, особенно почв в центре города, является большое количество антропогенных включений в средней и нижней частях почвенного профиля. Существенное место в профилях почв городов занимает насыпной грунт, имеющий по крайней мере один литологический перерыв.
С течением времени поверхностный слой приобретает черты горизонта А1. Встречаются погребенные горизонты, более темные из-за аккумуляции органического вещества, более рыхлой консистенции, с повышенным количеством корней и животного населения.
Для городских почв слоистость грунтов по гранулометрическому составу имеет важное почвенно-геохимическое значение, так как служит экранирующим барьером.
Типы морфологических профилей представлены ниже на рис. 1.
Рисунок 1. Типы морфологических профилей городских почв [Герасимова]
Водно-физические свойства
Гранулометрический состав почвы – важный показатель, который определяет продуктивность городской почвы, степень ее фильтрационной и водоудерживающией способности [Герасимова].
Как правило, почвы города сильно переуплотнены с поверхности вследствие высокой рекреационной нагрузки и вытаптывания. Сильное уплотнение почвы ведет к созданию в корнеобитаемом слое условий, близких к анаэробным, корни не могут прорастать сквозь плотные слои почвы, они зачастую вынуждены расти горизонтально.
Для города характерно привнесение в почву песка и гравия, используемого в градостроительстве. Строительный материал, промышленные отходы, механические загрязнители и другие технологические субстраты имеют размеры гравия и камней. Их содержание в городских почвах постоянно увеличивается.
Для городских почв слоистость грунтов по гранулометрическому составу имеет важное почвенно-геохимическое значение, так как служит экранирующим барьером на пути миграции веществ, в том числе, загрязнителей. В слоях с обилием твердых обломков заостренной формы наблюдается слабое проникновение корней и редкая встречаемость дождевых червей.
В городских условиях в результате инженерно-строительной деятельности человека усиливается водная и ветровая эрозия. Водная эрозия особенно активно развивается вдоль дорог. Ветровой эрозии могут быть подвержены незадернованные пески. Развевание и переотложение песков имеет локальное распространение в Перми на правом берегу р. Камы, часто проявляется на дорогах [Шестаков].
Для городских почв важным показателем является показатель захламленности, т.е. степень перекрытости поверхности почвы абиотическими наносами, в том числе токсическими. Эту часть почвы можно назвать балластной. Важным фактором является химический состав материала. При его токсичности происходит химическое загрязнение всей экосистемы [Герасимова].
Важной характеристикой является величина способности почв впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. Для городских почв характерна провальная или мозаичная водопроницаемость, обусловленная наличием пустот в профиле за счет строительного или бытового мусора [Герасимова].
Большое значение имеет интенсивность газообмена. На газовый состав почв в городе влияет, помимо плотности сложения, влажности почвы и др., наличие экранирующего действия искусственных покрытий и утечки природного газа из городской газопроводной сети.
Физико-химические свойства почв
Большинство выбросов различных, в том числе и токсических веществ и материалов в городскую среду сосредоточиваются на поверхности почвы, где происходит их постепенное накопление. Это приводит к изменению химических и физико-химических свойств субстрата.
Величина кислотности корнеобитаемого слоя городских почв колеблется в широких пределах, но преобладают почвы с нейтральной и слабощелочной средой. В большинстве случаев реакция среды у городских почв выше, чем у зональных. Высокую щелочность городских почв большинство авторов связывает с попаданием в них через поверхностный сток и дренажные воды преимущественно хлоридов кальция и натрия, а также других солей, которыми посыпают тротуары и дороги зимой. Другой причиной является высвобождение кальция под действием осадков из различных обломков, строительного мусора, цемента, кирпича и пр., имеющих щелочную реакцию. Практически повсеместно наблюдается постепенное уменьшение величины рН с глубиной.
Содержание органического углерода в городских почвах варьирует и зависит от его величины в исходных почвах и грунтах, а также от применения органических и минеральных удобрений, торфокомпоста, привнесения органического мусора и т. д. Как правило количество органического вещества в городских почвах выше, чем в фоновых.
Степень насыщенности основаниями часто превышает 80-95% и достигает 100%. Для почв большинства парков и городских лесов она обычно составляет меньшую величину. В составе обменных катионов преобладают Ca (до 70%) и Mg (до 30%). Элементы питания растений (N, P, К) в городских почвах распределяются неравномерно, содержание их подвижных форм колеблется от минимального и до максимального уровня.
Техногенные потоки, формирующиеся в результате хозяйственно-бытовой деятельности городского населения, поставляют в окружающую среду загрязняющие вещества в виде твёрдых отходов, стоков, газовых и пылевых выбросов. Городские экологи отмечают загрязнение в первую очередь такими элементами, как Pb, As, Cu, Zn, Cd, Ni. В настоящее время для многих крупных городов мира установлено, что тяжелые металлы поступают в почву в основном из воздуха.
