Geum.ru
   Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

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

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

Иванников Федор Андреевич

Трансформация почвоподобных техногенных образований в условиях урбоэкосистемы

(на примере г. Москвы)

Специальность 03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Москва-2012


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

Научный руководитель: Прокофьева Татьяна Вадимовна, кандидат биологических наук 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 РАН, ведущий научный сотрудник

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

Защита состоится л__ _________ 2012 г. в___ часов___ минут, в ауд. М-2 на

заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ им. М.В. Ломоносова на факультете Почвоведения по адресу: 119991, ГСП-1 Москва, Ленинские горы, МГУ имени 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 л__ ___________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета (^j^COiCtl/ Никифорова Алла Сергеевна

2


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 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. № 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; Sere 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 рекультивационные 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).

3


5.а Дать рекомендации по увеличению эффективности рекультивации в условиях

города. Научная новизна работы. Впервые ПТО описаны как исходный материал в ноль-момента городскогоа почвообразования,а изучена процесса иха 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).

4


Защищаемые положения:

1) Почвоподобные техногенные образования 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)а На скорость трансформации влияет не только состав поверхностного

рекультиванта, но и состав и свойства почв и грунтов (основ под рекультивацию).

  1. 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.
  2. 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,а М.С.Розановой за помощь в интерпретации

5


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. Почвоподобные 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 лэволюция 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, тяжелыхаа металлов (ТМ), нефтепродуктов (НП), полициклических

6


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 рекультивационных 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 рекультивационных 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 торфокомпостную 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:

  1. 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).
  2. 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

7


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).

    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% СаСОз, до 220 мг/кг Р2О5). Большинство техногенных горизонтов загрязнены тяжелыми металлами, вплоть до уровня ОДК (до Zn - 197; Pb - 107; Си - 144; Cd - 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),

    15


    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 Ч 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

    негидролизуемогоаа остаткаа такжеаа околоаа 70%.аа Спектрыа этиха горизонтоваа имеют

    16


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

    -тсн

    и

    -AYur -RAT 0-4 -RAT 4-7


    -AYur без ОВ - RAT без ОВ 0-4

    RAT без ОВ 4-7 лет -ибезОВ



    500аа 550аа 600аа 650

    Длина волны, нм


    700аа 750


    400 450 500 550 600 650 700 750 Длина волны, нм


    Рисунока 13.аа Усредненныеа спектрыа отражения различных почвенных горизонтов города: Аа -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, Си, 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 КАТ(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; Pb - 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

    микробныха сообществ.а Высокаяа целлюлозолитическаяа активность

    17


    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 AYur 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

    18


    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).

    1-3 года

    30-40лет

    30-40 лет


    ж сапрофаги


    ж хищники

    фитофаги

    ж миксофаги

    жсапрофаги


    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:

    I - инициальная стадия: На различные субстраты разной мощности для рекультивации накладывается торфокомпостная смесь с маломощной супесчаной или легкосуглинистой техногенной отсыпкой Ч 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.

    19


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

    процессами на инициальных стадиях

    почвообразованияа являются

    процессыа преобразования

    органическогоаа веществ и

    накопления гумуса. Благодаря этим

    процессам,а ва материале

    рекультивационногоаа тел илиаа на

    техногенных грунтах, по

    прошествии от четырех до семи лет, в зависимости от основы, образуется

    Даа ,,. п,пт,-.аа серогумусовыйа горизонтаа с

    Рисунок 15. Схема трансформации 111 иг jаа jг

    в условиях городской среды.признакамиа 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 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/см , 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 серогумусовую (дерновую) на техногенных отложениях. Однако, время 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.

    20


    Ill Ч 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 г/м до 8,80 г/м 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 20-30 см). Для этих горизонтов характерны слабая переуплотненность (1,3 г/см ), 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,а такие как современные гумусо-

    21


    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/см , твердость - 14 кг/см ) 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/см ; твердость - 23 кг/см ), низкого ОВП, неоднородности и отсутствия структуры.

    Изменение органического вещества в ряду трансформации происходит следующим образом: рекультивапионные горизонты быстро минерализуются в первые годы существования, затем происходит некая стабилизация содержания Сорг в AYur горизонтах. На спектральных кривых отражения это выражается в увеличении tg угла наклона кривых в целом, и повышении коэффициентов р750. Для горизонтов AYur, U 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 рекультивапионного 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 рекультивапионном горизонте, что обуславливает необходимость быстрого проведения повторной рекультивации. Содержание поллютантов в рекультивапионных 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 рекультивапионных 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 рекультивапионных 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,

    22


    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 почвоподобных образований на глубину 1 метр, с приоритетом почвенных горизонтов AYur и U 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 нерекультивированньгх 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 прочносвязанные 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 профилейа приходятсяаа наа погребенныеаа горизонтыа урбик,аа выступающиеаа ваа роли

    23


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

    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
    4. 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 от типичных горизонтов городских почв - урбик с меньшей твердостью и хорошей оструктуренностью.
    5. 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 (RAT+TCH = 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).

    24


    Список работ опубликованных по теме диссертации

    1. Иванников Ф.А. Трансформация почв речных долин в условиях городской среды (на 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 О.А. Иванников Ф.А. Городские почвы речных долин (на 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.
    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

    25

         Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]