Деградация физических свойств почв черноземной зоны в условиях города

Пристальное внимание общества к природным ресурсам в целом и почве, в частности, характерное на любом этапе исторического развития современной цивилизации, объясняется необходимостью сохранения почвой ее основных экологических и социально значимых функций. В условиях повсеместного увеличения городского населения и расширения территорий городов, растет актуальность изучения городских почв [2, 3, 8, 12-14, 22, 24]. Урбопедогенез, связанный с чрезмерной антропогенной нагрузкой, охватывает практически все известные характеристики почв и коренным образом преобразует их [18]. Одной из проблем интенсивного антропогенного воздействия на почвы является их последующая деградация как объекта в целом и деградация их свойств, в частности: химии-ческих, физических, биологических. Деградация физических свойств в черноземной зоне связана, прежде всего, с характеристиками почвенной структуры (форма, размер, содержание водопрочных отдельностей) и величиной плотности сложения почв. По сути, и то и другое формирует пористость почвы, как способность поддерживать водно-воздушный баланс и тепловой режим, обеспечивая организмам оптимальные условия жизни. Но наиболее важной для урбопочв является протекторная функция, связанная с поглощением и преобразованием поллютантов разного рода, а также сдерживанием патогенной микробиоты [13]. Деградация физических свойств и последующая эрозия способствуют загрязнению сопредельных сред и ухудшают общее экологическое состояние в городе, поэтому необходимо уделять пристальное внимание почвам города [18,23].

Объекты исследования и методы. Ростовская агломерация, как социально-экономическое, полицентрическое объединение, одна из крупнейших на Юге России. В нее входят такие населенные пункты, как Азов, Аксай, Батайск, Новочеркасск, Новошахтинск, Ростов-на-Дону, ст. Старочеркасская, Таганрог, с. Чалтырь, Шахты. Общая численность населения

Котик Михаил Валерьевич, студент по состоянию на 2011 г. составила 2,7 миллионов человек [21]. Территория моноцентрической части агломерации, так называемого «Большого Ростова», включает в себя населенные пункты Ростов-на-Дону, Аксай, Батайск и с. Чалтырь, по состоянию на 2007 г. население составило 2,16 миллионов человек, к 2025 г. прогнозируемый рост до 3,5 млн. человек. «Большой Ростов» максимально подвержен антропогенному воздействию за счет индустриальной нагрузки, интенсивного транспортного потока, высокой плотности застройки и социальной инфраструктуры, все это стимулирует урбопедогенез во всех его формах [18].

Исследовали влияние городского почвообразования на физические и морфологические свойства естественных и антропогенно-преобразованных почв, изучали степень деградированности почвенной структуры и плотности сложения, для получения объективных результатов сравнивали данные из разных зон землепользования агломерации, с учетом современной классификации почв [19]. Таким образом, выделили урбостратоземы и урбистратифицированные черноземы (экранированные и с дневными горизонтами «урбик») черноземы обыкновенные карбонатные (миграционно-сегрегационные) залежных и лесопарковых территорий.

Анализ структуры проводили методом Савинова, состоящим из двух частей. Первая часть (сухое просеивание) заключается в просеивании сухого образца на ситах с разным диаметром отверстий, такое изучение структуры позволяет получить информацию о содержании различных структурных фракций в почве. Мокрое просеивание - это фракционирование образца в воде, что дает количественную и качественную характеристику водопрочным агрегатам. Для оценки состояния структуры в нашем исследовании мы использовали шкалу Долгова-Бахтина, как наиболее объективную для условий черноземной зоны [7]. Плотность сложения определяли в гумусово-аккумулятивных горизонтах различных почв, по методу режущего кольца [11] согласно гост 5180-84. Также исследовали морфологические признаки, рекомендуемые Министерством охраны окружающей среды и природных ресурсов России для оценки деградации почв [17], среди которых уменьшение мощности почвенного профиля (А+В) чернозема в процентах от исходного состояния и мощность перекрывающего почву антропогенного, в том числе абиотического, наноса, представляющего собой один или несколько горизонтов урбик, а также, при наличии, щебень и экранирующие слои (асфальт, плитка, бетон).

