Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Городские почвы запечатанные дорожными покрытиями

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Городские почвы запечатанные дорожными покрытиями"

со &

На правах рукописи

<\г

ПРОКОФЬЕВА ТАТЬЯНА ВАДИМОВНА

ГОРОДСКИЕ ПОЧВЫ ЗАПЕЧАТАННЫЕ ДОРОЖНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

(на примере г. Москвы).

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой ст епени кандидата биологических наук

Москва, 1998 г.

Работа выполнена на кафедре географии почв факультета Почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее учреждение:

кандидат биологических наук доцент Строганова М.Н.

доктор биологических наук профессор Карпачевский Л.О.

кандидат биологических наук Кузьмин А.М.

Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН

Защита состоится 1998г. в 15часов 30 мин. в аудитории М-2

на заседании диссертационного совета по почвоведению К 053. 05. 16 в МГУ им. М.В. Ломоносова на факультете почвоведения.

Адрес: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, ф-т Почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета Почвоведения.

Автореферат разослан^ "_

¿Р/оТ^*'/^) 199 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.В. Мотузова

Актуальность. При планировании реконструкции и перепланировки отдельных участков городской территории НИИ Генплана г. Москвы поставил задачу определить возможно ли использование для нужд озеленения почв освобождаемых от асфальта.

Актуальность работы обусловлена тем, что запечатанность почв городских экосистем на территории крупных городов в некоторых районах может достигать 9095%. То есть, запечатанные почвы составляют большую часть почвенного покрова города. Изучение почв городов немыслимо без учета запечатанностн почв, определения места и роли запечатанных почв в почвенном покрове городов.

Использующиеся в настоящее время дорожные покрытия экологически несовершенны. Минимизация экологически негативного процесса запечатывання требует изучения экологической роли дорожных покрытий, свойств запечатанных почв и степени взаимодействия почв и покрытий.

Цель работы—изучить почвы запечатанные под дорожными покрытиями, оценить экологическое значение и масштабы процесса запечатывания на территории такого крупного города как Москва.

Исследование включало постановку и решение следующих задач:

Рассмотреть место запечатанных почв в структуре почвенного покрова города, их экологические функции.

Выяснить экологические свойства плотных дорожных покрытий, пути и степень взаимодействия их с запечатанными почвами.

Исследовать свойства запечатанных почв и рассмотреть их в сравнении со свойствами их незапечатанных аналогов.

Определить масштабы запечатанностн городской территории на примере Юго-Восточного округа города Москвы.

Обсуд1ггь возможность и пути рекультивации запечатанных почв. Няушяя попн!н.'1. Впервые установлено, что под твердыми дорожными покрытиями почва продолжает функционировать, влажность почвы достаточна для существования корней, почва не становится абиотичной, как утверждалось ранее зарубежными коллегами.

Впервые изучены химические, микробиологические свойства почв запечатанных под дорожными покрытиями, сделана попытки наблюдения за изменением температуры и влажности под твердым дорожным покрытием.

Рассмотрена экологическая роль дорожных покрытий и почв запечатанных под

ними.

Впервые рассмотрено распространение запечатанных почв в г. Москва (на примере Юго-Восточного административного округа) и обсуждается место запечатанных почв в структуре почвенного покрова городов.

Даны рекомендации по рекультивации почв освобождаемых из под покрытия и регламентации процесса запечатывания.

Практическая ценность. Результаты данной работы могут быть использованы для осуществления контроля за экологической ситуацией, разработки природоохранных мероприятий, разработки системы показателей оценки воздействия экологически негативных процессов на почву.

Изучение почв и грунтов, запечатанных под асфальтом, может быть необходимым с точки зрения рекультивации таких почв под зеленое строительство при реконструкции и перепланировке различных участков городской застройки. Апробация. Материалы диссертации докладывались на заседаниях кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ, городских, Российских и Международных научных и научно-практических конференциях: Конф. молодых ученых "Современные проблемы почвоведения и экологии"(Москва 1994); The International Academic Conference on the Environment (Manchester, U.K., 1994); 10th Inter, working meeting of soil micromorpliology (Москва, 1996); II Съезд общества почвоведов (Санкт-Петербург, 1996); Междунар. конф. аспирантов и студентов по фундам. наукам "Ломоносов-96" (Москва, 1996); Междунар. конф. "Проблемы антропогенного почвообразования" (Москва, 1997); Научно-практ. сем. "Проблемы экологической безопасности Москвы. пути их решения"(Москва,1997); Всеросийская конф."Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения"(Москва, 1998).

Объем работы. Диссертация изложена страницах машинописного текста,

включает /'( таблиц и /£^исунков. Она состоит из введения, глав и приложений. Список литературы содержит^ 3 наименований на русском и иностранных языках. Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 15 печатных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Главя 1. Современные проблемы городского почвообрязовяиия. Основные представления о городских почвах.

Почвообразование в городе—это природно-антропогенный процесс. В результате активной хозяйственной деятельности человека меняются свойства и параметры климата, рельефа, гидрологического режима, уничтожается естественная структура видового состава биоценозов. На природные процессы почвообразования налагаются техногенные и антропогенные процессы, такие как загрязнение разнообразными химическими веществами и обломками строительных материалов, интенсивная рекреационная нагрузка, накопление культурного слоя, использование почвы в качестве основания для строительства домов, промышленных объектов, прокладки автомагистралей и энергосистем.

