Трансформация почвоподобных техногенных образований в условиях урбоэкосистемы

Иванников, Федор Андреевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Трансформация почвоподобных техногенных образований в условиях урбоэкосистемы
ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Трансформация почвоподобных техногенных образований в условиях урбоэкосистемы"

На правое рукописи

005015340

Ивашшков Федор Андреевич

Трансформация почвоподобиых техногенных образований в условиях урбоэкосистемы

(на примере г. Москвы)

Специальность 03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 2 МА?

Москва -2012

005015340

Работа выполнена на кафедре географии почв факультета почвоведения Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: Прокофьева Татьяна Вадимовна, кандидат биологических паук доцент кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты:

Макаров Олег Анатольевич, доктор биологических наук, профессор кафедры земельных ресурсов факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор

Замотаев Игорь Викторович доктор географических наук, доцент института географии РЛ ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

Защита состоится «А? » ¡мл-^/па. 2012 г. в /¿часов минут, в ауд. М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ им. М.В. Ломоносова факультете Почвоведения по адресу: 119991, ГСП-1 Москва, Ленинские горы, МГУ име М.В. Ломоносова, д. 1, стр. 12, ф-т Почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова

Автореферат разослан «_»_2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Никифорова Алла Сергеевн

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный этап почвообразования в городе Москве характеризуется повсеместной массовой рекультивацией с созданием почвоподобных техногенных образований (ПТО) (Замотаев, 2009). Рекультивации подвергаются, как только что вскрытые природные и перераспределенные техногенные грунты, так и специфические почвы городских экосистем - урбаноземы (Закон г. Москвы <(0 защите зеленых насаждений» от 05.05.99 N 17 (ред. от 19.12.2001), Постановление Правительства Москвы от 10 сентября 2002 г. N 743-ПП, Постановление Правительства Москвы от 27 июля 2004 г. № 514-ПП). При этом многие авторы отмечают, что в ПТО протекают процессы, приводящие к формированию почв (Раппопорт, 2004; Белобров, Замотаев, 2007; Варава, 2010; Прокофьева, Попутников, 2010; Seré at al., 2010). Благодаря рекреационному использованию и строительству на территории города также встречаются «голые» техногенные грунты. И формирование ПТО, и отложение техногенных грунтов можно рассматривать как ноль-момент для специфического городского почвообразования.

В настоящее время процессы, происходящие в городских ПТО, мало изучены. Пути дальнейшего развития ПТО не ясны, тогда как они составляют большую часть от почвенного покрова города Москвы. На современном этапе сложно составить прогноз дальнейшего развития городских ПТО и слаборазвитых почв на техногенных отложениях. Рекультивация проводится повсеместно, но ее необходимость не вполне доказана. Не учитываются свойства субстратов, подстилающих рекультивациоиные образования. Влияние их свойств на верхние рекультивированные горизонты не выявлено. Для обеспечения благополучного функционирования ПТО необходимо выявление особенностей их трансформации под влиянием городской среды.

Цель работы: Охарактеризовать ПТО, как исходный материал для начального этапа почвообразования и проследить пути их дальнейшего саморазвития и трансформации в условиях урбоэкосистемы. В работе поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть пути формирования (способы конструирования и характеристику субстратов) ПТО в урбоэкосистеме.

2. Охарактеризовать физические, химические, биологические свойства и почвообразовательные процессы, происходящие в ПТО на разных этапах трансформации и саморазвития.

3. Выделить основные тренды изменения свойств почвоподобных образований и стадии их преобразования.

4. Из выявленного ряда разнообразия выделить объекты с наиболее благоприятными свойствами фундаментов (основ) для почвоподобных образований (на глубину 1 метр).

5. Дать рекомендации по увеличению эффективности рекультивации в условиях

города.

Научная повита работы. Впервые ПТО описаны как исходный материал в ноль-момент городского почвообразования, изучен процесс их постепенной трансформации под воздействием городской среды (без катастрофического вмешательства человека) в специфические городские почвы.

В результате исследований выявлены стадии трансформации ПТО, а также слаборазвитых почв на техногенных отложениях.

Впервые выявлена зависимость свойств почвоподобных образований от характеристики подстилающей основы на глубину 1 м на разных стадиях трансформации, в зависимости от ландшафтной приуроченности, в разных функциональных зонах города (селитебных, общественно-деловых и рекреационных).

В работе дана оценка степени биологической активности и скорости трансформации рекультивационных субстратов. Впервые получены данные о составе органического вещества ПТО и спектральной отражательной способности городских почв и ПТО на разных стадиях трансформации, дана оценка воздействия аэральных выпадений на ПТО.

Практическая значимость. Настоящая работа дает возможность оценить степень благополучия функционирования техногенных почвоподобных образований г. Москвы, а также понять время эффективного существования рекультивационных тел, выявить влияние качества основ под рекультивацию на ПТО, что позволяет разработать теоретическую базу для создания практических рекомендаций по повышению эффективности рекультивационных работ в городе. Определить оптимальную систему мер и условий для улучшения функционирования ПТО и оптимизации землепользования на рекультивированных территориях.

Методология исследования. Основной метод изучения трансформации почвоподобных тел - сравнительно-географический, однако за время исследования (2005 - 2010 гг.) некоторые объекты были изучены еще и с позиции разновременных наблюдений. Корректность сравнения рекультивационных объектов обеспечивает тот факт, что правила рекультивации за последние 30-40 лет практически не изменились (СНиП III-10-75). Использован подход М.Н.Строгановой, рассматривающий городские почвы, как результат почвообразования в специфической городской среде (1997, 1998). Для классификации антропогенных и антропогенно-преобразованных объектов использовалась классификация, предложенная коллективом авторов (Прокофьева и др., 2011); для классификации естественных почв использовалась «Классификация и диагностика почв России» (2004 - 2008). Термин почвоподобные техногенные образования (ПТО) взят из работ И.В.Замотаева (2009).

Защищаемые положения:

1) Почвоподобиые техногенные образования г. Москвы со временем трансформируются в урбаноземы, через стадию серогумусовых почв с признаками урбопедогенеза. При отсутствии техногенного привноса материала трансформация задерживается на промежуточной стадии формирования дерновой почвы.

2) На скорость трансформации влияет не только состав поверхностного рекультиванта, но и состав и свойства почв и грунтов (основ под рекультивацию).

3) Основными процессами почвообразования на ранних стадиях трансформации являются процессы минерализации органического вещества и гумусообразования, причем уже в первые четыре года в эти процессы вовлекаются не только легкодоступные органические соединения, но и прочносвязанные гумусовые кислоты, что отражается на составе гумуса.

4) В придорожных территориях, при высокой техногенной нагрузке, современные методы рекультивации неэффективны, так как происходит быстрое накопление поллютантов.

Апробация работы. Полученные результаты представлены на конференциях: «XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов -2008». Секция «Почвоведение» (Москва, 2008); V Всероссийский съезд почвоведов им В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); Международная конференция молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА (Москва, 2011); XIV Докучаевские молодежные чтения «Почва в условиях природных и антропогенных процессов» (Санкт-Петербург, 2011). Работа прошла апробацию на кафедре географии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова.

Публикации. По теме работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в журналах ВАК и 2 на английском языке.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, семи глав и Выводов, изложенных на 135 страницах машинописного текста. Содержит 23 таблицы и 37 рисунков. Список литературы насчитывает 173 наименование, из них 20 на иностранном языке.

Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю Т.В.Прокофьевой за неоценимую помощь в создании работы, С.А.Шобе за ценные указания и помощь в работе, сотрудникам компании «Экогеотех» и лично В.В.Горину, за предоставление приборов и реактивов. А.Е.Ивановой, Л.В.Лысак, Т.Г.Добровольской за помощь в оценке микробиологических свойств почв и ПТО. Н.ВМожаровой и С.А.Кулачковой за ценные советы и помощь в измерении СИД, А.А.Рахлеевой и М.Ю.Казанцевой за помощь в исследовании мезофауны, М.С.Розановой за помощь в интерпретации

данных по составу и свойствам органического вещества, а также, И.А.Мартыненко, О.А.Варава, В.О.Попутникову, Б.В.Буриновой, Ю.Н.Шатровой за поддержку и помощь на разных стадиях создания работы и всем сотрудникам кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Почпоподобные техногенные образования в городской среде (обзор литературы). Проблемы эволюции почв, в том числе, в условиях разновременных и антропогенных изменений среды, рассмотрены в трудах многих исследователей (Докучаев, 1883; Коссович, 1911; Глинка, 1927; Ковда, 1933; Таргульян, Козловский, 1985; Александровский, Александровская, 2005 и др.). Ведущая роль антропогенного фактора в городском почвообразовании обуславливает изменения в почвах и почвенном покрове за короткие промежутки времени (Дубининский, Филоненко 1978; Кавтарадзе, Игнатьева, 1986; Игнатьева, 1993; Лихачева и д.р. 1990, 1995, 1997, 1998, 2006; «Рельеф: сферы жизни...», 2002; Тимофеев, 1991; Муравьева 1978; Биттен, 1985; Bukeley at al., 2003). В связи с этим, при изучении почв в городской среде целесообразно употреблять вместо «эволюция» термин «трансформация (антропогенная трансформация) почв». Под трансформацией почв понимается развитие почв в условиях усиленной антропогенной нагрузки (пахотной, селитебной, технической, рекреационной и др.) (Зонн, 1992).

