Физико-химические и химические свойства почв многоэтажных районов г. Перми

Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

В почвах многоэтажных жилых районов г. Перми сочетаются признаки, унаследованные от зональных дерново-подзолистых почв, и свойства, приобретенные под воздействием человека. В формировании современного комплекса физико-химических и химических свойств этих почв значимыми факторами являются: применение карбонатных горных пород при строительстве, торфа при засыпке газонов, антигололедных средств, загрязнение тяжелыми металлами и органическими веществами.

В формировании почвенного покрова городов проявляются некоторые общие закономерности: уничтожаются природные почвы, перемешиваются грунты, почвы загрязняются органическими и минеральными веществами, в их состав включается много бытового и строительного мусора и др. В то же время специфика городских почв зависит от региональной направленности процессов почвообразования, истории формирования города, местных форм современной техногенной деятельности человека. Почвы приобретают новый комплекс свойств и режимов, от которого зависит их способность к выполнению экологических функций в условиях города (Почва..., 1997). Как «новые» компоненты окружающей среды городские почвы изучены недостаточно.

Город Пермь был основан в 1724 г. как поселок при Егошихинском медеплавильном заводе. С 1780 по 1861 г. окончательно сформировалась центральная часть города, в нынешнем центре города сначала были в основном деревянные двух-, трехэтажные дома.

Современный облик город приобрел в 30-70 гг. XX в. - тогда, в связи со строительством крупных промышленных предприятий, жилые районы города разместились на месте бывших деревень и соснового бора. В настоящее время город расположен на площади 780 км2, население составляет более 1 млн. человек. Нефтеперерабатывающие, машиностроительные и металлообрабатывающие предприятия на территории г. Перми выбрасывают в. окружающую среду органические загрязнители, газообразные соединения азота и серы, соединения меди, фосфора, никеля, железа. Автотранспорт и хранилища отходов (шламохранилища, золоотва-лы, солеотвалы, свалки) вносят свой вклад в загрязнение города (Состояние и охрана..., 2002).

Экологическое состояние почвенного покрова в этом крупном промышленном центре определяет качество среды обитания человека. Цель нашей работы - исследовать основные свойства почв, формирующихся в самых густонаселенных, многоэтажных районах г. Перми.

При обследовании почвенного покрова города было описано 93 разреза почв. Образцы почв исследовали на реакцию почвенного раствора - определяли величину pH (потенциометрически) в 200 пробах, на содержание карбонатов и кислоторастворимых Са, Mg (по Молодцову) - в 100 пробах, валового и водорастворимого органического углерода (сжиганием по Тюрину) - в 104 пробах, на емкость катионного обмена (по Бобко-Аскинази) -в 83 пробах, выявляли водорастворимые Na, Cl (в водной вытяжке) - 200 проб, обменный Na (по Молодцову-Игнатовой) - в 30 пробах, валовой азот (по Кьельдалю, после сжигания по Гинсбург) - в 95 пробах, подвижные К2О и Р2О5 (в вытяжке по Кирсанову) - в 65 пробах. Полученные данные были обработаны математически с применением пакета статистических программ Diasta.

Город Пермь расположен на холмисто-увалистой эрозионной равнине и песчаных террасах р. Камы. В почвенном покрове преобладали дерновоподзолистые суглинистые и супесчаные почвы. Дерново-карбонатные и дерново-бурые глинистые почвы располагались на участках с максимальной крутизной и имели небольшие ареалы (Скрябина, 1998). В многоэтажных районах города, застроенных в 30-60 гг., почвенный покров был трансформирован в связи с выравниванием склонов, засыпкой логов и долин малых рек, поднятием террас и разнообразным строительством. В настоящее время в профиле городских почв редко встречаются органогенные и гумусовые горизонты, а также

подзолистые горизонты дерново-сильно- и среднеподзолистых почв. Сохранившиеся иллювиальные горизонты и материнские породы (пески аллювиального происхождения и элювиально-делювиальные суглинки) перемешаны с привезенными грунтами, бытовым и строительным мусором. На местах, не затронутых строительством в последние десятилетия, в профиле почв образуются маломощные гумусовые горизонты. На клумбах и газонах поверхность почв для повышения плодородия покрывается 5-10-сантиметровым слоем смеси низинного торфа с песком.