Первые работы по городским почвам появились в-60-е годы (Зеликов, 1964; Земляницкий, Гантимуров 1960,1966). Но основная волна работ по изучению городских почв приходится на 80-е годы. В России: Баширова, 1966, 1970,1975; Никодемуса и Раманна, 1984; Лепневой и Обухова, 1987,1990 и Обухова, Лепневой, 1989; Никифорова, Лазукова, 1995; Долотов, Пономарева, 1982; Рохмистров, Иванова, 1985 и др; за рубежом: Польша- Konecka - Betley et al., 1985; Великобритания - Bridges, ; США- Short et al., 1985; Craul, 1992; Bockheim в 1974. Упоминания о запечатанных почвах встречаются у P. Craul (1992) и германских почвоведов. Н.-В. Blume (1989) впервые упоминает о запечатанных почвах, как об одной из трех больших классификационных групп городских почв в связи с картографированием почв Западного Берлина (масштаб: 1:50000) и Киля (1 ¡20000). На данных картах указывается процент запечатанных почв от площади каждого контура. При этом под запечатанными (sealed soils) подразумеваются почвы и остатки почв под зданиями и дорожными покрытиями.

Впервые термин "городские почвы" был введен Bockheim в 1974 году (США). Вслед за Bocklieim (1974) и Е.М. Bridges (1989), мы определяем городские почвы, как почвы, имеющие созданный человеком поверхностный слон (горизонт урбик-U), полученный перемешиванием, насыпанием, погребением или загрязнением материалами урбаногенного происхождения (строительно-бытовой мусор). Городские почвы не всегда подходят под классическое определение почвы как природного естественно-исторического тела, тем не менее, они являются биокосной системой,

б

состоящей из твердой, жидкой и газовой фаз с непременным участием живой фазы и выполняют определенные экологические функции. Почвы в городе образуются под воздействием тех же факторов почвообразования, что и зональные почвы, при главном антропогенном факторе. Для городских почв применимы методы исследования и законы почвоведения. Антропогенный фактор, в виде способа землепользования, является ведущим фактором формирования почв в городе (Burghardt, 1994), Кроме того, под антропогенным прессом модифицируются и природные факторы почвообразования (изменяются растительность, микроклимат, рельеф). Вместе с тем, природная среда и естественные почвы играют не последнюю роль в формировании современного городского почвенного покрова. Прямое воздействие человека на почву не непрерывно, почва саморазвивается, но природные процессы протекающие в городской почве могут быть прямо или косвенно инициированы человеческой деятельностью.

Глава 2. Объекты и истоды исследования.

Полевые работы по изучению запечатанных почв проводились нами с 1992г. При исследовании запечатанных почв описаны двадцать объектов в местах проведения археологических, строительных работ и ключевых участков. Тринадцать из них расположены в границах Садового кольца. Одновременно производилось изучение незапечатанных аналогов.

Анализы для химической и физической характеристик почв выполнялись в лабораториях: каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ и ВИУА. Нами были изучены: pH води., органический углерод по Тюрину в модификации Никитина, содержание СаСОз в мелкоземе, Р и К в вытяжках Мачигина и Кирсанова, N неорг. методом отгона по Кьельдалю, содержание тяжелых металлов определялось в In HN03 и 0,ln HCl вытяжках, несиликатные формы железа по методам Тамма и Мера-Джексона, гранулометрический состав по методу Качинского.

Была предпринята попытка изучить влияние и взаимодействие асфальта с нижележащим грунтом путем проведения опыта, моделирующего разрушение асфальта в кислой среде. Для обработки сухого остатка полученного раствора использовался метод инфракрасной спектроскопии. Этим же методом исследовались п-гексановые вытяжки из нескольких почвенных образцов. Инфракрасное спектроскопирование было проведено на регистрирующем спектрофотометре ИКС-29 сотрудником кафедры химии почв факультета почвоведения Осиповой H.H..

Состав микробных сообществ изучался совместно со ст. научн. сотрудником кафедры биологии почв Скворцовой И.Н..

Летом 1992 года была изучена динамика температуры, влажности и содержания С02 запечатанного и открытого урбанозема на территории Рождественского монастыря. Пробы отбирались два раза в месяц в течении лета в двух - трехкратной повторное™ с поверхности (0-5см) и с глубины 15-20 см. Влажность определялась термовесовым методом. Концентрация СОг—газохроматографическим.

Микроморфологнческие исследования проводились в прозрачных шлифах при увеличении X 100 под поляризационным микроскопом "ПОЛАМ" при участии ст.паучн.сотрудника ИГ РАН Целищевой Л.К. и канд. биол наук доцента каф. географии почв ф-та Почвоведения Седова С.Н,. Мезоморфологические наблюдения проведены при помощи бинокуляра при увеличении X 2 и X 7 раз.

Главя 3, Экологическая роль запечятывяння поверхности в городских

экосистемах.

Запечатанные почвы появились не в XX в. В культурном слое встречаются целые системы погребенных дорожных покрытий. Это покрытия из берестяной щепы, бревенчатые (до XVII в.), кирпичные и каменные кладки более позднего возраста, погребенные асфальтовые покрытия (середины XX в.), причем свойства погребенных запечатанных почв соответствуют свойствам современных. Запечатывание почвы происходило в разные эпохи, но, вероятно, не имело такого экологического значения как в настоящее время.

Дорожные покрытия можно разделить на проницаемые для воды и воздуха (незакрепленная брусчатка, гравийные насыпи, деревянные настилы) и условно не проницаемые (асфальтобетон, бетон, бетонные плиты, закрепленные бетоном брусчатка). Вслед за германскими коллегами, мы считаем "запечатанными" почвы под условно непроницаемыми дорожными покрытиями. 3.1. Асфальтобетон —основной материал для дорожных покрытпб

С 30-х годов XX в. наиболее распространенным дорожным покрытием стал асфальтобетон. На территории крупных городов, в т.ч. Москвы, асфальтобетоном покрыты не только дороги, но и свободные пространства между зданиями. АСФАЛЬТОБЕТОН —асфальт (в обыденном понимании этого термина)—от греческого аврЬаиоз — горная смола, включает в себя три составные масти: скелет (60%)— щебень, дробленный известняк, отходы получаемые при дроблении камня,

мелкие некондиционные пески; минеральная часть (10%) — мелкодробленный известняк, шлаки, отходы цементного производства; связующий материал (30%) — нефтяные и сланцевые битумы (Богуславский и др. 1985).