Антропогенный фактор играет ведущую роль не только в почвообразовании, но и в формировании всей экосистемы города, изменяя ее, и превращая в особую природно-техногенную систему, именуемую урбоэкосистемой («Почва, город, экология», 1997; «Геоэкология Москвы: методология...», 2006; Коломыц и др., 2000; Курбатова и др., 2004; «Лесные экосистемы...», 2008; Морозова и др., 2003; «Экогеохимия городских ландшафтов», 1995; Burghardt, 1993, 1994, 1997; Lehman, 2007; Resulovic at al, 2007, и т.д.) Несмотря на свое естественно-антропогенное происхождение, она характеризуется некоторой устойчивостью к воздействию внешних факторов (Антонов, и др., 2007; Сидорова, 2007; Твердислов, 2001), а ее составляющие - стремлением к равновесию с существующей физико-географической обстановкой. Почвенный покров города также стремится к наиболее соответствующему городской среде состоянию. В результате формируются специфические почвы - урбаноземы (Строганова, Мягкова, Прокофьева, 1997; Строганова, 1998; Burghardt, 1993, 1994; Lehman et al., 2007 и др.). Эти почвы характеризуются синлитогенным типом почвообразования, свойствами, измененными по сравнению с природными зональными почвами, а также такими чертами, как переуплотнение, засоление, накопление в почвенном профиле поллютантов, например, тяжелых металлов (ТМ), нефтепродуктов (НП), полициклических

ароматических углеводородов (ПАУ) и т.д. (Артамонова и др., 2007; Габлин, 2007; Ковалева и др., 2007; Shawl et al., 2007 и др.).

Для восстановления экологических функций специфических городских почв и озеленения территорий после конструкционных работ создают ПТО. Формируемые ПТО аналогичны рекультивационным телам других территорий, именуемых, техноземами. Термин «технозем» впервые был дан Л.В.Етеревской (1988), и использован для наименования рекультивационпых почвоподобных тел промышленных отвалов. Рекультивационные тела техногенных ландшафтов, появившиеся в результате добычи нефти и газа, вскрышных работ, горнодобывающих работ, состоят, также, из одного или нескольких рекультивационпых горизонтов и рекультивируемых техногенных грунтов, которые загрязнены в результате техногенной деятельности определенного рода (Етеревская, 1982; Гаджиев, Курачев, 1992; Капелькина, 1993; Андроханов, 1998; Можарова, 2009; Андроханов, Госсен. 2010; Коркина, 2010 и др.).

Городские техноземы имеют другую специфику, так как рекультивация не имеет узкой направленности. По классификации М.Н.Строгановой с соавторами, опубликованной в книге «Антропогенные почвы» (2003) техноземы подразделяются на простые тела - реплантоземы и сложные почвоподобные конструкции -конструктоземы.

Верхний горизонт обычно представляет собой торфокомпостнуга смесь или другие плодородные субстраты. Эти горизонты имеют индексировку RAT (Раппопорт, 2004).

При исследовании городских техноземов разного возраста и степени трансформации в пределах 1 м от поверхности нами были описаны все типы горизонтов городских почв. Для городских почв и почвоподобных тел характерны следующие диагностические горизонты:

• U - урбиковый горизонт, гумусово-аккумулятивной природы, формирующийся синлитогенно в результате урбопедоседиментогенеза (за счет постепенного накопления на поверхности пылеватых частиц, строительного и бытового мусора и др.) с различными включениями, бурых или серо-бурых тонов окраски, с горизонтально ориентированной структурой, карбонатный («Почва, город, экология», 1997; Герасимова и др., 2003).

• AYur - серогумусовый горизонт с признаками урбопедогенеза. Аналог серогумусового горизонта зональных почв, но с признаками воздействия городской среды. Образуется при проработке материала урбиковых горизонтов и техногенных грунтов (постлитогенно), но в результате воздействия городской среды, имеет место небольшое поступление вещества на поверхность. Отличается от урбиковых горизонтов более темной окраской, комковатой структурой меньшим количеством

включений и новообразований, свойственных урбиковым горизонтам, менее загрязнен, почти не содержит карбонатов (Прокофьева и др., 2011).

• RAT - горизонт торфокомпостной смеси, являющийся поверхностным рекультивантом городских почв и грунтов, темной окраски, содержит большое количество растительных остатков разной степени разложенности. Свойства регламентированы законодательством (Строганова, Раппопорт, 2003; Раппопорт, 2004).

• ТСН - техногенный горизонт. Грунт, измененный и перемещенный с мест природного залегания в результате производственной и хозяйственной деятельности человека, часто с антропогенными включениями, но без признаков почвообразования in situ (структурности, гумусонакопления, новообразований и т.д.). Отличается разнородностью материала (ГОСТ 25100-95; Прокофьева и др., 2011).

2. Объекты и методы исследования

Работы проведены на четырех участках. Всего 21 разновозрастный объект. Участки А и В располагаются в долине реки Москвы, сложенной аллювиальными отложениями (пойма - 1 терраса): А - Крылатский берег -территория Москворецкого парка (рекреационная и деловая зона) - 8 объектов, В - Болотная площадь (селитебно-деловая территория, центр города) - 1 объект.

Участки С и D находятся на водораздельных пространствах

(возвышенные моренные равнины), сложенные покровными суглинками: С -Северное Тушино - 4 объекта (рекреационно-парковая территория и прилегающая к ней жилая застройка); D - 8 объектов в окрестностях МГУ - (селитебно-деловая зона, участки, прилегающие к автомагистралям, а также парковая зона Ботанического сада МГУ). Все объекты были подобраны с учетом их морфологического строения. Основным фактором при подборе объектов была их типичность для городской среды. В работе рассмотрены ПТО на самых часто встречающихся рекультивируемых основах. Для г. Москвы типичны техногенные грунты, представляющие собой смесь местной почвенно-грунтовой основы со строительным или бытовым мусором. Были найдены и описаны два ненарушенных объекта, рассматриваемые как условно-природный фон (для

юл

' V.

Н С : . ИШ '

Г *: .• * V

\ А I ' - : MofW'l ft ' *■*•«». 1 . .. r ь ,

i, L4J

fol ■ "........

¿"Г в 3

TEtST Г , ab**».

ГуиФьЯ«* ^ гЩы

Utey f 't"'!-- '

Рисунок I. Положение участков на карте Москвы

речной долины и для плакорных территорий). Несколько выбранных нами объектов подверглись разновременным наблюдениям в период с 2004 по 2011год.

Для изучения состава твердых атмосферных выпадений (ТАБ) были отобраны их образцы с отбойника а районе Ломоносовского проспекта в летний и зимний период.

В лабораторных и полевых условиях были использованы следующие методы. Определение pH почвы в водной суспензии (в соотношении 1:2,5 для почв, 1:25 для торфокомпостной смеси) потенциометрическим методом (ГОСТ 26423-85). Определение доступных соединений фосфора и подвижных соединений калия методом Кирсанова (Практикум по агрохимии, 2001). Содержание органического углерода методом Тюрина в модификации Никитина (Орлов, Гришина, 1981). Спектры отражения почв и грунтов сняты на спектрофотометре СФ-14 в диапазоне длин волн от 400 до 750 нм. Групповой состав гумуса определен методом Кононовой-Бельчиковой (Орлов, Гришина, 1981). Содержание карбонатов определено волюметрическим методом по Голубеву («Практикум по почвоведению...», 1986). Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) — потенциометрическим методом с помощью полевого потенциометра (Скрынникова, 1977). Валовое содержание ТМ методом инверсионной вольтамперометрии (вытяжка —концентрированные HN03+HC1 (5:1)) (ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.46-06), содержание НП методом ИК-спектрометрии (ПНД Ф 16.1:2.2.2298). Определение плотности почв (объемной массы) — по Качинскому (Вадюнина, Корчагина, 1961). Определение сопротивления расклинивающему давлению — с помощью микропенетрометра (Шеин и др., 2001). Исследование целлюлозолитической активности — аппликационным методом, ферментативной активности (активности каталазы, дигидрогеназы, инвертазы) в соответствии с «Проблемы и методы...» (1980). Обрастание комочков почвы исследовалось на среде Эшби, произведен посев бактерий олигонитрофилов («Методы почвенной...», 1980). Субстратиндуцированное дыхание (СИД) — методом газовой хроматографии в аккредитованной газогеохимической лаборатории факультета почвоведения («Методы почвенной...», 1980), расчеты углерода микробной биомассы — по Anderson, Domsch, (1978). Исследование почвенной мезофауны проведено методом ручной разборки, видовой состав определен Рахлеевой A.A. (Гиляров, 1975). Микроморфологические исследования на поляризационном микроскопе ЛОМО ПОЛАМ Л-213 (х25-250). Полученные данные обрабатывались в пакете STATISTICA 8.0.