Тяжелые металлы вовлекаются в биологический круговорот, передаются по цепям питания и вызывают целый ряд негативных последствий. При максимальном проявлении процесса химического загрязнения почва теряет способность к продуктивности и биологическому самоочищению, происходит потеря экологических функции и гибель урбосистемы.
Большое внимание исследователи уделяют загрязнению почв противогололедными соединениями.
К другим загрязнителям, типичным для городских условий, относятся:
· различные формы пестицидов, унаследованные от агроландшафтов и характерные в основном для новых городских территорий;
· органические отходы (жидкие стоки животноводческих комплексов, промышленные органические отходы, сточные воды);
· радионуклиды;
· ртуть;
· вещества, попадающие на почву с загрязненными атмосферными осадками.
Важнейшим фактором, влияющим на свойства городских почв, становится загрязненность их тяжелыми металлами, пестицидами, хлорорганическими соединениями и другими токсикантами.
Степень проявления процесса загрязнения определяется как отношение содержания загрязняющего вещества в почве к величине ПДК или другой нормативной величине.
Функции городских почв
Почвы, формирующиеся в урбоэкосистеме, аналогично естественным почвам (Добровольский, Никитин, 1990), выполняют роль базисной составляющей, в них замыкаются биогеохимические круговороты веществ, происходит биохимическое преобразование культурного насыпного слоя, трансформация поверхностных вод в грунтовые, они являются питательным субстратом для растений. Почва служит банком семян, регулятором газового обмена и т.д. [Герасимова].
Главными функциями городской почвы являются: продуктивность, т.е. пригодность для произрастания зеленых насаждений, способность сорбировать в толще загрязняющие вещества, способность удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды, способность препятствовать поступлению илисто-пылеватых частиц в городской воздух [Герасимова].
Роль почвы в городе существенна и разнообразна. Выполняя важные средообразующие функции, почва изменяет химический состав атмосферных осадков и подземных вод, она является универсальным биологическим адсорбентом, поставщиком и регулятором содержания С02, 02, N2 в воздухе.
В крупных городах - мегаполисах, особенно в промышленных центрах, происходит значительная деградация экологических функций городских почв. Почва в городе является хорошим поглотительным барьером газовых примесей, в том числе поступающих от автотранспорта, ТЭЦ, заводов и т.д., она также регулирует газовый состав атмосферы путем выделения и поглощения газов (метан, аммиак, углекислый газ и др.).
Благодаря определенным биогеохимическим свойствам и огромной активной поверхности тонкодисперсной части почва превращается в «депо» токсических соединений и одновременно становится одним из важнейших биогеохимических барьеров для большинства соединений (ТМ, излишки минеральных удобрений, пестициды, нефтепродукты и т.д.) на пути их перехода из атмосферы города в грунтовые воды и речную сеть. Но в некоторых случаях почва сама становится источником загрязнения [Герасимова].
Широко распространенное в крупных городах подтопление приводит к формированию оползней и оплывин на склонах, нарушению органопрофиля почвы и проявлению процессов оглеения. Подтопление изменяет химический состав подземных вод, прочностные показатели грунтов, способствует распространению загрязнителей из почв и грунтов в грунтовые воды.
Городские территории подвержены также иссушению вследствие особенностей теплового баланса каменных поверхностей и неблагоприятных гидрогеологических условий (карст, карьеры, выработки, строительство шоссейных дорог и коммуникаций), что ведет к нарушению естественных поверхностных и внутрипочвенных водных потоков.
Иссушение почвы вокруг домов ведет к деградации растительности, разрушению дернины и снижению общей продуктивности. При этом увеличивается площадь открытых незадернованных и неозелененных поверхностей, подверженных ветровой эрозии. Иссушение земель, обогащенных токсичными пылеватыми почвенными частицами, усиливает ветровую эрозию, что приводит к неблагополучным экологическим ситуациям.
В крупных городах и промышленных центрах до 70-90% поверхности почвы запечатано асфальтобетоном или жилыми и промышленными постройками, вследствие чего большая доля загрязненных осадков минует почвенное тело и непосредственно уходит через канализацию в водоемы и речную сеть.
Асфальтобетонное покрытие защищает почву от основной массы загрязнителей и препятствует проникновению в нее дождевых осадков, изменяет водно-воздушный режим. Жизнедеятельность микроорганизмов свидетельствует о газообмене воздуха почвы с воздухом атмосферы. Одним из негативных последствий является эффект теплицы, создающийся в результате запечатывания почвы. Без естественной аэрации происходит переувлажнение почвы, что способствует повышению влажности в подвалах и разрушению фундаментов. В результате страдает здоровье жителей нижних этажей: наблюдается повышенная влажность помещения, развитие патогенной и грибковой микрофлоры.