Несмотря на кажущуюся водонепроницаемость асфальтобетона, часть осадков все же просачивается сквозь покрытие (Бабаев, Кануров, 1984). Компоненты битумной составляющей дорожных покрытий могут растворяться в хлороформе, бензоле, петролейном эфире. В литературе по дорожному строительству встречаются сведения о разрушении покрытий в агрессивных средах — кислотах, щелочах, различных органических растворителях (Куримов, 1976; Munch, 1992). Проектный срок износа покрытия в гумидной зоне около 10 лет.

3.2. Взаимодействие асфальтобетона и нижележащего субстрата

В отечественной научной литературе, в основном, постулируется экологическая безопасность асфальтобетонных покрытий. При санитарно-гигиенической оценке асфальтобетона, в состав минерального порошка которого входит гальванический шлам, в лабораторных и натурных условиях установлено, что при обработке участков покрытия раствором уксусной кислоты с рН 5,5 И раствором NaOH с рН 9-10 в составе стоков обнаружены: Fe(7-60%), А] 30-90%, Си, Gr, Ni, Mn, Pb, Cd. Na, Zn, Mg, Ni, Cr (Копейкин, Басова и др., 1993).

Зарубежные авторы предполагают, что загрязнение окружающей среды в результате разрушения асфальтового покрытия происходит (Munch D., 1992).

Проведенные нами исследования подтверждают возможность геохимического взаимодействия асфальтового покрытия с нижележащим субстратом: было смоделировано воздействие экстракислых осадков на свежий асфальтобетон (400г распертого в крошку покрытия толщиной 5см S=50cm2' ). За кислотные осадки принимался раствор трех кислот (0. IN НС1, O.lN H2SO4, 0. IN HNO3) с рН=2. Всего в опыте было проведено 10 последовательных обработок из расчета годовой нормы осадков в 600 мм. При проведении модельного опыта установлено, что сухой остаток из трех первых годовых норм кислотных осадков провзаимодействовавших с асфальтобетоном составляет 2,3 г (т.е. 0,26 г/л). В состав этого остатка помимо ионов СГ , МОз", SO42" входят Ca2+, Na+, К+, НСОз', На протяжении всего эксперимента (после каждой из 10 обработок) рН раствора, при взаимодействии с одной и той же порцией асфальтобетона, менялся с 2 до 7. Изучение инфракрасных спектров (ИКС) гексановых фракций выявило схожесть ИКС гексановой фракции верхнего слоя (0-

5см) запечатанной асфальтом почвы н ИКС Гексановой фракции сухого остатка вышеупомянутого раствора по сравнению с ИКС верхнего слоя незапечатанной почвы. 3.3. Запечатывание поверхности н городская окружающая среда.

Привнес веществ в почву после запечатывания практически отсутствует. Большая доля загрязненных осадкоа минует почвенное тело и непосредственно уходит через канализацию в водоемы и речную сеть. Таким образом, с одной стороны, асфальтобетонное покрытие защищает почву, но, с другой стороны, лишает экосистему универсального природного фильтра.

При строительстве дорожных покрытий искусственно создаются границы экосистем. Тем самым покрытия косвенно оказывают влияние на незапечатанные — свободно функционирующие городские почвы.

Асфальтобетонные покрытия изменяют характер теплообмена почвы с атмосферой, они, как часть городского ландшафта, способствуют изменению микроклимата н образованию "теплового острова" на территории города. В летний период увеличение поглощенной радиации в сочетании с недостаточной аэрацией территории застройки может создавать предпосылки для формирования дискомфортных радиационно-температурных условий. Лучшие условия для проникновения чистого, воздуха и благоприятный тепловой режим в условиях городской застройки отмечены, когда открытая озелененная поверхность составляет 50-60% от площади микрорайона (Формирование радиационного и теплового баланса городов, 1975).

Высокий процент запечатанных площадей приводит к нарушению баланса осадков и испарения в результате сокращения площади испарения и изменения рельефа местности. Грунтоведы утверждают (Пашкин, Бессонов, 1984), что асфальтирование поверхности может приводить не только к высыханию субстрата, но и в случае высокого уровня грунтовых вод а также протечек из коммуникаций к подтоплению городских территорий. Покрытие асфальтом значительных территорий вблизи зданий существенно изменяет влажностный режим грунтов оснований и фундаментов.

Запечатанные почвы и грунты выполняют функцию сохранения информации о развитии природной среды и истории ее изменения человеком.

Таким образом, существует возможность взаимодействия дорожных покрытий с запечатанным субстратом. Кроме того, запечатывание поверхности оказывает

комплексное воздействие на экосистему города в целом и, следовательно, на условия существования человека.

Глава 4. Свойства почв запечатанных асфальтобетонными покрытиями в сравнении со свойствами их незапечатанных аналогов.

При длительном пребывании в запечатанном состоянии (мы изучали почвы запечатанные более 10 лет назад) различные почвы приобретают общие почвенно-генетические свойства, что позволяет выделить их в отдельную классификационную группу, В условиях города запечатанными могут оказаться все типы почв города (табл.1) как урбаноземы (рис. 1,2,3), природные почвы (рис.3), урбо-почвы (рис.3) и техноземы, так и незатронутые почвообразованием свежие грунты.