3. Морфологические свойства исследованных ПТО и городских почв. Протекание любых почвенных процессов приводит к образованию и накоплению новых педогенных твердофазных продуктов и структуры (Таргульян, 1985, 2008). Таким образом, изменение почв и ПТО во времени, прежде всего, диагностируется по изменению их морфологических свойств.

Собственно рекультивадионное тело всегда состоит из горизонта RAT, включающего до 25% растительных остатков. Под RAT горизонтами располагается небольшой слой насыпного грунта. Общая мощность рекультивационного тела не превышает 40 см. Нижняя часть - основа под рекультивацию представлена различными субстратами (рис.2): А - рекультивационное тело покрывает урбиковые горизонты; Б -основой является серки техногенных горизонтов; В - основой под технозем служит рыхлая порода естественного залегания, в нашем случае аллювий; Г - основа смешанная.

Также нами были описаны случаи самозарастания (рис. 3) техногенных отложений без рекультивации.

А Б В Г

Рисунок 2. Общий вид профиля ПТО с различными Рисунок 3. Строение профиля основами под рекультивацию слаборазвитой почвы на техногенных

отложениях

Рисунок 4. Микростроение свежесформированных RAT горизонтов (Николи ||).

RAT - свежесформированные горизонты выглядят под

микроскопом следующим образом

Рисунок 5. Микростроение горизонтов RAT возраст 4-7 лет (Николи \ \).

много растительных остатков разной степени разложенности, плазменная

составляющая - гумусовая, количество минеральных зерен не прокрашенных органическим веществом относительно

небольшое (преимущественно кварц), карбонатные включения единичны.

В горизонтах RAT возраста от 3 до 7 лет (рис. 5) присутствует

см

L RAE AYur

гораздо меньшее количество слаборазложенных растительных остатков, объем минеральной части относительно увеличивается за счет минерализации растительных остатков и аэрального привноса минеральных частиц. Тонкодисперсное органическое вещество сгустковой формы. Часто присутствуют углистые частицы. Появляются карбонатные включения, такие как обломки твердых карбонатных строительных растворов и карбонатные новообразования в форме нодулей.

В объектах, возраста 4-7 лет, на месте рекультивационных диагностированы горизонты AYur, причем, в профилях почв, описанных на участках, находящихся в речной долине, эти горизонты заместили горизонт RAT, а в разрезах расположенных на плакорных участках этот горизонт образовался на границе RAT и нижележащего горизонта (рис. 6). То, что рекультивант был положен именно на техногенные грунты, а не на серогумусовый горизонт подтверждает история землепользования участков и разновременные наблюдения за этими объектами.

В почвах, где основой под рекультивацию были урбиковые горизонты, вне зависимости от положения в рельефе, за этот период сформировался AYur на поверхности.

При самозарастании техногенных грунтов в течение 4-7 лет также образуются почвы с поверхностным горизонтом AYur, вне зависимости от подстилающих пород и принадлежности к геоморфологическим условиям, однако мощность этого горизонта меньше, чем горизонтов AYur, образовавшихся на месте RAT.

AYur горизонты (рис. 7), возникшие из горизонтов RAT на техногенных грунтах (4-7 лет) как на водоразделе, так и в речной долине, имеют плазменно-пылевато-песчаное микростроение, в шлифах обнаруживаются различные

микровключения, карбонатные

новообразования; органическое вещество в основном, дисперсное, реже сгустковое, появляются потеки гумуса, встречаются углистые частицы, заметна зоогенная проработанность материала, присутствуют так же консолидированные микрофрагменты.

lOOL

Речная долина Водораздел

Рисунок 6. Различия морфологических изменений в профилях 4-7 летнего возраста в разных литолого-геоморфологических позициях

Рисунок 7. Микростроение А Yur на техногенных отложениях (Николи) \)

Аналогичные горизонты,

образовавшиеся в результате рекультивации урбаноземов (рис. 8) отличаются плазменно-пылеватым строением, органическое вещество также дисперсное, реже сгустковое, в беекарбонахных областях присутствует потечное органическое вещество и есть признаки перемещения глины, плазма железисто-гумусовая, включений немного.

В почвах возраста более 30-40 лет в речной долине и на водоразделе на месте поверхностных серогумусовых горизонтов диагностируются поверхностные урбиковые горизонты. Сформированный в течение 30-40 лет поверхностный урбиковый горизонт на микроуровне соответствует горизонтам, описанным другими авторами (Прокофьева и др., 2001; Прокофьева, Варава, 2010). Урбиковые горизонты, как основу под рекультивацию, так и поверхностные горизонты, сформировавшиеся после рекультивации, отличает преобладание гумусовой плазмы (в основном, дисперсное органическое вещество), присутствуют признаки перераспределения железа, карбонаты представлены различными формами: от стяжений до отдельных кристаллов кальцита в плазме, всегда присутствуют различные микровключения - разрушающиеся фрагменты кирпича, щебень, редко асфальт и резина, твердые карбонатные строительные растворы (бетон, цемент и др.). Заметна структурированность материала и равномерная прокраска гумусом.

Для техногенных горизонтов, как для основы под технозем, характерны: отсутствие или единичные микровключения (при большом количестве артефактов на макроуровне), сильная разнородность и микрофрагментарность материала, большое количество консолидированных микрофрагментов и областей, присутствие оглеения, органическое вещество различных форм, как дисперсное, часто потечное, так и сгустковое. Причем потеки гумуса характерны для горизонтов возрастом более семи лет. Повсеместно встречаются следы движения глины, железа и гумуса в бескарбонатной среде. Присутствуют фрагменты унаследованных кутан, однако, в большинстве горизонтов, кутаны современные. Минеральный скелет разнообразен, много различных темноцветных минералов, часто встречается глауконит, в отличие от преимущественно кварцевого состава горизонта RAT.

4. Физические свойства исследованных ПТО и городских почв. Для

городских почв характерно ухудшение физических условий («Почва, город, экология», 1997). Плотность разных типов поверхностных горизонтов представлена на графике (рис. 9). Она, в среднем, увеличивается с возрастом от 0,75 до 1,3 г/см3. Для стадии образования горизонта урбик наблюдается слабое переуплотнение (диапазон

Рисунок 8. Микростроение AYur наурбиках (Николи \)

1,2 -1,4 г/см3 по Качинскому (Воронин, 1988)). Если же учесть субстраты основ объектов (рис. 10), то видно, что плотность горизонтов AYur, сформированных на урбиковых горизонтах, ниже на 0,2 г/см5, чем аналогичных горизонтов, образовавшихся на основе из техногенных отложений. Плотность горизонтов, образовавшихся на отложениях с бытовым мусором (рекрементогенных отложениях) сильно варьирует. Необходимо отметить, высокую плотность дернины слаборазвитых почв на техногенных отложениях, здесь также как и в урбаноземе наблюдается слабое переуплотнение. Плотность остальных объектов находится в оптимальном диапазоне (0,9 - 1,2 г/см3).

Критические значения

сопротивления пенетрации для легкосуглинистых и супесчаных почв находятся в интервале 45-55 кг/см2 (Шеин, 2005). При сравнении полученных результатов (табл.1) с этим интервалом, видно, что условия для проникновения корней в почву достаточно благоприятны.

Разделив горизонты на группы в зависимости от основы (рис. 11),

Рисунок 9. Плотность разновозрастных _

' . г получаем, что с годами сопротивление

поверхностных горизонтов, г/см3

пенетрации поверхностных горизонтов возрастает вне зависимости от субстрата-основы, однако AYur на техногенных горизонтах имеют большую твердость, чем горизонты, сформировавшиеся при подстилании урбиковыми горизонтами.

Таблица 1

Сопротивление расклинивающему давлению поверхностных горизонтов разного

возраста

RAT 0-3 года RAT 4-7 лет AYur и

Сопротивление пенетрации, кг/см2 1,1±0,7 3,7±1,0 5,4±2,0 8,4±2,4

i,6

I Т

lili

RAT 0-3 юм ЯАТ 4-7 лет AYur U

llill.ll

32 3 5 ,"s¡ s35 с Z Ь 2

о 2 2о= '< 3 * = 3 = £ з ¥ < 3 ? 3 3

Н hj а1| «§§ %

ji |S

Рисунок 10. Плотность горизонтов г/см в зависимости от основы под рекультивацию.