Почвенные разности, выделенные на территории жилых районов города, были соотнесены с классификацией, разработанной М.Н. Строгановой и др. (Почва..., 1997) для городских почв таежнолесной зоны (на примере г. Москвы). К блоку естественно-антропогенных почв, классу поверхностно-преобразованных были отнесены урбо-дер-ново-подзолистые и урбо-дерново-карбонатные почвы, сохранившие диагностические горизонты, но включающие много мусора и характеризующиеся повышенным уплотнением. Кроме того, в этот же класс включили погребенные почвы, сохранившие генетические горизонты, но покрытые с поверхности суглинистыми или песчаными грунтами. Почвы естественно-антропогенного . блока относительно слабо представлены в почвенном покрове, поскольку, как правило, преобразование затрагивает большую часть профиля. Блок антропогенных преобразованных почв класса антропо-земы, типа урбаноземы представлен собственно урбаноземами и экраноземами. Собственно урбаноземы обладают профилем, состоящим из минерально-гумусового субстрата разной мощности и качества с примесью городского мусора, и характеризуются отсутствием генетических горизонтов. Экраноземы залегают под асфальто-бетонным покрытием. К блоку техногенных поверхностных образований "класса техноземы, типа почвогрунты, подтипа реплантоземы отнесли почвы, сформированные на рекультивируемых после строительства территориях и покрытые с поверхности слоем торфа, смешанного с песком.

Частоту встречаемости основных подтипов городских почв определяли по материалам съемки территории (масштаб 1:5000) одного из многоэтажных районов г. Перми. Почвы со сложными профилями и урбо-почвы не занимают значительных площадей, и выделить их контуры при съемке было практически невозможно. Грунты под зданиями занимали 17% площади. Преобладали в почвенном покрове района собственно урбаноземы (76%) с разной степенью включения строительного и бытового мусора и перемешивания грунтов; как правило, они естественно заросли травянистыми растениями. Примерно в равной степени представлены экраноземы, закрытые асфальтобетоном

(14%), и реплантоземы на газонах с маломощными органогенно-гумусовыми горизонтами (10%).

Городские почвы, несмотря на перемешивание грунтов и создание насыпных слоев, как правило, наследовали природную дифференциацию гранулометрического состава. Почвы молодых террас р. Камы имеют, как правило, более легкий (песчаный, супесчаный) состав. На водоразделах и коренных склонах речной долины преобладают городские почвы преимущественно суглинистого состава.

Для почв жилых районов свойственна в основном слабощелочная реакция (рН=7-8) почвенного раствора, в верхних горизонтах почв нередко (более 28% проб) встречается и щелочная реакция (рН>8). Нейтральную реакцию (рН=6-7) имеют преимущественно свежие торфяно-компостные горизонты на поверхности реплантоземов (14% проб). В большинстве разрезов щелочная среда почвенных растворов проявляется по всему профилю до глубины не менее 1 м. Как правило, отсутствует гидролитическая форма кислотности. Ощелачивание почв городов - это широко распространенное явление, обусловленное применением щелочных строительных материалов, антиголо-ледных средств, формированием щелочной пыли (Александрова, 2000, Почва..., 1997). В г. Перми щелочная реакция почв связана прежде всего с применением карбонатного щебня при укладке дорог, засыпке строительных площадок. Преобладающая часть почв показала реакцию на присутствие карбонатов - «вскипание» от соляной кислоты. Содержание карбонатов в почвенном мелкоземе колеблется в пределах от 1 до 4% и выше (табл. 1). Карбонаты в равной степени представлены солями кальция и магния, что свидетельствует о применении в градостроительстве материалов не только из известняков, но и из доломитов. Количество кальция и магния, извлекаемое солянокислой вытяжкой, может достигать 100-200 мг-экв/100 г почвы.

