Кафедра биогеоценологии
И охраны природы
ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВООБРАЗУЮЩИХ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ Г. ПЕРМИ
| Заведующий кафедрой д.г.н., профессор | С.А. Бузмаков |
| Научный руководитель к.б.н | И.Е. Шестаков |
| Рецензент | В.Ю. Ушаков |
| Дипломник заочного отделения | М.Ю. Гагарина |
Пермь, 2018
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 3
1. ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ.. 5
1.1......................................................................... Свойства городских почв. 6
1.2.......................................................................... Функции городских почв. 10
1.3. Систематика городских почв и техногенных поверхностных образований 15
2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТ И МЕТОДЫИССЛЕДОВАНИЯ.. 19
2.1. Характеристика природных условий, особенностей землепользования г. Перми и его функциональных зон. 19
2.2............................................................................... Методы исследования. 24
3. СВОЙСТВА ПОЧВ И ТЕХНОГЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ Г. ПЕРМИ.. 27
3.1............................................................................. Почвы и ТПО г. Перми. 27
3.2............................... Кислотно-основные свойства почв и ТПО г. Перми. 37
3.3....................... Оценка экологического состояния почв и ТПО г. Перми. 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 46
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 48
ПРИЛОЖЕНИЕ. 51
Приложение 1. Фотографии мест отбора почвенных образцов. 53
Приложение 2. Результаты фитотестирования. 61
ВВЕДЕНИЕ
Почвы, функционирующие в окружающей среде городов, являются важным фактором обуславливающем их экологическое и санитарное состояние. Это обуславливает необходимость систематической инвентаризации таких почв, а также изучения особенностей их экологических функций.
В самом 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 [14].
Изучение и мониторинг городских почв, их экологического состояния, является необходимым условием качественной и устойчивой среды обитания для городского населения, которое увеличивается с каждым годом и уже составляет более 50% человеческой популяции.
Целью дипломной работы является характеристика поверхностных техногенных образований г. Перми.
Для достижения заданной цели поставлены следующие задачи:
· дать характеристику городским почвам и поверхностным техногенным поверхностным (ТПО) образованиям на основе литературных данных;
· провести полевое обследование почвенного покрова г. Перми, описать профили ТПО, провести их диагностику, отобрать образцы для лабораторных исследований;
· провести фитотестирование и анализ кислотно-основных свойств отобранных образцов и дать характеристику экологического состояния техногенных поверхностных образований г. Перми.
Объект исследования – техногенные поверхностные образования г. Перми.
Предмет исследования – экологическое состояние почвенного покрова г. Перми.
Результатом проведенных исследований является получение актуальных данных о техногенных поверхностных образованиях г. Перми и их экологическом состоянии.
ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Городские почвы – это антропогенно измененные почвы, имеющие созданный в результате человеческой деятельности 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 [12].
Основными почвообразующими факторами формирования городских почв являются [12]:
· 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 [18].
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 [12].
Свойства городских почв
Почвы в пределах города обладают определенными специфическими свойствами, наиболее типичными из которых являются [1]:
· 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 [1].
Типы морфологических профилей представлены на рис. 1.
Рис. 1. Типы морфологических профилей городских почв [1]
Водно-физические свойства
Гранулометрический состав почвы – важный показатель, который определяет продуктивность городской почвы, степень ее фильтрационной и водоудерживающией способности [1].
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[19].
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 [16].
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 [1].
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 [1].
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 веществ и материалов, в том числе и токсических, 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 [17].
Функции городских почв
Почвы, формирующиеся в урбоэкосистеме, аналогично естественным почвам, 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. [1].
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 [1].
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 СО2, О2, 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 [1].
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, основным 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 [1]
| 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. |
Продолжение Таблица 1.1
| Природная почва | Городская почва |
| 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. |