При измерении физических свойств основ под

рекультивацию выявлено, что техногенные горизонты, как основа, отличаются от остальных горизонтов достаточно высокой степенью уплотнения (плотность - 1,8±0,2 г/см3; твердость -23±14 кг/см2). Урбиковые горизонты имеют более Рисунок 11. Сопротивление пенетрации горизонтов, кг/см2 благоприятные свойства

в зависимости от основы под рекультивацию (1,2±0,2г/см3; 14±3 кг/см2).

Самые оптимальные физические условия для рекультивации обнаружены у аллювия (1,4±0,2 г/см3; 3 ± 1 кг/см2).

5. Химические и физико-химические свойства исследованных ПТО и городских почв. Химические свойства изученных горизонтов представлены на рисунке 12. Горизонты RAT характеризуются невысокими значениями ОВП (400-500 мВ). Реакция среды слабокислая до нейтральной (pH 5,6-6,9). Содержание органического углерода в молодых горизонтах RAT — до 25%, что соответствует существующим законодательным нормам, в первые 4-7 лет трансформации уровень значений этого показателя резко падает до 7-10%. Горизонт RAT иногда содержит примеси СаС03 (до 0,5 %). Четко прослеживается связь содержания карбонатов с возрастом — чем старше горизонт, тем выше их количество. Содержание подвижного фосфора и водорастворимого калия в рекультивационных горизонтах коррелирует, в основном, с содержанием бытового мусора в основе под рекультивацию, так максимальное содержание фосфора и калия (до 150 мг/юг) приходится на ПТО рекультивированных свалок.

Горизонты AYur имеют следующие свойства: pH от 6,0 до 8,0. Содержание органического углерода в среднем около 2,1 %, подвижного фосфора и водорастворимого калия — варьирует в зависимости от почвообразующей породы от 2 мг/кг до 130 мг/кг. Уровень их содержания в поверхностных горизонтах возрастом более семи лет связан с интенсивностью выгула домашних животных. ОВП повышен по сравнению с RAT — 500-600 мВ.

Поверхностные горизонты U, образовавшиеся в течение 30-40 лет характеризуются ОВП около 600 мВ, слабощелочной реакцией среды (около 7,5 ед. pH), высоким содержанием Сорг (2,3%) и карбонатов (2,8%), а также высоким содержанием подвижного фосфора и водорастворимого калия (в среднем 180 мг/кг и 140 мг/кг).

12 10 I 1 -ill 1

X 5 х ¡1 i i i X X У X Ё = £ 21 s Is i ? с X < С 5 = С 2 £ t d at x г - fa d < * = * xp i = ; > J с «5 £ ! о p. о а о a a 2 X У 'J - - В s В x 5 с, "с. У о >> >. о ¡2 о О с. D

Различия между горизонтами, образовавшимися на долинных территориях и плакорных пространствах незначительны.

4 \Miistef РЫ

Г д

Рисунок 12. Физико-химические свойства антропогенных горизонтов на разных стадиях трансформации: А - окислительно-восстановительный потенциал ', Б - содержание карбонатов; Г -содержание соединений подвижного фосфора; Д - содержание соединении растворимого калия

Техногенные горизонты, как основа под рекультивацию, имеют следующие свойства. Реакция среды - от слабокислой до слабощелочной (рН = 6,0-7,9). Содержание Сорг от 1% до 13% в горизонтах рекультивированных свалок. Также возможно присутствие большого количества фосфора и карбонатов, в зависимости от содержания бытового и строительного мусора (до 2% СаС03, до 220 мг/кг Р205). Большинство техногенных горизонтов загрязнены тяжелыми металлами, вплоть до уровня ОДК (до Ъъ - 197; РЬ - 107; Си - 144; Сс1 - 0,9 мг/кг). ОВП в горизонтах ТСН составляет 400-500 мВ.

Урбиковые горизонты, как основа для рекультивации характеризуются более высоким и благоприятным ОВП (500-600мВ), чем у горизонтов ТСН. Реакция среды слабокислая до нейтральной, и даже до щелочной в центре города (рН 6,6 - 8),

содержание органического углерода от 0,6 до 4%, высоко содержание подвижного фосфора (до 180 мг/кг) и растворимого калия (до 150 мг/кг), а также высоко содержание карбонатов (до 4%). Присутствуют превышения фоновых значений содержаний тяжелых металлов (Zn - до 148; РЬ - до 78; Си - до 55; Cd - до 0,2 мг/кг).

Содержание органического углерода, карбонатов и кислотность убывают вниз по профилю. Однако, если основой под рекультивацию послужили горизонты урбик, то в профильном распределении появляются максимумы, ввиду высокого Сорг, рН и содержания карбонатов в этих горизонтах. Также максимумы в профильных распределениях могут быть связаны с включениями строительного и бытового мусора в толще техногенных грунтов.

Состав органического вещества в процессе трансформации претерпевает следующие изменения. В свежесформированном горизонте RAT отношение Сгк/Сфк варьирует от 0,9 до 2,2, что говорит о различном типе гумуса, и, следовательно, о различии в способе приготовления субстратов. Важно также отметить высокое количество негидролизуемого остатка (около 75% от всего Сорг). Спектр отражения (рис. 13) этих горизонтов вогнутый (tga угла наклона спектральной кривой равен 0,01), без перегибов, и по форме соответствует спектрам отражения низинных торфов (Орлов и др., 2001). Спектр отражения отмытых пирофосфатным методом от гумусовых кислот горизонтов RAT практически не изменяется (tga 0,02), что говорит о высоком содержании прочносвязанных с минеральной матрицей гуминовых, фульвокислот, негидролизуемого остатка и других трудно разлагаемых органических веществ.

Спустя 4-7 лет трансформации отношение Сгк/Сфк горизонтов RAT снижется до 0,9 (гуматно-фульватный тип гумуса), доля негидролизуемого остатка в среднем около 60% на фоне уменьшения количества органического вещества в целом. Спектры отражения этих горизонтов становятся более выположенными, tga = 0,01, без перегибов, которые проявляются на спектральной кривой в области 520-600 нм после удаления гумусовых кислот (tga=0,05), что свидетельствует о наличии в минеральной части соединений несиликатного железа, которые маскируются соединениями почвенного органического вещества Это говорит о том, что формирование органической составляющей почв продолжалось после формирования минеральной части. Также необходимо отметить, что усредненные спектры RAT возраста 4-7 лет и AYur, отмытых от гумусовых кислот, практически идентичны.

Тип гумуса горизонтов AYur - гуматно-фульватный (Сгк/Сфк в среднем 0,9). У горизонтов, сформированных на основе из горизонтов урбик, отношение Сгк/Сфк ниже (около 0,7), а на техногенных выше — 1,3. Также необходимо отметить, что непрошедшие стадию рекультивации серогумусовые горизонты отличаются еще более низким значением этого показателя (0,55). Это говорит о формировании большего количества ФК, что характерно для почв данной природной зоны. Доля негидролизуемого остатка также около 70%. Спектры этих горизонтов имеют

з-образный вид, с перегибом в области 520-600 нм = 0,04), что говорит о значительном влиянии соединений несиликатного железа на окраску.

А Б

Рисунок 13. Усредненные спектры отражения различных почвенных горизонтов города: Л -спектры горизонтов; Б - спектры после удаления гумусовых кислот.

Урбиковые горизонты, образовавшиеся на месте рекультивационных горизонтов за 30-40 лет, характеризуются более низким отношением гуминовых и фульвокислот - 0,55, как на основе из урбиковых, так и техногенных горизонтов. Доля негидролизуемого остатка около 70%.

В результате исследования содержания ТМ (Pb, Zn, Cu, Cd) в ПТО на разных стадиях трансформации выяснилось, что содержание ТМ в рекультивационных горизонтах варьирует в широких пределах в зависимости от удаленности объекта от источника антропогенной нагрузки на данную территорию и возраста объекта (в молодых ЯАТ(мг/кг) - Zn - min 18, max 390; Pb - min 16, max 193; Cu - min 13, max 177; Cd-min 0.01, max 4,7; в RAT возрастом 4-7 лет (мг/кг) - Zn - min 242; max 286; Pb - min 155, max 178; Cu - min 98, max 124; Cd - min 0,1, max 0,5). Исследование поллютантов (ТМ и НП) в образцах TAB с Ломоносовского проспекта, отобранных в зимний и летний период, показывает, что содержание нефтепродуктов в летней пыли 4153 мг/кг, а в зимней 5133 мг/кг, что в 14 и в 17 раз превышает ПДК для почв. Содержание ТМ (мг/кг): Си - 873 и 961; Cd - 7,0 и 9,0; Zn - 1100 и 1250; РЬ - 300 и 450. Таким образом, уже, в первые четыре года своей «жизни», при исключительной близости к источнику загрязнения рекультивационные горизонты накапливают в себе высокие концентрации загрязняющих веществ, что делает рекультивацию поверхностных горизонтов неэффективной, учитывая, что в дальнейшем концентрации токсикантов продолжают возрастать.