Таблица!. Классификация почв открытых территорий городов таежной зоны.

(Строганова, Мягкова, Прокофьева, 1997).

Почвы Почвоподобные тела

Природные Антропогенно-преобразованные Искусственно-созданные

Поверхностно-преобразованные Сильно-траисформированные

природные урбо-почвы урбаноземы техноземы

подзолистые аллювиальные перегнонно-глсевыс и т.д. урбо-годаолнетые урбо-аллювнальные урбо-глеепод'юлнегые ИТ. д. урбанозем, агроурбанозем, некрозем, инцустризем, имтрузем реплангозем конструктозем

Названия наших объектов могут звучать так: экранозем по дерново-подзолистой почве, экранозем по урбо-дерново-подзолистой почве, акранозем по урбанозему, экранозем по реплантозему. Запечатанными грунтами мы считали породы без признаков почвообразования и искусственные насыпи мощностью более 0,5м и отложения техног енного материала (табл.2).

Т а б л и ц а 2. Классификация запечатанных тел городских территорий.

почвы и почвоподобные тела (э к р а н о з е м ы) грунты

по естественным почвам по урбопочвам по урбаноземам по урботехно-земам породы без признаков почвообразования; насьти естественных пород более 50 см. •техногенные (шлаки, горелая земля, зола)

4.1.Морфологические свойства.

При запечатывании почвы претерпевают существенные изменения как морфологических, так и физико-химических, физических и биологических свойств.

Для большинства городских почв (урбаноземов), развивающихся на культурном слое и насыпных грунтах, характерно отсутствие генетических почвенных горизонтов. Горизонты городской почвы разнородны по цвету (хотя можно отметить преобладание буроватых оттенков), количеству и характеру обломков, времени образования. Скелетный материал представлен строительным и бытовым мусором (кирпичная крошка, куски асфальта, битое стекло, уголь древесные обломки, керамика и т,д,) в сочетании с промышленными отходами, торфо-компостной смесью или включениями фрагментов естественных почвенных горизонтов. Преобладание в мелкоземе городских почв песчаной фракции приводит к отсутствию прочной структуры. Многие горизонты "вскипают" от HCl (10%). Эти свойства характерны и для почв покрытых асфальтом.

Однако, очень редко асфальтобетонные покрытия укладываются прямо на почву. Обычно, дорожному строительству предшествует либо иясыпанне нескольких слоев грунта, либо, наоборот, снятие верхнего слоя (почвы) для выравнивания поверхности. Часто, выровненная поверхность укрепляется бетоном для обеспечения прочности сцепления битумосодержащих замыкающих слоев и нижележащей толщи. Толщина покрытия и степень нарушения почвенного профиля при строительстве покрытия, в основном, зависят от интенсивности и характера его последующей эксплуатации.

При микроморфолошческом изучении запечатанных урбаноземов нами обнаружено: 1) Характер органического вещества аналогичен гумусу незапечатанных городских почв. В плазме обнаруживается бурый коллоидный гумус, велико количество слаборазложившейся органики и унифицированных частиц в горизонтах разного возраста, наличие пленок на поверхности песчаных частиц и натеков по стенкам пор—признаки потечности гумуса; 2) По сравнению с незапечатанным!» почвами в плазме увеличивается доля карбонатного материала, карбонаты присутствуют в виде многочисленных включении обломочного характера (микрокристаллический кальцит), пропитки глинистой плазмы, карбонатной плазмы, натеков по стенкам пор, присутствуют стяжения, а также отдельные кристаллы или сростки крупнокристаллического кальцита, генезис которых определить

затруднительно; 3) Диагностируются признаки оглеения—характерный цвет, железистые конкреции и стяжения, а также зерна кварца отмытые от железистых пленок; 4)В условиях подтопления и высокого содержания органического вещества присутствует вивианнт; 5)Среди общей массы в городских почвах (как запечатанных, так и не запечатанных) встречаются микрофрагменты естественных почв. Мы считаем, что они являются остатком от былых почв, а не свидетельством о современных процессах почвообразования, т.к. они обнаружены в почвах подвергшихся существенной трансформации непосредственно перед запечатыванием.

разрез 9

Рис. 1 экранозем по урбанозему маломощному

I

урбанозсм маломощный

.'■'■у

й С 0 „

ФУ«» ]

¿Ь Л о Л

ъе> а 0 0 п <Ял

разрез 12

Рнс.2 Разрез! 2

разрез 4

разрез 4

экранозем по урбанозему экранозем по урбанозему среднемощному мощному

разрез 4я

разрез 4 а урбанозем мощный

разрез 11

10

за

50

70

90

I 20

40

60

30

100

щШщшш

разрез 7

почва под асфальтовой дорожкой в нац. парке Лосиный остров

Рис 3. экранозем по урбанозему среднемощному

экранозем по дерново-урбо-подзолистой почве

экранозем по дерново-подзолистой почве

4.2.Химнческие свойства.

Для городских почв характерно: варьирование гумусированности, содержания основных питательных элементов (И, Р, К) при достаточно высоких средних концентрациях; повышенная карбонатность (СаСОз - 2-5%). Содержание органического углерода в городских почвах разнообразно и зависит от богатства перегноем того субстрата, из которого они образовались. Распределение по профилю часто имеет скачкообразный характер. В большинстве случаев реакция среды городских почв выше, чем у зональных—7,5- 9,0 (Табл.3.).