■                      Таблица 1

Сравнительная характеристика свойств по верхностных горизонтов городских почв и дерново-подзолистых почв зеленой зоны г. Перми

Свойства	Почвы
	город ские 6,0-8,7	дерново подзолистые 4,5-5,7
pH вод
Содержание карбонатов, % СО2	1-4	нет
Са , мг-экв/100 г почвы	36-204	не опр.
Mg2+, мг-экв/100 г почвы	34-150	не опр.
ЕКО, мг-экв/100 г почвы	15-85	15-32
С орг. валовой, %	0,3-16,5	0,5-2,1
N валовой, %	0,04-0,46	0,06-0,41
Р2О5 подв., мг/100 г почвы	2-9	5-10
К2О подв., мг/100 г почвы	2-70	7-15     .

Содержание общего органического углерода в поверхностных горизонтах городских почв колеблется в очень широких пределах (табл. 1). Часть ор- ганического углерода почвы наследуют от дерновоподзолистых почв в форме гумуса. Дерновоподзолистые почвы региона, особенно легкого гранулометрического состава, характеризуются малой мощностью гумусового профиля и низким содержанием гумуса. Сформировавшиеся на их месте урбо-дерново-подзолистые почвы могут наследовать не более 2-3% углерода гумуса. Кроме того, процесс гумусообразования непосредственно в городской среде идет при участии живых организмов. Человек привносит в городские почвы органические вещества: торф, навоз, сажу, органические загрязнители, которые со временем могут трансформироваться биотой в собственное органическое вещество почв -гумус. Под асфальтобетоном в экраноземах количество органического углерода составляет 0,5-2%. Минимальным количеством органического углерода (менее 1%) характеризуются собственно урбанозе-мы. В городских почвах со сложными профилями и погребенными почвами может присутствовать несколько максимумов общего углерода или гумусовые горизонты могут залегать под минеральными слоями.

При формировании реплантоземов на клумбах и газонах торф низинного болота (с содержанием органического углерода около 20-24%) в произвольном соотношении смешивается с песком. «Молодые» реплантоземы имеют черные, рыхлые органогенные слои, содержащие от 10 до 16% общего органического углерода; мощность их редко превышает 10 см. С «возрастом» окраска и мощность органогенного слоя изменяются, он становится бурым, уплотненным, образуется дернина слоем до 2-3 см. Можно говорить о его трансформации в гумусовый горизонт с содержанием органического углерода 2-6%. Применение торфа незначительно сказывается на количестве органического углерода в подповерхностных слоях реплантоземов.

Водорастворимая форма органики в городских почвах частично представлена продуктами почвообразования. Одновременно в нее входят и органические загрязнители (продукты неполного сгорания нефтепродуктов в автотранспорте, газа нефтеперерабатывающих предприятий и др.), о их высокой миграции свидетельствует загрязнение органикой грунтовых вод в условиях г. Перми (Быков и др., 2001). В поверхностных слоях собственно урбано-земов содержится от 0,02 до 0,26% водорастворимого органического углерода от веса почвы. Наибольшее содержание водорастворимого органического углерода имеют, как правило, реплантоземы, обогащенные органическим углеродом. Корреляционный анализ показал среднюю связь в поверхностных слоях между водорастворимым и валовым органическим углеродом (коэффициент корреляции г = 0,68). В подповерхностных слоях количество водорастворимого углерода колеблется в пределах 0,03-0,12%; существенной связи между содержани ем общего и водорастворимого углерода не установлено. Доля водорастворимого углерода от общего составляет от 1 до 24%, при этом высокая доля подвижной фракции отличает слои с низким валовым углеродом (0,3-1,7%), что наблюдается в собственно урбаноземах и подповерхностных горизонтах других подтипов городских почв.

