Почвенный покров как компонент городской экосистемы Архангельска

Актуальность исследования. Почвы (почвенный покров) — базовый компонент экосистемы любого города. Под влиянием антропогенного воздействия они трансформируются, что часто негативно сказывается на способности городских почв выполнять экологические функции. Для оптимизации экологического состояния почв города и урбоэкосистемы в целом необходимо изучить их свойства, загрязненность и особенности функционирования, систематически осуществлять оценку и контроль (Строганова и др., 1997).

Исследованию данной проблемы уже давно уделяется большое внимание за рубежом, в частности, в США (Craul, 1999) и Германии (Burghardt, 1994, Meuser, Blum, 2001; Beyer et al., 2001). В России изучение городских почв стало актуальным лишь в последние десятилетия. К настоящему времени накопилось уже немало данных, касающихся изучения особенностей загрязнения и изменения основных свойств городских почв, однако эти сведения носят разрозненный и фрагментарный характер. Комплексные и систематические исследования почвенного покрова урбоэкосистем проводятся пока только в Московской агломерации (Почва, город, экология, 1997; Хакимов и др., 1999; Строганова и др., 2003), Санкт-Петербурге (Надпорожская и др., 2000) и Нижнем Новгороде (Природный комплекс., 2000). На Европейском Севере таких примеров нет. Все это свидетельствует о теоретической и практической важности проведения комплексного экологического исследования почвенного покрова Архангельска как крупнейшего промышленного центра на Севере.

Цель и задачи исследования

Цель работы — оценить экологическое состояние почвенного покрова Архангельска, изучив его свойства, степень загрязненности и закономерности функционирования, для разработки основных критериев экологического мониторинга и нормативов оценки качества городских почв на Севере.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) изучить природно-исторические особенности формирования и структуру почвенного покрова Архангельска;

2) исследовать комплекс показателей различных свойств (физические, агрохимические, химические, биологические) городских почв, обеспечивающих их функционирование как компонента экосистемы;

3) на основе полученной базы данных разработать и рекомендовать критерии и нормативы оценки экологического состояния городских почв для условий Севера.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовали общепринятые и частные методики, позволяющие изучить водно-физические, химические, биологические свойства почв, загрязненность тяжелыми металлами, дать оценку эколого-экономической оценки почвенного покрова в условиях городской экосистемы, методы математической статистики.

Научная новизна результатов исследований. Впервые на Европейском Севере для одного из крупнейших городов — Архангельска проведено комплексное исследование почвенного покрова как компонента городской экосистемыизучены его структурно-функциональные особенности, связанные со спецификой условий Севераустановлены уровни и закономерности загрязнения тяжелыми металлами и неметалламипредложены показатели и нормативы оценки экологического состояния почвенного покрова.

Достоверность результатов исследований и обоснованность выводов базируются на значительном экспериментальном материале и на согласованности полученных результатов, обработанных статистически с применением методов математического анализа. Заложено и описано более 70 пробных площадей, на которых исследовались почвы.

Личный вклад. Автором с учетом рекомендаций руководителя сформулированы цель и задачи исследований, выбраны и уточнены методические подходы к их решению. Непосредственно диссертантом в течение 2000;2005 гг. проведены теоретические и основная часть экспериментальных исследований, выполнен анализ полученных данных, сформулированы выводы.

Апробация и публикации работы. Основные положения и результаты исследований были представлены: на молодежной международной конференции «Экология — 2003» (Архангельск, 2003) — X международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов — 2003» (Москва, 2003) — XI международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов — 2004» (Москва, 2004) — XI молодежной научной конференции Института биологии Коми НЦ УрО РАН «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2004) — Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2004) — IV съезде Докучаевского общества почвоведов «Почвы — национальное достояние России» (Новосибирск, 2004) — IV Международной конференции «Экологическое образование и экологическая наука: проблемы и сотрудничество» (Архангельск, 2004) — научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов по итогам работ за 2004 г. (Архангельск, 2005) — VII Сибирцевских чтениях (Архангельск, 2005) — IV Международной конференции по криопедологии (Архангельск, 2005).

Научно-исследовательская работа была выполнена при поддержке гранта РФФИ и администрации Архангельской области № 02−04−97 508 «Механизмы формирования и закономерности функционирования природного комплекса урбанизированных ландшафтов в условиях Европейского Севера» и гранта администрации Архангельской области № 58−03 «Исследование фитотоксичности городских почв и разработка критериев ее оценки на примере г. Архангельска» в конкурсе «Молодые ученые Поморья» 2003;2004 гг. программы «Развитие науки и технологий в Архангельской области до 2005 года» и частично при поддержке гранта.