В запечатанных почвах сохраняются те же тенденции, но поступление карбонатной пыли из атмосферы заменяется вымыванием их из покрытия при его разрушении. Свободные карбонаты могут отсутствовать, но порой их содержание достигает 8-10%. Кислотность колеблется от рН 6,5 до 9,3. Гумусированность различных горизонтов экраноземов варьирует от 0,5 до 6,0%. В экраноземах обнаруживаются высокие концентрации доступного растениям Р (РгОа - 50-600 мг/кг), содержание же К (К20 - 40-200 мг/кг) и N (от следовых количеств до 10 мг/кг) во многом зависит от концентрации органического вещества (таб. 3).

ТаблицаЗ. Химические свойства городских почв и их запечатанных аналогов

почва глубина взятия образца, см гумус по Тюрину. % рн водный СаСО,. % Р:05, мг/кг к2о, мг/кг Неорганический азот, мг/кг

урбанозсм малом. 0- 10 1,37 8,1 1,18 158 76,0 2,37

разрез 9.а 10-20 0,61 7,9 . 1,34 15,0 96,0 1,94

(контроль) рис.1 20-30 0,60 7,9 отсут. 97,0 44,0 1.29

экраиозем 8-14 1,37 7,9 0,17 82,0 60,0 0,86

по урбанозему 14-19 0,61 6,8 отсут. 71,8 55,6 1,08

маломощному 19-29 0,60 7,3 отсут. 102 44,0 0,43

разрез 9. рис. 1 29-40 н/о 7,1 отсут.. 93,0 38,0 н/о

урбанозсм 0 - 10 3,38 8,0 2,83 13,5 104 7,99

мощный 10-30 1,86 8,5 3,71 12,2 118 1,94

разрез 4.а 30-50 1,62 8,5 4,62 46,6 14,8 1,93

(контроль), рис.2 50-70 1,69 8,3 3.68 н/о н/о н/о

70-90 2,00 8.4 4,83 н/о н/о и/о

90-110 и/о 8,3 3,05 н/о н/о н/о

110-130 2,14 8,3 5,25 н/о н/о н/о

130-155 н/о 8.3 8.30 н/о н/о н/о

экраиозем по 0-8 3,22 8,4 0,76 180 96,8 2,50

урбанозему 8-25 1,33 8,6 1,66 236 141 2,00

среднемощному 25 - 49 0,36 8,5 отсут. 127 62,8 2,20

разрез 12, рис.2 49 - 108 0,26 8,5 0,27 96,8 69,6 2.20

экраиозем по 0-5 1,03 7,1 2,11 н/о н/о н/о

урбанозему 5-10 0.84 7,8 0,40 9,61 83,2 6,00

мощному 10-25 1,37 8,3 2,85 2,39 178 3,40

разрез 4, рис.2 25-45 н/о 9,3 3,76 н/о н/о н/о

45-67 3,05 9,2 1,28 к/о к/о н/о

67-90 5,90 8,9 2,13 н/о н/о н/о

90 -150 5,80 7,8 1,42 н/о н/о 13,0

150-170 1,46 7,7 отсут. н/о н/о 7,34

и/о —не определено

Таблица 4.Содержание тяжелых металлов в экраноземах них незапечатанных аналогах (мг/кг).( вытяжка 1 N 1ШОз)

1 почва глубина В')ЯТНЯ обр., см РЬ Си . гп Сс1 Со N1

6 урбанозем малом. 0- 10 45,50 33.44 60,54 0,19 1,87 5,05

8 разрез 9л 10 - 20 103,6 18,00 31,09 0,03 1,15 2,64

(контроль), рнс.1 20 - 30 6,000 12,32 15,09 0,10 1,51 1.90

экранозем 8-14 12,31 11,92 22,67 0,05 1,44 2,68

по 14 -19 8,510 10,34 13,76 0,07 1,10 1,72

рсплантозему 19-29 3,750 7,230 9,040 следы 0,65 2,76

разрез 9, рис.1 29-40 2,790 8,410 8,730 следы 0,54 1,32

)рб;шозем 0-10 185,0 63.40 150,7 0,71 2,17 6,20

мощный 10-30 185,7 71,15 130,2 0,58 2,28 5,31

30-50 244.Г 55,11 76,51 0,30 2,17 4.06

разрез 4а 70-90 140,3 69,87 49,70 0,32 1,70 3,25

(контроль), рис.2 90 - 110 131,2 77.37 40,96 0,23 1,81 3,27

110-130 227.2 296,9 72,01 0,59 1,94 4,47

экранозем по 0-8 37,50 20,00 45,00 следы к/о н/о

у рба позему 8-25 60,00 26,00 55,00 0,20 и/о н/о

средне мощном 25-49 25,00 14,00 27,50 следы и/о н/о

разрез 12,рнс.2 49- 108 25,00 17,00 26,00 следы н/о н/о

экранозем по 0-5 1,933 4,320 5,280 следы 7,15 1,15

урба позему 5-10 14,70 6,700 8,620 0,01 1,25 2,62

мощном 10-25 38,10 39,14 23,21 0,03 1,11 2,19

разрез 4, рис.2 90-150 187,7 49,67 119,2 0,12 10,0 3,18

150-170 1,947 16,84 10,47 0,13 1,4 2,03

н/о — не определено

Содержание тяжелых металлов в запечатанных почвах центра Москвы превышает фоновые концентрации для почв вне города, но меньше, чем их содержание в поверхностных слоях современных урбаноземов (Табл 4.). Любопытным можно считать тот факт, что повышенные концентрации тяжелых металлов Си, Ъп, РЬ (до 200

мг/кг) были отмечены на разных глубинах, в том числе и на глубине 1.0—1.5м в слоях ХУ1 века, что свидетельствует об их историческом загрязнении.