Всего заложили 30 полнопрофильных разрезов, из которых для оценки состояния почвенного покрова были выбраны наиболее характерные для Ростовской агломерации почвенные типы. Все разрезы разделили на 5 условных групп: урбостратоземы экранированные (разрезы 1, 2, 3, 4, 13, 14); урбостратоземы (разрезы 5, 6); черноземы миграционно-сегрегационные (залежь) (разрезы 7, 8, 15, 16); черноземы миграционно-сегрегационные (парки – лесопарки) (разрезы 9, 10, 11, 12); урбистратифицированные черноземы; реплантоземы.

Результаты исследований и их обсуждение. Полученные данные представлены в табл. 1-3. Изучение морфологических признаков (табл.1) указывает на высокую мощность горизонтов урбик (45-110 см), нередко включающих абиотические слои, и определяемых как перекрывающие наносы [17]. Деградация в урбостратоземах всех видов по этому показателю оценивается баллом 4, иными словами это наивысшая степень деградации черноземов. Подобное явление характерно для почвенного покрова всех городов и агломераций, испытывающих мощный антропогенный прессинг [1, 18, 20, 23].

Мощность органогенного горизонта (А+В) для черноземов миграционно-сегрегационных агроландшафтов составляет 83-90 см, в среднем 86,5 см [6]. В изученной группе почв (разрезы 7, 8, 15, 16) среднее значение данного показателя составило 85,5 см, что в пределах типичных значений. Хотя встречаются на территории агломерации и другие виды черноземов. Так, в разрезе 8 мощность ниже (72 см), а в разрезе 16 выше (95 см). В экранированных урбостратоземах (№ 1-4, 13, 14) для погребенной под толщей наносов части черноземов, четыре из шести изученных разрезов представлены деградированными разностями. Среднее значение мощности А+В, в этой группе равно 79,5 см, однако степень деградации невысокая, оценивается 1 баллом. Такая особенность, по нашему мнению, связана с историческим развитием агломерации и поздним появлением нормативных документов, устанавливающих порядок снятия плодородного слоя почв перед погребением [10]. По сути, погребенные (экранированные) слои чернозема консервируются от негативного воздействия урбопедогенеза.

Группа урбостратоземов с дневными слоями «урбик» (№ 5, 6) имеют наивысшую четвертую степень деградации, черноземный профиль в этих разрезах был преобразован путем частичного скальпирования и перемешивания. Группа черноземов под древесной растительностью (№ 9-12) характеризуется наилучшим состоянием, в представленных разрезах деградация не проявляется. Причиной этому является активация биологических процессов [9], и противоэрозионное действие древесных насаждений.

Таблица 1. Степень деградации почв Ростовской агломерации в зависимости от морфологических признаков

Плотность сложения изученных почв представлена в сводной табл. 2. Для залежных черноземов характерны типичные для зональных почв значения плотности сложения. Средний показатель плотности сложения в слое 0-25 этой группы находятся в пределах 1,1 г/см3, при этом в подпахотных горизонтах он в целом ниже и составляет около 1,06 г/см3. В группе черноземов под лесной растительностью плотность сложения не изменяется на всю изученную глубину и составляет в среднем 1,23 г/см3, возможно, это обуслов-лено разрыхляющим действием корневых систем деревьев, так как плантажная вспашка в большинстве случаев не производилась.

Значения плотности сложения погребенных гумусово-аккумулятивных горизонтов А урбистрати-фицированных черноземов составляют 1,5 г/см3, что для нативных черноземов обычно соответствует горизонту В, вероятно, сказывается уплотняющее действие перекрывающей толщи, степень деградации оценивается по четырех балльной шкале как 3. Компостно-гумусовые горизонты реплантоземов имеют наивысшую плотность сложения, так как эти почвы приурочены к селитебным зонам районов многоэтажной застройки, где поверхностные горизонты испытывали на себе повышенный трафик, являющийся причиной регулярного антропогенного переуплотнения. Уровень деградации изученных реплантоземов по этому показателю равен 4. В черноземах лесопарковых территорий наблюдается тенденция к повышению плотности горизонта А по сравнению с залежными черноземами, а в погребенном горизонте А урбистрати-фицированных черноземов, и в реплантоземах плотность сложения на статистически значимую величину выше, чем в старопахотной почве.

