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

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2004 Биология Вып. 2

Почвоведение

УДК 631.41:504.75

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ МНОГОЭТАЖНЫХ РАЙОНОВ г. ПЕРМИ

О. 3. Еремченко, Н. В. Москвина

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, М§ (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 Иа, С1 (в водной вытяжке) - 200 проб, обменный Иа (по Молодцову-Игнатовой) - в 30 пробах, валовой азот (по Къельдалю, после сжигания по Гинсбург) - в 95 пробах, подвижные К20 и Р205 (в вытяжке по Кирсанову) - в 65 пробах. Полученные данные были обработаны математически с применением пакета статистических программ 01а$1а.

Город Пермь расположен на холмисто-ували-стой эрозионной равнине и песчаных террасах р. Камы. В почвенном покрове преобладали дерново-подзолистые 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

© О.З. Еремченко, Н.В. Москвина, 2004

подзолистые горизонты дерново-сильно- и среднеподзолистых почв. Сохранившиеся иллювиальные горизонты и материнские породы (пески аллювиального происхождения и элювиально-делювиаль-ные 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 поверхно-стно-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 мине-рально-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 фунтов 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 поверхностных горизонтов городских почв и дерново-подзолистых почв зеленой зоны г. Перми

Почвы

Свойства город- дерново-

ские подзолистые

pH вод 6,0-8,7 4,5-5,7

Содержание карбонатов, % С02 1-4 нет

Са2+, мг-экв/100 г почвы 36-204 не опр.

Мё2+, 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

Р205 подв., мг/100 г почвы 2-9 5-10

К20 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-

Физико-химические и химические свойства почв многоэтажных районов г. Перми 161

ганического углерода почвы наследуют от дерново-подзолистых почв в форме гумуса. Дерново-подзолистые почвы региона, особенно легкого гранулометрического состава, характеризуются малой мощностью гумусового профиля и низким содержанием гумуса. Сформировавшиеся на их месте урбо-дерново-оодзолистые 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 урбаноземы. 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 дерново-подзолистых почвах содержание подвижного К20 колеблется от 7 до 15 мг/100 г (Почва..., 1997). Почвы г. Перми в 63% проб содержали К20 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 Ыа+ 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, см

апрель

Содержание ионов по месяцам

июнь

Комсомольский проспект

август

НСР,

05

Cl 0-10 0,44 0,25 0,21 0,19

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 преобладанием' 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.

Библиографический список

Александрова А.Б. Сравнительный анализ состава городской пыли (твердый смет), влияние его на городские почвы г. Казани // Тез. докл. 3-го съезда общества почвоведов (Суздаль, 11-15 июля 2000 г.). М., 2000. Т. 3. С. 4-5.

Быков В.H., Димухаметов Д.М., Димухаметов М.Ш. Эколого-геологическая обстановка города: Учеб. пос. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2001.

Почва, город, экология. М., 1997. 320 с.

Скрябина O.A. Почвы надпойменных террас реки Камы в пределах Краснокамского района Пермской области // Вопросы физической географии и геоэкологии Урала: Межвуз. сб. науч. тр. Пермь, 1998. С. 56-69.

Состояние и охрана окружающей среды в Пермской области в 2001 г. Пермь, 2002. 177 с.

Работа выполнялась при финансовой поддержке гранта РФФИ № 01-04-96459

Physical and chemical properties of soils in the multistory buildings districts of Perm

O.Z. Eryomchenko, N.V. Moskvina

In the soils of multistory buildings districts in Perm there combined the properties got from turf and podzol containing soils and those acquired after human activity. In the formation of the present complex of physical and chemical properties there are some significant factors such as, the application of carbonate rocks in building and peat in making lawns, the pollution with heavy metals and organic substances.