Необходимо также отметить проявление защитных свойств покрытия. В запечатанных телах меньше содержание Со, N1, отсутствуют накопления С<1, что часто наблюдается в современных незапечатанных городских почвах. Кроме того, ночвы и грунты новостроек, запечатанные около 20—30 лет назад практически не содержат тяжелых металлов в повышенных концентрациях. 4.3.фнзнческ11с свойства.

Механический состав московских почв разнообразен, но преимущественно супесчаный или легкосуглинистый; встречаются горизонты, содержащие до 50% и более твердых включений; характерна повышенная уплотненность; наблюдается уменьшение промерзания, подтопление; газовая фаза имеет иной состав.

Необходимо отметить, чго почва под дорожными покрытиями еще более уплотняется из-за вибрационной нагрузки. Годовая величина усадки может составить 5—70мм/м (Котлов, 1978). Это означает уплотнение почвы на величину до нескольких десятых долей г/см', при оптимальной плотности пахотного горизонта около 1,0 г/см3. Однако, основное воздействие запечатывания на почву состоит в изменении режимов увлажнения, аэрации, теплового. Промывной режим в почвах под асфальтом отсутствует, но наши наблюдения дают основание считать, что часть атмосферных осадков проникает под покрытие. При полевом описании обнаружено—в летние месяцы увлажненный слой под асфальтом составляет 10—30 см. Влажность почвы под дорожным покрытием в некоторых случаях превышает влажность поверхностного горизонта вне дорожного покрытия на величину до 15% (рис. 4). На глубине 15—20 см, в большинстве случаев, влажность примерно одинакова. Увлажнение нижележащих горизонтов осуществляется в основном грунтовыми водами или влагой просочившейся из городской сети водоснабжения, но нельзя исключить возможность более глубокого проникновения атмосферной влаги весной и осенью.

Результаты измерений температуры экранозема покатывают, что летрм под асфальтом температура значительно ниже (на величину до 20°С), чем на открытой поверхности.

Вследствие угнетения биохимических процессов под асфальтом количество СОг продуцируемое экраноземом в некоторых случаях меньше, чем в близлежащем урбаноземе. Однако при благоприятных температурных и влажностных условиях

асфальтовое покрытие может служить причиной накопления СОгв верхних горизонтах запечатанной почвы.

Ипод асфальтом (0-5 см) и под асфальтом (15-20 см) В открытая почаа (поверхность) иоткрытая почва (15-20 см)

17 июнь 25 июнь 15 июль 27 июль

Ипод асфальтом (0-5 см) Ипод асфальтом (15-20 см) □открытая почва (поверхность) и открытая почва (15-20 см)

Рис.4 Динамика температуры и влажности экранозема по урбанозему

и урбанозема (лето 1992г.) 4.4. Микробиологи ческие свойств».

Следствием воздействия покрытия на температурный, водный и газовый режим почвы являются некоторое отличие характера микробиологической обстановки. Усиливаются процессы связанные с уменьшением доступности кислорода. Наблюдается развитие микроорганизмов, жизнедеятельность которых осуществляется благодаря анаэробным процессам (брожение, нитрат- и сульфатредукция) (табл.5).

Содержание азотобактера уменьшается в 1,5—2,0 раза по сравнению с содержанием в незапечатанных почвах.

Более низкая и стабильная температура под асфальтовым покрытием определяет наличие здесь психротрофных микроорганизмов. Под покрытием идет отбор в направлении тех видов псевдомонад, у которых минимальная температура для

роста равна +4 °С, по сравнению с открытой почвой, где преобладали виды, у которых минимальная температура для роста около +10 °С.

Таблица 5.Характкристика нитратредуцирующей и сульфатредуцирующей активности урбаноземов г.Москвы под асфальтовым покрытием (0-10 см), лето 1992 ___года._

Показатели процесса нитратредукдии в среде Гильтая (метод наиболее вероятного числа) Численность бактерий, вызывающих

Образец Вариант опыта Накопление газообразных продуктов над поверхностью среды Гильтая, мм. Численность нитратредуцирующих бактерий, кл/мл в среде Гильтая с нитратами образование ШЭ и накопление Ге5, Кл/мл

Усадьба Тутолмина, р.5 вне асфальта под асфальтом 10 30 10 5 1010 10г 103

Рождественский монастырь, р. 10 вне асфальта под асфальтом 25 40 10" 10 ю И.О. 103

Коломенское р. 9 вне асфальта под асфальтом 10 5 ю5 10 10 104 10'

Сад Эрмитаж Р-3 вне асфальта под асфальтом 25 50 ю5 10 10 но. н.о.

Биофак МГУ р.7 вне асфальта под асфальтом 10 15 10'° 10 10 Ю2 10*

и.о.— не обнаружено

Почвы запечатанных территорий имеют как черты сходства, так и отличия с почвами открытых городских территорий. После запечатывания условно непроницаемыми покрытиями: почвы существенно уплотняются; меняются водный, тепловой и газовый режимы; микробиота функционирует в основном по анаэробному типу; не происходит поступление вещества извне (в обычных условиях городская почва "растет вверх" из-за подсыпки грунта и осаждения .пыли из атмосферы); при укладке покрытия может быть разрушена верхняя часть профиля. Поскольку почвы под дорожным покрытием несмотря на их внешнее разнообразие, обладают общими свойствами, это позволяет нам выделить особую группу городских почв—экраноземы (или экранированные почвы).

Глава 5. Запечатанные почвы в структуре почвенного покрова Процесс запечатывания становится третьим после времени и способа землепользования фактором еще более осложняющим структуру почвенного покрова в городе и диагностику городских почв. Одной из наиболее характерных особенностей

структуры почвенного покрова города является его прерывистость, фрагментарность распространения. Расположение дорог и зданий в большой степени определяет границы контуров на детальных почвенных картах. В каждой функциональной зоне различаются средние показатели площадей почвенных выделов (от 1м2 до 1 га). Изучая почвенный покров городов и проводя его картографирование, необходимо учитывать не только пространственное распределение почв, но и площади открытого пространства.