Величина емкости катионного обмена почв жилых районов города зависит прежде всего от содержания органического вещества и гранулометрического состава. В органогенных горизонтах реплантоземов она может достигать 85 мг-экв/100 г почвы, в минеральных суглинистых слоях она находится в пределах 20-40 мг-экв/100 г, а в супесчаных почвах и слоях составляет менее 20 мг-экв/100 г почвы (см. табл. 1). •

Городские почвы относительно хорошо обеспечены подвижными формами калия. В дерновоподзолистых почвах содержание подвижного К2О колеблется от 7 до 15 мг/100 г (Почва..., 1997). Почвы г. Перми в 63% проб содержали К2О от 20 до 70 мг/100 г, более низким количеством калия характеризовались песчаные слои. В почвенном профиле подвижные формы калия распределены относительно равномерно. Городские почвы могут пополняться калием вследствие посыпания хлоридными солями дорог в зимний период при гололеде.

Содержание подвижных фосфатов в городских почвах соответствует низкому и среднему уровню обеспеченности (см. табл. 1). Относительно повышенное содержание подвижного фосфора наблюдается в корнеобитаемых горизонтах, что объясняется биологическим накоплением и, возможно, фосфорорганическим загрязнением (поступление синтетических моющих средств).

Валовое содержание азота в верхних горизонтах городских почв составляет преимущественно 0,10-0,20%. От 0,05 до 0,10% валового азота содержится в подповерхностных горизонтах городских почв. Рекультивация торфом сказывается лишь на свежих насыпных слоях: там количество азота колеблется от 0,24 до 0,46%. В нижних горизонтах погребенных почв встречается второй максимум содержания валового азота - до 0,11-0,39%.

В зимний период для борьбы с гололедом на дорогах региона применяются хлориды натрия -отходы производства при разработке Верхнекамского месторождения калийно-магниевых и натриевых солей. В реплантоземах возле загруженных магистралей г. Перми были проведены режимные наблюдения за динамикой содержания хлоридов натрия и обменного натрия. Наибольшее количество солей реплантоземы содержали в весенний период, при этом количество водорастворимого Na+ не превышало 0,5 мг-экв/100 г, а СГ -0,8 мг-экв/100 г почвы. Уже в начале лета их содержание снижается до 0,03-0,3 мг-экв/100 г и 0,1-0,4 мг-экв/100 г соответственно (табл. 2).

- Влияние антигололедных солей на насыщен- тельным - количество обменного натрия не пре-ность натрием реплантоземов оказалось незначи- вышало 1,4 мг-экв/100 г почвы.

'                       '           Таблица 2

Динамика содержания водорастворимых ионов в реплантоземах придорожных полос, мг-экв/100 г

' почвы

Ион     .	Слой почвы, CM	Содержание ионов по месяцам			НСР05*
		апрель	июнь	август
Комсомольский проспект
	0-10	0,44	0,25	0,21	0,19
Cl	10-20	0,45	0,15	0,17	0,14
Na	0-10	0,31	0,29	0,31	0,22
	10-20	0,41	0,33	0,30	0,19
Шоссе Космонавтов
Cl	0-10	0,46	0,26	0,24	0,20
	10-20	0,37	0,28	0,30	0,21
Na	0-10	0,31	0,15	0,14	0,15
	10-20	0,19	0,20	0,17	0,19

Примечание: * НСР05 - наименьшая существенная разность.

Выводы

• 1.    В районах многоэтажных районов города Перми сформировались основные подтипы городских почв и техногенных поверхностных образований, характерные для таежно-лесной зоны (классификация М.Н. Строгоновой и др.), с преоблада-нием^ собственно урбаноземов, реплантоземов и экраноземов.

• 2.    Исходные различия дерново-подзолистых суглинистых и супесчаных (песчаных) почв определяют дифференциацию свойств городских почв по гранулометрическому составу и емкости катионного обмена.

• 3.    В формировании современного комплекса физико-химических и химических свойств городских почв и техногенных поверхностных образований существенную роль играют следующие факторы: применение карбонатных строительных материалов, рекультивация торфом, использование

антигололедных солей, загрязнение органическими веществами.