6. Биологические свойства и биологическая активность исследованных ПТО и городских почв В ряду трансформации наблюдается тенденция к смене микробных сообществ. Высокая целлюлозолитическая активность

рекультивационных горизонтов последовательно уменьшается на стадиях трансформации (с 35% в RAT-до 1,5% в горизонтах U в месяц). Уменьшается число колоний бактерий олигонитрофилов (на порядок с 70 млн. КОЕ/г в свежесформированных RAT до 9 млн. КОЕ/г в AYur и 4 млн. КОЕ/г в U), а обрастание комочков почвы азотобактером в процессе трансформации ПТО увеличивается. Также происходит уменьшение углерода микробной биомассы с 1482 мкг С/г почвы в RAT до 672 мкг С/г почвы в молодом горизонте U.

В процессе трансформации горизонты RAT постепенно осваиваются почвенной фауной, как в речной долине, так и на водоразделе (и численность и биомасса на участках примерно равны). В дальнейшем биомасса и численность зообиоты увеличиваются.

Сравнивая по биологическим свойствам одновозрастные горизонты, сформировавшиеся на различных подстилающих субстратах, мы также можем отметить, что у AYui горизонтов, сформированных на урбаноземе, целлюлозолитическая активность меньше, чем у горизонтов, образовавшихся после рекультивации на техногенных отложениях (3,5% и 12,8% соответственно). Наблюдается увеличение обрастания почвенных комочков поверхностных горизонтов, сформированных на урбаноземе, азотобактером по сравнению с серогумусовыми горизонтами, развитыми на техногенных отложениях (82% и 50% соответственно). Таким образом, погребенные горизонты урбик служат источником видов для заселения рекультивационного тела и его адаптации к городской среде. В горизонтах, сформированных на рекрементогенных отложениях (с большим количеством бытового мусора) наблюдался высокий уровень углерода микробной биомассы (11784,69 мкг С/г почвы), что на порядок выше, чем в других объектах. И может свидетельствовать о микробиологическом загрязнении.

Биологические свойства техногенных горизонтов (составляющих основы под рекультивацию), отличаются тем, что в них хуже всего разлагается целлюлоза (до 0,5%), однако выявлен высокий процент обрастания азотобактером (до 80%) (для горизонтов с содержанием включений бытового мусора). Но высокая плотность и твердость техногенных горизонтов не способствует заселению их мезофауной, этим можно объяснить низкое видовое разнообразие и малую биомассу почвенных животных.

Для урбиковых горизонтов, как основ под рекультивацию, так и молодых поверхностных горизонтов, характерны: низкая целлюлозолитическая активность (до 3,5 % за три месяца), высокая степень обрастания азотобактером (до 94%), а также небольшая численность колоний олигонитрофилов (порядка 1 млн. КОЕ/г), и максимальная численность мезофауны среди изученных антропогенных горизонтов.

Анализ состава и численности почвенной мезофауны с разделением на трофические группы показал (рис. 14): хищники быстрее заселяют свежесформированные ПТО, так как имеют возможность перемещаться по дневной поверхности и в воздухе (например, жуки), однако, в последствии они уступают по

численности фитофагам, которые непосредственно питаются растительными остатками и корнями, многочисленными как в ПТО, так и в серогумусовом и в урбиковом горизонтах (участок С). А при условии близости источника биоразнообразия, такого как условно ненарушенная пойменная территория, сообщество почвенных животных сравнимо по трофическому составу с естественным (участок А).

А Б

Рисунок 14. Распределение трофических групп на участках А - Тушино; Б - Крылатский берег

Таким образом, при близком нахождении источника биоразнообразия и наличии основы под рекультивацию с благоприятными свойствами для живых организмов, количество вредителей для зеленых насаждений сокращается, а в доминанты выходят хищники, сообщество становится похожим на природное.

7. Трансформация почвоподобных образований в условиях урбоэкосистемы

Прослеживается следующий тренд трансформации (рис. 15) поверхностных горизонтов ПТО:

1 - инициальная стадия: На различные субстраты разной мощности ддя рекультивации накладывается торфокомпостная смесь с маломощной супесчаной или легкосуглинистой техногенной отсыпкой — так формируется ПТО с поверхностным горизонтом RAT. Если рекультивации не происходит, то техногенный грунт зарастает растительностью, преимущественно сорной, с образованием дернины и формированием слаборазвитых почв (за 2-3 года). И момент формирования ПТО, и формирование техногенного грунта на дневной поверхности можно рассматривать как ноль-момент для современного почвообразования.

Горизонты RAT отличаются низкой объемной массой (0.8 г/см ), высоким содержанием Сорг (до 25%), имеют слабовосстановительный режим.

Из сопоставления времени существования рекультивационных тел и морфологии профилей следует, что верхние горизонты рекультивационных смесей начинают минерализовываться уже в первые годы после рекультивации. Гумус становится менее гуматным.

II — стадия формирования серогумусового горизонта (4-7 лет): Основными

процессами на инициальных стадиях почвообразования являются

процессы преобразования

органического вещества и накопления гумуса. Благодаря этим процессам, в материале

рекультивационного тела или на техногенных грунтах, по L прошествии от четырех до семи лет, в зависимости от основы, образуется серогумусовый горизонт с признаками урбопедогенеза.

Мощность серогумусового

горизонта, сформировавшегося из RAT, на суглинистых отложениях - 5-7 см; на супесчаных - около 15 см; мощность серогумусового горизонта на нерекультивированной основе на супесчаных отложениях за тот же период - 11 см. Формирование AYur происходит следующим образом: в рекультивационных горизонтах начинают появляться морфоны серогумусовых горизонтов, а далее обособляются и целостные горизонты. При этом RAT-горизонты ПТО, расположенных на территории речной долины, практически полностью прорабатываются процессами почвообразования за указанное время, и, в результате, замещаются серогумусовыми горизонтами. В случае же, если ПТО находится на плакорных территориях с суглинистыми литологическими основами, процессы 1 преобразования органического вещества затрагивают нижнюю часть торфокомпостной смеси и верхнюю часть основы под рекультивацию - в результате серогумусовый горизонт на начальных стадиях почвообразования формируется между горизонтом RAT и основой под рекультивацию.

На этой стадии повышается плотность поверхностного горизонта до 1,2 г/см3, снижается количество органического углерода до 3%, тип гумуса гуматно-фульватный. Происходит изменение окислительно-восстановительного режима со слабовосстановительного на слабоокислительный, а также накопление в толще горизонта карбонатов до 1%. |

В случае отсутствия рекультивации на техногенных отложениях так же формируется горизонт AYur, позволяющий диагностировать почву, как 1 серогумусовую (дерновую) на техногенных отложениях. Однако, время I формирования горизонта больше (на 2-3 года), он менее гумусированный с гумусом фульватного типа, и его мощность меньше, чем у аналогичных горизонтов, сформировавшихся после рекультивации, за тот же период времени.

III — стадия формирования урбикового горизонта (30-40 лет): На территории города происходит постоянный привнос твердых аэральных выпадений, крупного мусора и других субстратов на поверхность почвы, поэтому в серогумусовых горизонтах, практически с начала их образования, проявляются признаки урбопедогенеза такие, как накопление антропогенных включений, карбонатов, поллютантов и т.д. Постоянный аэральный привнос твердых частиц, составляющий в Москве от 0,09 т/и2 до 8,80 г/м2 в сутки в зависимости от функциональной нагрузки (Ачкасов, Башаркевич и др., 2006; Быкова, 2002), и вовлечение их в почвообразование приводит к формированию урбикового горизонта в течение 30-40 лет (мощностью 2030 см). Для этих горизонтов характерны слабая переуплотненность (1,3 г/см3), высокое содержание карбонатов (около 3%), меньшее содержание органического вещества (около 2%) с преобладанием фульвокислот в автоморфных условиях, окислительный режим (ОВП около 600 мВ).

При минимальном привносе аэральных выпадений за тот же период не происходит переход на стадию урбикового горизонта. Серогумусовый горизонт с признаками урбопедогенеза лишь накапливает свою мощность. Примеры такого «торможения» трансформации нами были встречены в объектах, находящихся в Ботаническом саду МГУ, где возраст серогумусовых почв на техногенных отложениях составляет около 50 лет.