На основе планшетов Бюро технической инвентаризации нами впервые составлена карта запечатанности территории Юго-Восточного округа столицы (рис. 5).

ПТП ■ ПРИРОДНЫЙ КОМПЛЕКС -СВАЛКИ,ЗЕМЛИ П1ГГЯА

I-]. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЗОНЫ

■ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ЗОИМ

Рис. 5. Карта-схема запечатанности поверхности

Юго-Восточного муниципального округа г. Москвы. Степень запечатанности: 1— <75%; 2— 75-50%; 3— 50-25%; 4— >25%. В условиях большого города степень открытости территории зависит не только от степени урбанизации, то есть от возраста и интенсивности городского строительства,

по и от способа землепользования. Поэтому, на карте запечатанности также выделены категории хозяйственного использования земель. Наименьшие площади открытой поверхности приходятся на промышленные зоны, где запечатанность может достигать 90% от всей площади. Земли природного комплекса и сельскохозяйственной зоны запечатаны на 20%. Промежуточное положение занимают земли под жилой застройкой, которые, в свою очередь, могут различаться по степени запечатанности (от 20 до 75%) (рис.б).

Учитывая постоянное изменение способов землепользования можно предположить, что ранее существовала другая сетка мостовых и в будущем современный рисунок кварталов также может измениться. Таким образом, вся городская поверхность в разные периоды времени участвует в почвообразовании, а значит закономерно учитывать запечатанные почвы при изучении всей совокупности почв города.

Глава б. Возможность рекультивации и некоторые рекомендации

Минимизация негативного воздействия процесса запечатывания на экосистему города требует рассмотрения его экологического значения в разных функциональных зонах города (табл. 6). В среднем, необходимо сохранение не менее чем 30% городских территорий в свободном от искусственных поверхностей состоянии с площадью открытого почвенного выдела не менее 1,8 га (исходя из площади занимаемой одним деревом 36 м2 и минимального количества деревьев в куртинах 50 штук) (Курбатова, Мягкова, 1998). .! _

Специалисты-дорожники и экологи-урбанисты в плотную подошли к необходимости внедрения новых технологий^ включая внедрение сверхтонких замыкающих слоев дорожных покрытий и применение дренирующего асфальта при их строительстве и реконструкции (Развитие строительства дорог..., 1992). Это может устранить переувлажнение фундаментов и подвалов зданий, улучшит водный режим городских почв и условия жизни растении.

Т а б л и ц а 6. Положительные и отрицательные аспекты запечатывания поверхности в _различных функциональных зонах и рекомендации._

Функциональная зона Положительный аспект Отрицательный аспект Рекомендации

жилая 1,контроль за чистотой поверхности; 2. сбор поверхностных вод 1 .перегрев поверхности; 2.недостаток зеленых насаждений н пространства для рекреации; 3.подтопление фунтовыми водами фундаментой зданий 1,создание пористых покрытий; 2.поддержание соотношения открытой и закрытой территорий 1:1 (см. гл. 3.3); 3 уход за газонами и задерновывание поверхности почвы; 4. планирование пешеходно-дорожиой сети

промышленная 1 .защита почв и грунтов от загрязнения; 2.возможность полива н мытья дорог. сточные воды не очищенными попадают в канализацию. 1 .преимущественное запечатывание; 2.установка фильтров для загрязненных сточных вод; 3 .уход за газонами и обязательное озеленение незапечатанной территории

природно- рекрсационная, природоохранная организация дорожно-тропиночной сети нарушение целостности почвенного покрова и экосистемы в целом. мероприятия по организации территории для сохранения природных экосистем.

Необходима разработка системы рекультивации почв при изменении функционального зонирования и снятии твердого покрытия. При изменении системы землепользования запечатанный субстрат следует рассматривать, как систему разнородных слоев и, учитывая их стратификацию, исследователь может выбирать горизонт, который должен оказаться на дневной поверхности рекультивируемого участка. Для удешевления и ускорения работ следует подобрать горизонт изначально наиболее благоприятный для существования растений, и исключить его близкое подстилание горизонтами с негативными свойствами (в т.ч. токсичными). Горизонты залегающие непосредственно под асфальтом нуждаются в удалении, т.к. интенсивная нагрузка на дорожное полотно приводит к уплотнению нижележащего материала,

кроме того горизонт может быть загрязнен а результате разрушения дорожного покрытия. При рекультивации необходимо учитывать наличие горизонтов с большим количеством крупных твердых включений. Длямикробиологической рекультивации могут быть использованы погребенные (1 м и более) слои с большим количеством органического вещества, содержащие микробный пул, способный восстановить микрофлору залегающих выше слоев (Скворцова, 1997).

ВЫВОДЫ.

1. При современном градостроительстве до 70-90% свободной от зданий территории города закрыто асфальтобетоном и другими дорожными покрытиями. Под ними могут быть запечатаны разнообразные органо-минеральные тела, обладающие свойствами и функциями почвы. Запечатанные почвы—неотъемлемая часть почвенного покрова города. Они нуждаются в изучении и картографировании, т.к. их свойства необходимо учитывать при экологической оценке территории.

2. Асфальтобетонное покрытие оказывает воздействие как на почву, так и на окружающую среду города, изменяя водно-воздушный и тепловой режим города, а также физико-химические и биологические свойства почв.