Министерства образования и науки «Развитие потенциала высшей школы» 2005 г. и гранта РФФИ и администрации Архангельской области № 05−497 531 «Кумуляция, миграция и трансформация биогенных элементов и техногенных поллютантов в биотических и абиотических составляющих урбанизированных экосистем (на примере Архангельского промышленного узла)» 2005 г.

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Практическая значимость результатов исследований. Разработанная система диагностических показателей экологического состояния городских почв и критериев их оценки, адаптированная к условиям формирования и функционирования почв на Севере, может быть использована для проведения мониторинговых исследований и комплексной оценки почвенного покрова в городах данного региона. Установленные нормативы позволяют дифференцировать почвы северных городов по их качеству и учитывать данный аспект при расчете земельных платежей, кадастровой и индивидуальной оценке городских земель. Полученные результаты и материалы могут служить основой создания перспективного плана работ по реконструкции, оздоровлению, уходу за городскими почвами Архангельска, разработки рекомендаций по подбору ассортимента газонных трав. Материалы диссертационного исследования могут быть использованы для чтения лекций и проведения практических занятий со студентами по дисциплинам экологических специальностей.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, приложения. Работа иллюстрирована 43 таблицами и 19 рисунками.

Список литературы

включает 161 отечественных и 16 зарубежных источников.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. На формирование почвенного покрова Архангельска изначально большое влияние оказали четкая «возрастная» зональность города, комплекс биотических и абиотических факторов, а также исторически сложившаяся и, к сожалению, существующая поныне, строительно-функциональная политика в обустройстве городской среды.

2. Почвенный покров Архангельска отличается значительной пестротой и неоднородностью. В настоящее время в городе почти не осталось естественных почв. В любой части города почва искусственно создается на культурных слоях, естественных погребенных почвах, слоях строительного мусора. Нами выявлено три зоны формирования и распространения почв в почвенном покрове Архангельска в зависимости от возраста их образования и почвообразующей породы.

3. Уточнена типологическая представленность почв Архангельска в структуре почвенного покрова. Выделены две разновидности реплантоземов: реплантоземы с базовой компонентой песка и реплантоземы с базовой компонентой торфаурбанозем развитый («урбик» более 20 см), урбанозем неразвитый («урбик» менее 20 см). Эти почвы отличаются друг от друга тенденциями развития и особенностями выполнения экологических функций.

4. Напочвенный покров газонов Архангельска представлен 4−21 видами растений, что в большинстве случаев ниже, чем в природном луговом сообществе. В десятке растений, имеющих наибольшее значение в формировании газонов Архангельска, преобладают сорные и придорожные травы, из злаков, способствующих задерновыванию поверхности почвы, присутствует только один вид — пырей ползучий. Поверхность городских почв Архангельска характеризуется различной степенью рекреационной нагрузки (слабой, средней или ее отсутствием), и проективным покрытием растительности от 44,5% до 100% на газонах официального озеленения. Почвы, как правило, захламлены включениями бытового и строительного мусора, с этим связана и их повышенная каменистость (до 81%). Степень выраженности деградации состояния почв по всем этим показателям увеличивается от периферии города к его историческому центру.

5. Почвы Архангельска отличаются значительной опесчаненностью, переслоенностью насыпных горизонтов разного механического состава, в том числе и торфа, который часто применяют для создания газонов. Помимо этого, торф в составе почвенных профилей имеет естественное происхождение. В результате водный и воздушный режимы почв чаще всего нарушены, и показатели значительно отличаются от оптимальных для произрастания растений. Из-за низкой объемной массы и повышенной скважности почвы могут сильно пересыхать и переувлажняться в отдельные сезоны года, что неблагоприятно сказывается на состоянии и жизнедеятельности корневых систем растений и микробоценоза почв. На территории города встречаются и уплотненные почвы с неблагоприятными физическими свойствами.