Озелененные участки в городе достаточно неустойчивы к антропогенным нагрузкам, основными из которых является переуплотнение почвы в результате вытаптывания. Наиболее подвержены вытаптыванию скверы и бульвары в густонаселенных районах.
Экологически неорганизованные, неозелененные городские территории являются дополнительным источником твердого вещества, поступившего в атмосферу, усиливая запыленность воздуха городов токсичными веществами.
При максимальном химическом загрязнении почва теряет способность к продуктивности и биологическому самоочищению, происходит потеря экологических функций и деградация урбосистемы. Изменяется состав, структура и численность микрофлоры и мезофауны.
Выполняя санитарные и рекреационные функции, почва определяет условия жизни человека в городе. Санитарно-гигиенические функции почвы очень важны для города, поскольку почва является хорошим антисептиком, способствуя уничтожению патогенных микроорганизмов и разлагая органические остатки и продукты обмена живых организмов.
Значительная часть территории городов находится в зоне действия негативных процессов, влияющих на экологическое состояние почвенного покрова и функции почв.
Таблица 1.1
Возможная трансформация и деградация экологических функций городских почв [Герасимова]
| Природная почва | Городская почва |
| Почва-вода | |
| 1. Переводит поверхностные стоковые воды в грунтовые и очищает их. 2. Создает защитный сорбционный барьер от загрязнения речных вод и водоемов. 3. Изменяет химический состав воды. | 1. Вода минует почву по асфальту или по уплотненной поверхности почвы, непосредственно попадая в речную сеть. 2. Вода загрязняется, проходя через почву. 3. Сильно загрязненная почва не служит барьером от дальнейшего загрязнения (заполнена сорбционная емкость). 4. Происходит дополнительный приток воды из водопроводной сети (подтопление, заболачивание почвы). |
| Почва-грунт | |
| 1. Является биогеохимическим барьером при вертикальной миграции химических веществ. 2. Осуществляет биогеохимическое преобразование небольших поступлений инородных материалов. | 1. В результате избыточного загрязнения почва перестает быть биогеохимическим барьером. 2. Геохимическая связь (почва - грунт) может отсутствовать (почва на коммуникационной сети). 3. Грунт может быть источником биологического и химического загрязнения. 4. Может быть малоэффективна как защитный барьер (насыпные пески с малоплодородным маломощным слоем). |
| Почва-воздух | |
| 1. Является газопоглотительным барьером для антропогенных газовых примесей, в том числе от автотранспорта, ТЭЦ, заводов. 2. Регулирует газовый состав атмосферы и ее очищение (выделяет и поглощает газы). | 1. Поглощает газовые примеси, в т. ч. от автотранспорта, заводов, ТЭЦ. 2. Служит источником пылевых взвесей, загрязненных ТМ. 3. При уплотнении почвы газообмен с атмосферой затруднен. 4. Под асфальтом или плотной коркой почвы образуется эффект парника. 5. Возможен дополнительный приток газов из коммуникаций. |
| Почва-биота | |
| 1. Представляет собой среду обитания макро-, мезо- и микробиоты. 2. Служит основой биопродуктивности. 3. Является санитарным барьером. | 1. Обедняется среда обитания и происходит ослабление состава, структуры, функций биоты. 2. Падает биопродуктивность. 3. Появляются интродуцированные виды. 4. Появляются патогенные микроорганизмы. 5. Ослабляются санитарные функции почвы. 6. Изменяется соотношение анаэробных и аэробных микроорганизмов. |
Систематика городских почв и техногенных поверхностных образований
Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что на данный момент не выработан единый подход к проблеме составления генетической классификации городских почв.
Наиболее распространенной и разработанной для таежной зоны в нашей стране остается систематика городских почв, разработанная М. Н. Строгоновой с соавторами. Она основана на морфологическом строении профиля, а также на особенностях почвообразующих пород и поверхностных грунтов, и является почвенно-генетической. Однако данная систематика понятийно и терминологически оказалась слабо связанной с базовой системой, разработанной для природных почв (Классификация и диагностика…, 2004). На основе анализа накопленных в науке за последние десятилетия сведений возникла инициатива ввести городские почвы с необходимыми корректировками в общую классификационную систему в соответствии с принципами последней. Проведена интерпретация имеющихся описаний городских почв на основе концепции выделения типов почв, как индивидуального набора диагностических почвенных горизонтов, включая нововведенные; почвы города распределены по таксонам классификации почв России (Прокофьева и др. 2014).