3. Выделена отдельная группа почв запечатанных под дорожными покрытиями—экраноземы (название условное), для которых характерны: разрушение верхней части профиля; существенное уплотнение; изменение водного, теплового и газового режимов; функционирование микробиоты в основном по анаэробному типу; отсутствие поступления вещества извне (городская почва "растет вверх" из-за подсыпки грунта и осаждения пыли из атмосферы).

4. Почвы запечатанных территорий имеют как черты сходства, так и отличия с почвами открытых городских территорий.

Общими свойствами являются: разнообразный механический состав, варьирование гумусированности, содержания основных биофильных элементов (И,Р,К), величина рН в большинстве случаев выше 7,5 ( до 9,0), почвы вскипают с поверхности и содержат СаСОз более 2 %, избыточная концентрация таких тяжелых металлов, как РЬ, Си, Ъс\.

Различия заключаются в следующем: уменьшаются градиенты величин влажности и температуры в верхних слоях экранозема по сравнению с почвами незакрытых территорий; современное покрытие препятствует накоплению современных загрязнителей— Со, СЛ, N1, в запечатанных почвах районов новостроек

практически отсутствуют избыточные концентрации тяжелых металлов; под асфальтом, при анаэробном режиме, интенсивно протекают такие процессы, как брожение, нитратрсдукция и сульфатредукция.

5. Запечатанные почвы осуществляют лишь некоторые из экологических функций, присущих почвам, тем не менее, в них протекает слабый водо-, тепло- и газообмен с атмосферой и породой, продолжается жизнедеятельность микроорганизмов.

6. Степень запечатапности поверхности в разных функциональных зонах различна. На территории 10i о-Восточного административного округа г.Москвы присутствуют участки с различной степенью запечатапности, но одинакового типа хозяйственного использования. Здесь обнаруживаются участки с благоприятным соотношением открытой и запечатанной поверхности (Марьинский парк—открытость >60%) и чрезмерно запечатанные территории (Лефортово—открытость <30%). Как правило, к центру города и с увеличением возраста застройки запечатанность дневной поверхности увеличивается. Необходимо определенное нормирование площадей и регламентирование процессов запечатывания дневной поверхности с учетом разных типов хозяйственного использования (жилая зона, промышленная зона, природоохранная и рекреационная, и др.).

7. Даются рекомендации по минимизации негативных последствий запечатывания почв в зависимости от хозяйственного назначения территории (изменение типа покрытия, уменьшение площади покрытия и мероприятия после вскрытия почвы для последующей рекультивации). После проведения рекультивационных мероприятий экраноземы ; могут служить резервом для последующего озеленения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Прокофьева Т.В. Почвы урбанизированных террнторий//Тез. конф. молодых ученых "Современные проблемы почвоведения и экологии"//Москва 23-28 мая 1994 г., С. 147.

2. Строганова М.Н., Прокофьева Т.В. Влияние дорожного покрытия на городские почвы//Вестник Московского ун-та, серия 17 почвов., 1995 N2 С. 3-11.

3. Marina N. Stroganova, Tatiana V. Prokofieva The role of soil in the urban ecosystems (exemplified by soils of Moscow area)//The International Academic Conference on the Environment// Manchester, U.K. 29th June-lst July 1994.

4. Tselisclieva L. Stroganova M. Prokofieva T. Micromorphological diagnostics of urban soils//Abst.lOth Inter, working meeting of soil micromoi phology M. 1996. p.l.

5. Прокофьева Т.В. "Свойства городских почв, погребенных под дорожными покрытнями'7/тез. докл. 11 Съезда общества почвоведов (27-30 июня 1996 г., Саигг-Пегербург), Книга 1, С.43.

6. Прокофьева Т.В. "Экологические функции запечатанных урбаноземов"//тез. доклада на международной конференции аспирантов и студентов по фундаментальным наукам "Ломоносов-96", 12 апреля 1996 г.//С.69.

7. Строганова М.Н., Мягкова А.Д., Прокофьева Т.В. "Классификация городских почв"// Тез. докл. Межд. конф. "Проблемы антропогенного почвообразоват1я"(16-21 июня 1997г.), Т.2, С.234-239.

8. Прокофьева Т.В. "Особенности функционирования городских почв под асфальтобетонными покрытиями'У/Тез. докл. Международной конф. "Проблемы антропогенного почвообразования" (16-21 июня 1997г.), Т.2, С.223-227.

9. Строганова М.Н., Мягкова А.Д., Прокофьева Т.В. "Роль почв в городских экосистемах '//Почвоведение, 1997, N 1, С. 96-101.

Ю.Строганова М.Н., Мягкова А.Д., Прокофьева Т.В " Городские почвы; генезис, классификация, функции." //В кн." Почва. Город. Экология" М.; Фонд "За экономическую грамотность", 1997—С. 15-89.

П.Прокофьева Т.В "Запечатанные почвы, их роль в урбоэкосистеме, возможность рекультивации." //В кн." Почва. I ород. Экология" М.; Фонд "За экономическую грамотность", 1997—С. 89-111.

12. Stroganova М., Myagkova A., Prokofieva Т., Skvortsova I. "Soils of Moscow and urban environment" M.: ПАИМС, 1997, 178 c.

13. Прокофьева T.B., Строганова M.H. Деградация почв и почвенного покрова города в результате запечатывания дорожными покрытиями. //Тез. Всерос. конф. "Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения" / Москва 23-25 июня 1998, С. 209.

14. Строганова М.Н., Прокофьева Т.В. Специфика почвенного покрова города и проблема деградации.//Тез. Всерос. конф. "Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения"/ Москва 23-25 июня 1998, С. 211.

15.Строганова М.Н., Прокофьева Т.В. Почвы и почвенный покров Москвы// в Сб. "Природа Москвы" М.: 1998, с. 24-38.