В результате шестилетнего наблюдения за морфологическим строением профиля ПТО сформированного на аллювии естественного залегания, в условиях отсутствия техногенной нагрузки и удаленности от источников загрязнения (разрез 1), выяснилось, что, рекультивационный горизонт этого ПТО трансформировался в более мощный гумусово-аккумулятивный горизонт (около 20 см) по сравнению с аналогичными горизонтами на других основах. По причине отсутствия источников загрязнения и минимального аэрального привноса этот горизонт практически не имеет признаков урбопедогенеза. Характер основы под рекультивацию, в виде аллювия естественного залегания, позволяет охарактеризовать это ПТО, как наиболее способствующее развитию зоо- и фитоценоза. А основу из естественного супесчаного грунта считать наиболее благоприятной.

Случай формирования ПТО на покровном суглинке естественного залегания нами не встречен. Про трансформацию основы из техногенных отложений, которые состоят из материала покровных суглинков и антропогенных включений, можно сказать следующее: трансформация таких горизонтов происходит постепенно, с образованием на границе рекультивационного горизонта и техногенной толщи морфонов серогумусового горизонта с признаками урбопедогенеза. В суглинистых техногенных горизонтах возраста 30 и более лет на микроуровне отмечены явные признаки вертикального перемещения вещества, такие как современные гумусо-

глинистые кутаны, что свидетельствует о выносе органического вещества и глины из поверхностных горизонтов (лессиваж).

Как основа под рекультивацию (исключая естественные супесчаные грунты) наиболее благоприятны горизонты урбик, с их хорошими физическими (плотность -1,2-1,3 г/см3, твердость - 14 кг/см2) и химическими (Сорг - до 4%, СаСОз - до 4%, ОВП до 600 мВ) свойствами. Техногенные грунты, напротив, являются наименее благоприятной основой, из-за их переуплотнения (плотность, в среднем, 1,8 г/см3; твердость - 23 кг/см2), низкого ОВП, неоднородности и отсутствия структуры.

Изменение органического вещества в ряду трансформации происходит следующим образом: рекультивационные горизонты быстро минерализуются в первые годы существования, затем происходит некая стабилизация содержания Сорг в АУш горизонтах. На спектральных кривых отражения это выражается в увеличении tg угла наклона кривых в целом, и повышении коэффициентов р750. Для горизонтов АУиг, и и ТСН характерно появление перегиба в области 500-600нм, обусловленного усилением влияния несиликатных соединений железа на фоне ослабления влияния органического вещества на формирование окраски горизонтов. В урбиковых горизонтах микрофлора целлюлозолитиков угнетается и процессы преобразования растительных остатков замедляются. По мере трансформации рекультивационного материала в урбоэкосистеме в автоморфных условиях тип гумуса приближается к типу гумуса фоновых почв.

Изучение ПТО, расположенных в различных функциональных зонах, показывает, что, чем ближе источники загрязнения, тем больше поллютантов накапливается в рекультивационном горизонте, что обуславливает необходимость быстрого проведения повторной рекультивации. Содержание поллютантов в рекультивационных телах, близ крупной автомагистрали, уже в первые годы трансформации достигает катастрофических концентраций, что может приводить к угнетению и гибели зеленых насаждений. Излишнее воздействие на компоненты биогеоценоза при проведении рекультивационных работ, и загрязнение из атмосферных выпадений неблагоприятно сказывается на функционировании поверхностных почвоподобных и почвенных тел. В результате, постоянная замена грунтов препятствует формированию устойчивых биологических сообществ и способствует повышению эмиссии парниковых газов (Васенев, 2011), проблема загрязнения почв при этом не решается. Таким образом, частая замена грунта придорожных и других территорий с высокой техногенной нагрузкой не эффективна, а, в некоторых случаях, может быть вредна.

Для увеличения эффективности рекультивационных работ, по нашему мнению, необходимо уделять гораздо большее внимание основе, хотя бы в пределах 1 м, как предписывает закон «О городских почвах» г. Москвы. По-видимому, нужно проводить мероприятия по рыхлению и оструктуриванию техногенных горизонтов перед созданием ПТО, например, применять структурообразователи. Как уже было показано выше, техногенные грунты имеют неблагоприятные физические свойства,

что препятствует быстрому вовлечению их материала в процессы почвообразования. Образование устойчивой структуры позволит ускорить процессы проникновения биоты и биогенную проработку материала этих горизонтов, улучшить условия для произрастания растений.

Для продления «жизни» рекультивационных поверхностных горизонтов в условиях загрязнения требуется разработка специальных мер, позволяющих не производить частой замены грунта. Необходимо создание специальных рекультивационных смесей или добавок, обеспечивающих длительную нейтрализацию и детоксикацию загрязнителей, например, с использованием гуминовых препаратов.

Применение Систематики почв г. Москва, (Прокофьева, Мартыненко, Иванников, 2011), показало, что диагностика городских почв и почвоподобпых образований на глубину 1 метр, с приоритетом почвенных горизонтов АУиг и и и учетом мощности рекультивационной толщи позволяет легко отделить типы почв и ПТО друг от друга. Названия почв, данные по этой классификации, четко разделяют стадии формирования и трансформации почвоподобных тел и почв в описанном ряду. Так, преобладающее влияние основы из урбиковых горизонтов обнаруженное в процессе нашего исследования, подтверждает отнесение объекта ПТО мощностью менее 40 см на основе из урбанозема к типу городских почв - урбанозем.

Выводы

1. В городской среде протекает трансформация ПТО в направлении образования специфических городских почв - урбаноземов. Время трансформации рекультивационной смеси в серогумусовый горизонт составляет от 4 до 7 лет. Дальнейшая трансформация до урбикового горизонта протекает несколько десятков лет. Обнаруженные поверхностные горизонты урбик, прошедшие стадию рекультивации имеют 30-40 летний возраст. Направление саморазвития почв на нерекультивировапиых техногенных отложениях то же. Развитие серогумусовой почвы идет через стадию слаборазвитой почвы (пелозем, псамозем) и составляет 7- 10 лет.

2. Основными процессами на ранних стадиях трансформации ПТО являются процессы минерализации органического вещества и накопления гумуса. О минерализации свидетельствует резкое снижение содержания органического вещества уже за первые четыре - семь лет существования ПТО. Так же в ряду трансформации изменяется состав органического вещества - в процессы трансформации вовлекаются прочносвязапные фракции гумуса, а тип гумуса изменяется на более фульватный.

3. Распределение содержания органического углерода, карбонатов, рН и микробный пул в ПТО и почвах на разных стадиях трансформации носит аккумулятивный характер. Максимумы содержания в средних и нижних частях профилей приходятся на погребенные горизонты урбик, выступающие в роли

источников органического вещества, карбонатов, а также служащие источником биоразнообразия.

4. Содержание водорастворимого калия и подвижного фосфора в исследованных объектах на разных стадиях трансформации зависит от состава рекультиванта, состава основы под рекультивацию (загрязненность бытовым и строительным мусором, наличие фрагментов почвенных горизонтов) и интенсивности рекреационного воздействия на эти объекты и слабо зависит от времени трансформации.

5. В процессе трансформации высокая микробиологическая активность падает уже за первые четыре года существования рекультивационного тела, в результате на стадии серогумусового горизонта микробиологическая активность минимальна. В дальнейшем показатели биологической активности остаются на постоянно низком уровне, что свидетельствует о формировании устойчивого микробиологического сообщества. Также в процессе трансформации развивается особый микробный пул, характерный для городских почв. Так горизонты урбик показывают практически 100% обрастание почвенных комочков бактериями рода азотобактер.

6. Содержание поллютантов в рекультивационных телах, при условии близости источника загрязнения (крупная автомагистраль), уже в первые годы трансформации достигает катастрофических концентраций. Из этого следует, что рекультивация с целью уменьшения количества загрязнителей в почвах близ автомагистралей не целесообразна.

7. Техногенные горизонты (техногенный грунт) отличает наличие неблагоприятных физических свойств, в виде высоких значений плотности сложения, твердости, плохой оструктуренности и, как результат, наличие слабо восстановительной обстановки и слабой биологической активности. Это позволяет определить техногенные горизонты, как наименее благоприятную основу под рекультивацию, в отличие от горизонтов урбик и естественных пород, а также субстантивно отделить их ог типичных горизонтов городских почв - урбик с меньшей твердостью и хорошей оструктуренностью.

8. Благополучие функционирования ПТО определяется не только свойствами рекультивантов, но и характеристиками основы, на которой ПТО сформировано. Из этого следует, что для повышения эффективности рекультивации и воссоздания экологических функций почв посредством ПТО следует контролировать не только собственно рекультивационное тело (КАТ+ТСН = около 30-40 см), но в целом толщу в 1 м, как предполагает закон «О городских почвах» г. Москва. Это определяет необходимость разработки мероприятий по улучшению, прежде всего, физических свойств основы. Целесообразна разработка регламентов по улучшению структуры и химических свойств техногенных горизонтов (слоев техногенного грунта).