6. Реакция среды почв Архангельска, по сравнению с зональными подзолистыми и контрольной дерновой почвами, смещена в щелочную сторону: рНв0Д. в верхнем слое (0−10 см) изменяется от 5,0 до 7,36, рНС0Л. -от 3,96 до 7,3, и в большинстве случаев близка к нейтральной. Величина рН, как правило, с глубиной возрастает. Обогащенность насыпных слоев и сильно нарушенных городских почв подвижным фосфором и обменным калием высокая, степень насыщенности почв основаниями и емкость поглощенияповышенные. Эти особенности связаны с поступлением на поверхность почвы в городе различных подщелачивающих поллютантов, а также с более высоким содержанием в ней кальция и карбонатов, источником которых является строительный мусор, гумуса и гуматов, повышающих их сорбционные свойства по сравнению с природными зональными почвами.

7. Почвы Архангельска, по сравнению с природными, содержат значительно большее количество органического углерода и гумуса. Их гумусно-аккумулятивный профиль более вытянут. Однако органическое вещество в верхнем слое многих почв в городе обеднено азотом и слабо гумифицированно, что говорит о его низком качестве, как ресурса питания, а также о снижении поглотительной способности таких почв.

Целлюлозоразлагающая и дыхательная активность почв Архангельска значительно выше, чем в природных почвах. Однако значения данных показателей широко варьируют в пространстве и во времени, что обусловлено как изменчивостью климатических факторов (температуры, влажности), так и значительной пестротой режимов и свойств самих почв города.

8. По суммарному показателю концентрации химических элементов 1 класса опасности верхний слой (0−20 см) почвенного покрова на большей части исследованной территории Архангельска характеризуется допустимым уровнем загрязнения, но на отдельных участках центральной части городасредним и высоким. Значительную часть в суммарном загрязнении верхнего слоя городских почв занимают соединения мышьяка и особенно свинца, в большинстве из исследованных образцов превышая ПДК.

Выявлены прямые корреляционные связи между содержанием валовых форм ртути и мышьяка с органическим углеродом, содержанием валового мышьяка и подвижных форм фосфора и калия в почвах. Распределение валовых форм тяжелых металлов вглубь по профилям разнообразно и обусловлено множеством факторов, главными из которых являются возраст почв, содержание в них органического вещества, механический состав, интенсивность техногенного и антропогенного воздействия.

9. Большая часть из исследованных почв характеризуется слабой степенью фитотоксичности, локально встречаются не фитотоксичные почвы. Средний уровень фитотоксичности почв в основном отмечен для участков, расположенных в северной части центрального района города. Выявлена зависимость фитотоксичности почв от их типа: торфяные реплантоземы являются самыми фитотоксичными почвами, поскольку максимально аккумулируют различные поллютанты в верхнем органогенном слое, реплантоземы на основе песка — наименее фитотоксичны. Они легко пропускают вредные вещества вниз по профилю. Урбаноземы занимают промежуточное положение.

10. На основе анализа базы данных, полученных в ходе исследования, нами разработана и предложена система диагностических показателей экологического состояния почвенного покрова на Севере и нормативов их оценки. Она включает 13 показателей, градация которых осуществлена в соответствии с особенностями условий формирования и создания почв северных городов.

Согласно оценке, проведенной по разработанной нами системе диагностических показателей, большая часть изученных почв Архангельска характеризуется относительно удовлетворительным (по Строгановой и др., 2003) экологическим состоянием (Ре изменяется от 3 до 3,93). На отдельных участках в городе встречаются почвы оптимальным и средне удовлетворительным состоянием.

11. Исследование широкого перечня показателей и проведенная комплексная оценка экологического состояния почв Архангельска позволяют дать предварительные рекомендации по поддержанию и улучшению их качества:

— необходима организация в городе мониторинга за состоянием почвенного покрова, как основной базовой компоненты экосистем. При этом мониторинговые наблюдения должны вестись не только за состоянием почв с точки зрения их техногенного загрязнения, но также предусматривать систему контроля за их физико-механическими и агрохимическими свойствами, обуславливающими средообразующую и средоочищающую роль почв, а также биологическими свойстами, которые также являются индикаторными, но пока в Архангельске мало изучены;

— необходим пересмотр технологий создания и реконструкции газонов, парков, аллей в городе и совершенствование деятельности озеленительных и коммунальных служб;

Ik 6.

— необходимо усилить внимание к подбору ассортимента и увеличению видового разнообразия травянистой растительности, применяемой при проведении официального озеленения, с учетом их биоэкологических особенностей, устойчивости к аэротехногенному загрязнению и механизмов функционирования в измененных условиях природно-техногенного комплекса урбоэкосистем.