Таблица 2. Сводная таблица плотности сложения гумусоаккумулятивных горизонтов почв Ростовской агломерации

Результаты анализа структурного состояния представлены в табл. 3. Сухое просеивание показало, что структура экранированных урбостратоземов почти на всю мощность профиля оценивается как удовлетворительная. Наибольшая доля принадлежит отдельностям размерностью более 10 мм, особенно четко эта закономерность прослеживается в урбогоризонтах, а в погребенных гумусово-аккумулятивных горизонтах содержание глыбистой фракции ниже. Также ведет себя и пылеватая фракция (размер агрегатов менее 0,25 мм). Таким образом, наиболее ценные с агрономической точки зрения структурные отдельности при уплотнении, сопровождающем урбопедогенез, переходят в глыбистую и пылеватую фракции. Однако утверждать однозначно, что это связано только с урбопедогенезом, нельзя, т.к. некоторые горизонты нативных почв также имеют высокое содержание глыбистой фракции. Тем не менее, при сравнении черноземов миграционносегрегационных и урбостратоземов, эта закономерность прослеживается четко, а в урбостратоземах неэкранированных такая тенденция отсутствует. В целом урбостратоземы отличаются низким качеством структуры по сравнению с нативными почвами.

Залежные черноземы обладают высокими значениями сумм агрономически ценных фракций, но вниз по профилю величина этого показателя резко снижается. В нативных почвах распределение структурных фракций на уровне горизонтов более равномерное с преобладанием мелкозернистых агрегатов.

В почвах парков и лесопарков сумма агрономически ценных агрегатов такая же высокая, как и в дерновых горизонтах естественных почв Ростовской агломерации. Причиной этого является особенный характер распределения корневых систем растений: в условиях парков и лесопарков под древесной растительностью даже на глубине 80-90 см встречаются мелкие и крупные корни. Ряд авторов указывает на важную роль углеводов в образования структуры почв [4, 5]. Известно, что корневые выделения растений содержат полисахариды и различные низкомолекулярные органические вещества, которые способствуют образованию муцигеля, а он в свою очередь способствует развитию микроорганизмов ризосферы [16]. Последние образуют биопленки, используя поступающие от растений углеводы, для построения собственных полисахаридов, отсюда лучшая оструктуренность всей почвенной массы в черноземах лесных массивов.

Таблица 3. Сводная таблица структурного состояния почв Ростовской агломерации

Мокрое просеивание показало, что самый высокий показатель водопрочности наблюдается в почвах под древесной растительностью, это определяется особенностями водно-воздушного режима и связанной с ним высокой биологической активностью [25].

Урбопедогенез способствует постепенной деградации водопрочных агрегатов, что обосновано рядом причин: снижением биологической активности, уменьшением поступления органического вещества в почвы [9], механическим разрушением агрегатов и уплотнением влажной почвы. В урбогоризонтах определение водопрочности агрегатов не всегда дает объективную картину, так как в части из них оценка водопрочности как «отличной» не соответствует действительности. Связано это с привносом каменистых частиц, которые мешают определению водопрочности агрегатов, реже это связано с загрязнением почвы гидрофобными веществами (нефтепродуктами). Поэтому результаты определения водопрочности структуры в условиях города не всегда могут являться своеобразным индикатором силы антропогенной трансформации почв.

Выводы: в о всех изученных урбостратоземах на погребенных черноземах показатель деградации черноземов, рассчитываемый по суммарной мощности горизонтов урбик (антропогенного наноса), наивысший и равен 4. При этом мощность погребенного органогенного горизонта черноземов достаточно высока даже в сильно урбанизированных точках закладки разрезов. Такая особенность связана с историческим развитием агломерации и поздним появлении-ем нормативных документов, устанавливающих порядок снятия плодородного слоя почв при освоении территории в городах. Плотность сложения локально увеличивается вследствие антропогенного воздействия. Наивысшие значения зафиксированы в реплантоземе селитебной зоны. В целом, структурное состояние почв достаточно консервативно, но урбопедогенез приводит к постепенной деградации устоявшейся структуры и увеличению в составе агрегатов доли глыбистой и пылеватой фракций.

Исследование выполнено в рамках проекта № 213.01-2015/002ВГ базовой части внутреннего гранта ЮФУ с использованием оборудования ЦКП «Биотехнология, биомедицина и экологический мониторинг» и ЦКП "Высокие технологии" Южного федерального университета.