Список работ опубликованных по теме диссертации

1. Иванников Ф.А. Трансформация почв речных долин в условиях городской среды (па примере долины Москва-реки)//Материалы XV Международной конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов -2008», Москва, 2008 с. 48-49

2. Прокофьева Т.В., Варава O.A. Иванников Ф.А. Городские почвы речных долин (па примере г. Москвы) // Материалы V Всероссийского съезда общества почвоведов. -Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат», 2008.С 449.

3. Fedor Ivannikov and Tatiana Prokofieva. The properties and evolution of artificial soil-like bodies in the urban environment.// Geophysical Research Abstracts Vol. 12, EGU2010-330-1, 2010, EGU General Assembly 2010. http://meetings.copernicus.org/egu2010/

4. Иванников Ф.А. Техногенные почвоподобные тела и их трансформация в условиях города (на примере города Москвы)//Материалы Международной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 145-летию РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева (Москва,2010), Том 1, с. 191 -195.

5. "Иванников Ф. А., Прокофьева Т. В. Техногенные почвоподобные тела речной долины и их трансформация в условиях города (на примере долины р. Москвы)// Вестник Московского университета. Сер. 17, Почвоведение. - 2010. - N 4. - с. 10-15.

6. Иванников Ф.А. Почвоподобные тела городских территорий, их развитие и трансформация.//Материалы Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почва в условиях природных и антропогенных процессов» // Под. Ред. Б.А. Апарина - СПб.: издательский дом С.-Петербургского государственного университета, 201 I.e. 260- 261.

7. *Прокофьева Т.В., Мартыненко И.А., Иванников Ф.А. Систематика почв и почвообразующих пород Москвы и возможность их включения в общую классификацию.//Почвоведение, 2011, №5, с. 611-623.

8. Theodor A. Ivannikov, Tatiana V. Prokofieva. Soil-like bodies in urban areas. Formation and Evolution.// Abstracts of the 6th International Conference on Soils in Urban, Traffic, Mining and Military Areas (SUITMA), Marrakech, Morocco, p. 43.

9. Иванников Ф.А. Трансформация почвоподобных тел в условиях урбоэкосистемы (на примере г. Москвы.)// Материалы Международной конференции молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (Москва, 2011) (в печати).

10.*Васильев П.А., Горин В.В., Иванников Ф.А., Буринова Б.В., Мельникова А.Д. Изучение загрязнения почв Северного Административного округа г. Москвы тяжелыми металлами 1-го и 2-го класса опасности// Экологические системы и приборы - Москва, 2011. № 7, с. 18-22.

*Статьи в журналах из списка ВАК

Подписано в печать:

15.02.2012

Заказ № 6654 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Объем: 1,5усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Иванников, Федор Андреевич, Москва

61 12-3/545

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

Иванников Федор Андреевич

Трансформация почвоподобных техногенных образований в условиях урбоэкосистемы (на примере г. Москвы)

Специальность: 03.02.13 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

Кандидат биологических наук, доцент Прокофьева Татьяна Вадимовна

Москва-2012

Содержание

Введение..,.,,..,....,......,..,..,.,................................................................................3

^ Почвоподобкые техногенные образования в условиях городской

среды..............................................................................................................................7

Ы. Особенности почвообразования в городе....................................................7

1.2, Городские почвы. Свойства и классификация...............................................................13

1.3, Эволюция, трансформация: и саморазвитие почв. Термины и их приложение к городскому почвообразованию...........................'......................................••••• 21

1.4, Формирование и трансформация почвенного покрова в городе...................................23

1.5, Современный этап урбопедоседиментогенеза....................................................28

1.6, Техноземы. Определение, свойства, Техноземы в городе.........,...,..,..........................32

2. Объекты и методы исследования..................................................................35

2.1. Объекты исследования...................................................................................35

2.2. Методы исследования..........................................................................................39

3. Морфологические свойства исследованных НТО и городских

почв................................................................................................................................................................................................41

4. Физические свойства исследованных НТО и городских почв....,..............................50

5. Химические и физико-химические свойства исследованных НТО н городских, почв.................................................................................. 55

б» Биологические свойства и биологическая активность исследованных НТО

и городских почв,.,..,.,...,...,..,..,..,.,...,.,,..,...............................................85

7. Трансформация почвонодобных образований в условиях

урбо:жосиегемы........................—...........................................................108

Выводы................—................................................................................................................................................................117

Список литературы..... —................ —....... ................................................. 120

Приложения....................................................................................................................136

Введение

Известно, что почва, находящаяся под воздействием городских поселений меняет свои свойства, а также аккумулирует в себе поллютанты, такие как тяжелые металлы. бенз(а)пирен, нефтепродукты и др. Для того, чтобы удержать эти неблагоприятные для здоровья человека вещества в почвенном профиле, не дав им перейти в грунтовые воды, а так же для того, чтобы улучшить физические и химические условия произрастания растений и предотвратить распыление почвенных частиц, поверхность почв рекультивируют — покрывают торфокомпостными смесями. Современный этап почвообразования в городе Москве характеризуется повсеместной и массовой рекультивацией и созданием почвоподобных поверхностных образований - техноземов. Такая же рекультивация происходят после окончания строительства, чтобы покрыть плодородным слоем техногенные грунты. Таким образом, рекультивации подвергаются, как только что вскрытые и перераспределенные техногенные грунты, так и сформированные почвы центра города - урбаноземы ((Закон г. Москвы «О защите зеленых насаждений» от 05,05.99 N 17 (ред. от 19.12.2001), Постановление Правительства Москвы от 10 сентября 2002 г. N 743-ПП, Постановление Правительства Москвы от 27 июля 2004 г. Ка 514-ПГГ)). Городские техноземы малоизученны, с точки зрения процессов происходящих в них после их конструирования. При этом многие авторы отмечают, что эти процессы приводят к формированию почв (Белобров, Замотаев, 2007; Варава 2010; Прокофьева, Попутников, 2010; Раппопорт, 2004). С другой стороны, благодаря рекреационному использованию и строительству до сих пор на территории города встречаются «голые» техногенные грунты насыпного, намывного и перемешенного характера. И формирование ГГГО, и отложение техногенных грунтов можно рассматривать как ноль-момент для специфического городского почвообразования.

Актуальность темы. В настоящее время процессы, происходящие в

городских ПТО, мало изучены. Пути дальнейшего развития ГГГО не ясны, тогда как

они составляют большую часть от почвенного покрова города Москвы. На

современном этапе сложно составить прогноз дальнейшего развития городских НТО и слаборазвитых почв на техногенных, отложениях. Рекультивация проводится повсеместно, но ее необходимость не вполне доказана. Не учитываются свойства субстратов, подстилающих рекультивационные образования. Влияние их свойств на верхние рекультивированные горизонты не выявлено. Для обеспечения благополучного функционирования НТО необходимо выявление особенностей их трансформации под влиянием городской среды.

Цель работы: Охарактеризовать почвоподобные техногенные образования (ПТО), как исходный материал для начального этапа почвообразования и проследить пути их дальнейшего саморазвития и трансформации в условиях, урбоэкосистемы.

В работе поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть пути формирования (способы конструирования и характеристику субстратов) ПТО в урбоэкосистеме.

2. Охарактеризовать физические, химические, биологические свойства и почвообразовательные процессы, происходящие в НТО на. разных этапах трансформации и саморазвития.

3. Выделить основные тренды изменения свойств почвоподобных образований и стадии их преобразования.

5. Дать рекомендации по увеличению эффективности рекультивации в условиях города.

Научная новизна работы: Впервые ПТО описаны как исходный материал в ноль-момент городского почвообразования, изучен процесс их постепенной трансформации под воздействием городской среды (без катастрофического вмешательства человека) в специфические городские почвы.

Впервые выявлена зависимость свойств почвоподобных образований от характеристики подстилающей основы на глубину I м на разных стадиях трансформации, в зависимости от ландшафтной приуроченности, в разных функциональных зонах города (селитебных, общественно-деловых и рекреационных).

В работе дана оценка степени биологической активности и скорости трансформации рекулътивационных субстратов. Впервые получены данные о

составе органического вещества НТО и спектральной отражательной способности городских почв и ПТО на разных стадиях трансформации, дана оценка воздействия аэральных выпадений на ПТО.

Защищаемые положения:

1) Почвоподобные техногенные образования г. Москвы со временем трансформируются в урбаноземы, через стадию серогумусовых почв с признаками урбопедогенеза. При отсутствии техногенного привноса материала трансформация

задерживается на промежуточной стадии формирования дерновой почвы.