Для городских почв предложены следующие диагностические горизонты: урбиковый или урбик (UR), насыпной компостногумусовый (RAT), насыпной торфяный (RT), комбинации которых с другими диагностическими горизонтами и слоями техногенных отложений соответствуют различным типам почв. На подтиповом уровне используются диагностические признаки, которые могут отражать как природные явления (глееватость, солонцеватость), так и техногенные свойства почв (урби-стратифицированные, зафосфаченные или недостаточно выраженные “городские”: ur, rat, rt); внесены уточнения в систему почвообразующих пород в городе. Почвы города, описанные ранее в другой номенклатуре, например, урбаноземы, урбиквазиземы, культуроземы, соотнесены с различными таксонами классификации почв России во всех стволах почвообразования.
Почвы в городской среде формируются при постоянном или периодическом поступлении новых порций различных материалов на поверхность, что позволяет отнести их к стволу синлитогенных почв к отделу стратоземов. В этот отдел вошли три новых типа: урбостратоземы с формулой профиля: UR–D, урбостратоземы на погребенных почвах: UR–[А–В–С] или UR > 40 cм, урбостратоземы техногенные: UR–TCH, UR–TCH–D. В ствол постлитогенных почв в отдел органоаккумулятивных попадают все почвы на природных и техногенных отложениях с уже сформировавшимися гумусово-аккумулятивными горизонтами (серогумусовые, темногумусовые, светлогумусовые). К стволу постлитогенных почв должны быть отнесены на уровне подтипов все переходные к природным урбостратифицированные почвы (урбопочвы), где мощность горизонта урбик, залегающего на естественном профиле или его остатках, не превышает 40 см. В ствол первичного почвообразования могут быть включены почвы начальных стадий педогенеза на различных природных и техногенных породах (при условии введения последних в классификацию почв России). В зависимости от гранулометрического состава они могут быть названы пелоземами, псаммоземами, петроземами, скорее гумусовыми, то есть почвами со слаборазвитым гумусовым горизонтом (W), чем типичными, имеющими опадо-подстилочный горизонт (О). Все разновидности рекультивационных тел, систематизируемых как техногенные поверхностные образования, отнесены в группу квазиземов, из которой исключены урбиквазиземы, ранее выделявшиеся как аналог урбаноземов (Прокофьева и др., 2014) [Шестаков].
Объектом почвенного картографирования могут и должны быть не только почвы, но и техногенные поверхностные образования (ТПО). Это могут быть целенаправленно сконструированные почвоподобные тела, а также остаточные продукты хозяйственной деятельности, состоящие из природного и/или специфического новообразованного субстрата. Все эти образования, находясь на поверхности и, тем самым, функционируя в экосистеме, не являются почвами в докучаевском смысле этого понятия, поскольку в них еще не сформировались генетические горизонты. В этой связи, ТПО не могут быть предметом генетической почвенной классификации. Вместе с тем, являясь объектом картографирования, они нуждаются в систематике и диагностике [КиД почв].
В основе систематики и диагностики ТПО лежит характер вещественного состава субстратов, слагающих эти образования: морфологическое строение вскрытой или насыпной толщи, природное или искусственное происхождение, а также наличие токсичных веществ в химическом составе материала, из которого состоят ТПО. При внешнем сходстве в подходе к классификации и диагностике почв и ТПО имеется принципиальная разница: в отличие от почв слои ТПО не рассматриваются как генетически сопряженные горизонты[КиД почв].
В «Классификация и диагностика почв …» (2004) предложена система таксономических единиц, состоящая из двух уровней: групп и подгрупп.
Группы ТПО выделяются по потенциальной способности их материала к последующему хозяйственному использованию и возобновлению почвообразования при поселении растительности. Учитываются черты сходства ТПО с почвой, естественное или искусственное происхождение материала ТПО и его токсичность [КиД почв].
Подгруппы ТПО выделяются на основании вещественного состава слагающего их материала – минерального, органического, смешанного и пр. В ряде случаев, учитывается залегание материала ТПО – естественное, или в виде искусственной насыпи [КиД почв].
Таблица 1.2.
Группировка техногенных поверхностных образований [КиД почв].
| Группа | Подгруппа |
| Квазизёмы | Реплантозёмы |
| Урбиквазизёмы | |
| Натурфабрикаты | Абралиты |
| Литостраты | |
| Органостраты | |
| Органолитостраты | |
| Артифабрикаты | Артииндустраты |
| Артиурбистраты | |
| Артифимостраты | |
| Токсифабрикаты | Токсииндустраты |
| Токсифимостраты | |
| Токсилитостраты | |
| Токсиабралиты | |
| Токсиурбистраты |