2) На скорость трансформации: влияет не только состав поверхностного рекультиванта, но и состав и свойства почв и грунтов (основ под рекультивацию).

Практическая значимость. Настоящая работа дает возможность

оценить степень благополучия функционирования техногенных почвоподобных

образований г. Москвы, а также понять время эффективного существования

рекулътивационных тел, выявить влияние качества основ под рекультивацию

на НТО, что позволяет разработать теоретическую базу для. создания практических рекомендаций по повышению эффективности рекультивационных работ в городе. Определить оптимальную систему мер и условий для улучшения функционирования ПТО и оптимизации землепользования на рекультивированных территориях.

I. Почвоподобные техногенные образования в условиях

городской среды

1ЛОсобенности почвообразования в городе

Городская экосистема

В процессе урбанизации на территории природных экосистем формируется урбоэкосистема, понимаемая как природно-городская система, состоящая из фрагментов природных экосистем, окруженных домами, промзонами, автодорогами и т.д. Необходимость изучения таких экосистем заметил более ста лет назад основатель фундаментального почвоведения В.В.Докучаев. В 1890г. он выступил за «Детальное естественно - историческое и физико-географическое и сельскохозяйственное исследование Санкт-Петербурга и его окрестностей» («Почва, город, экология», 1997).

К настоящему моменту уже выработаны основы теоретических аспектов учения о городских экосистемах и роли почв в них («Экогеохимия городских ландшафтов», 1995Строганова М.Н., 1997; Коломыц и др., 2000; Морозова и др., 2003; Курбатова и др., 2004; «Геоэкология Москвы: методология...», 2006; «Лесные экосистемы...», 2008; Вш^ЬагА 1993,1994, 1.997; ЬеЬтап, 2007; Resul.ov.ic а! а1 2007 и т.д.).

Урбоэкосистема характеризуется искусственным созданием новых типов систем в результате деградации, уничтожения и (или) замещения природных систем. Антропогенные нарушения функционирования биологического круговорота в таких системах зависят от источника и вида вмешательства человека, от факторов нагрузки, от качества среды, что приводит к. определенным последствиям, в том числе и негативным (Герасимова и др., 2003).

Нарушения и изменения биологического круговорота, и как следствие нарушения процесса почвообразования, в экосистеме вызывают:

- Ухудшение условий проживания человека, высокий уровень заболеваемости, рост числа генетических заболеваний, появление новых болезней, в результате мутаций патогенной микрофлоры;

- Необеспеченность чистым: воздухом и чистой питьевой водой;

- Накопление поллютантов в организме человека, миграция в трофических

цепях.

Несмотря на это урбобиоценозы (урбоэкосистемы), как открытые нелинейные неравновесные системы, отличаются относительной самоорганизацией и устойчивостью к воздействию внешних факторов (если брать неатропоцентрическую точку зрения, то есть когда рассмотрение биосферы проводится не с точки зрения воздействия этой системы (биосферы) на здоровье и деятельность человека, а с точки зрения деятельности человека, как одного из факторов флуктуаций и изменений в ней) (Антонов, и др., 2007; Сидорова, 2007; Твердислов, 2001).

Это означает, что развитие урбоэкосистемы и всех ее составляющих имеет свою направленность. Все компоненты этой особой: среды стремятся к достижению равновесного состояния в условиях техногенного воздействия. Так происходит и с почвообразованием.

Факторы городского почвообразования

В городе происходит значительное изменение всех факторов почвообразования (климата, рельефа, почвообразующих пород, растительности) под действием ведущего фактора. - деятельности человека. Естественный почвенный и растительный покровы в большей части современных городов уничтожены.

По вопросам особенностей городского климата известно много

фундаментальных исследований (Дубининский, Филоненко 1978; Муравьева

1978; Биттен, 1985; Вике1еу зх а!., 2003). Специфика городского климата

заключается в следующем. Температурный режим города равнозначен

широтному сдвигу на 200-300 км к югу. В атмосфере, над городом, создается

остров тепла с большим количеством пыли, что существенно влияет на

температуру воздуха и осадки. Центр города заметно теплее, чем его окрестности. Так, температура воздуха в Париже выше, чем в его окрестностях в среднем на 2°С; в Нью-Йорке иногда разница достигает 10-15°С. Очаг тепла над городом отмечается и в суточных минимумах температур.

Ввиду «запечатанности» поверхности большая часть осадков минует почвенное тело, а интенсивное нагревание асфальта и городских сооружений способствует перегреву почвы и атмосферы.

Повышенная конвекция в атмосфере города, а также техногенная запыленность приводят к увеличению числа гроз над городом, росту интенсивности ливней и общего количества осадков. В городах временами наблюдается отсутствие снежного покрова или резкое изменение сроков его образования. В разных местах города снег убирается, утаптывается, насыпается сверх нормы самим человеком или ветрами. На участках с избытком снега, особенно в затененных местах, создается микроклимат и сезонный режим (фенофазы), близкий к лесным и лесолуговым ландшафтам.

Хозяйственная и строительная деятельности человека в значительной степени изменяют рельеф. Происходит (Лихачева и др. 1990, 1995, 1997, 1998, 2006; Тимофеев, 1991; «Рельеф: сферы жизни...», 2002):

- выравнивание поверхности,

- исчезновение долинно-балочной сети,

-создание нового рельефа (например, террасирование или срезание поверхностной толщи),

- засыпка мелкой эрозионной сети и русел малых рек.

В городах часто наблюдаются карстово-суффозионные просадки,

оседание толщи грунта в результате увеличивающегося расхода артезианских

вод, уменьшения объема почвенно-грунтовой массы, вызванного

выщелачиванием растворимых солей, извести. Просадки наблюдаются в

послестроительных насыпных грунтах и при планировочных грунтовых

работах, а также на их поверхности в виде замкнутых понижений: блюдец,

воронок и трещин. В результате негативного воздействия карстово-суффозионных процессов часто происходит деградация почвенного покрова (Строганова, Мягкова, 1997).

Техногенный седиментогенез, рельефообразование и почвообразование в городе протекают одновременно. Почвообразующей породой для городских почв могут быть следующие субстраты (Герасимова и др., 2003; «Геоэкология Москвы: методология...», 2006; Прокофьева и др., 2011):

• Естественные грунты, залегающие in situ.

• Техногенные грунты:

- культурный слой (существенно переработанная почвообразованием система грунтов (техногенных, строительных, бытовых отходов), напластованных друг на друга в разнообразных пропорциях в течение длительного времени);

- насыпные природные грунты (перемещенный и перемешанный материал природных почв и грунтов);

- насыпные промышленные грунты (индустриогенные) (состоят из твердых отходов производства (шламов, шлаков, обогащенного сырья и др.));

- насыпные строительные грунты (смесь природных грунтов со строительным и бытовым мусором);

- рекрементогенные грунты (насыпные грунты свалок и полигонов захоронения твердых бытовых отходов);

намывные грунты (целенаправленно создаются в результате горнодобывающей и строительной деятельности).

Весь спектр рыхлых осадочных отложений представленных на

окружающей территории встречаются и в городе. Тип грунта или комбинация

разных грунтов влияет на свойства почв и почвообразовательные процессы и на

осуществление почвой экологических функций. Поэтому в городских почвах,

как отмечают немецкие почвоведы (Blume, 1989; Burghardt 1993,1994),

почвенные свойства главным образом зависят от характеристик субстрата.

Урботехногенная трансформация гидросферы приводит к повышению уровня грунтовых вод на застроенных территориях. Это явление получило название техногенного подтопления. Оно зависит как от природных факторов, таких как, элемент рельефа, климатические особенности, геологическое строение территории, так и от интенсивности воздействия на территорию человека (Трацевская, 2007). Для городов характерен коммуникативный тип техногенных водоносных горизонтов (результата техногенного подтопления), этот тип наиболее разнообразен в своем проявлении, чаще всего проявляется в слое насыпных грунтов. Питание таких горизонтов осуществляется за счет атмосферных осадков, техногенного поднятия и за счет утечек коммуникаций (Елохина, 2007).

В городе наблюдается сокращение площади естественной растительности и увеличение антропогенной перестройки фитоценозов. Создаются совершенно новые по породному составу, структуре и функциональным особенностям растительные сообщества.

Площадь зеленых насаждений в Москве составляет примерно 2% от общей площади городских земель. Следовательно, на одного городского жителя приходится примерно 10 м зеленых насаждений, что вдвое ниже нормы (20 м2) (ЗАКОН г. Москвы от 05.05.99 N 17 (ред. от 19.12.2001) "О защите зеленых насаждений"). Во многих городах значение этого показателя не �

Информация о работе

Иванников, Федор Андреевич
кандидата биологических наук
Москва, 2012
ВАК 03.02.13

Диссертация

Трансформация почвоподобных техногенных образований в условиях урбоэкосистемы - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы