Содержание к диссертации
Введение
1. ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ И ЕГО РОЛЬ В ГОРОДСКОЙ ЭКОСИСТЕМЕ 9
1.1. Экологические проблемы городов 9
1.2. Почвенный покров - основа урбоэкосистемы 10
1.3. Основные направления изучения почвенного покрова городов 14
1.3.1. Особенности изменения свойств городских почв 15
1.3.2. Загрязнение городских почв 22
1.4. Мониторинг экологического состояния почвенного покрова городов 26
1.4.1. Понятия, основные подходы 26
1.4.2. Основные направления оценки экологического состояния городских земель 30
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ 35
2.1. Программа работ 35
2.2. Объекты исследований 36
2.3. Методики исследований 42
2.3.1. Методика закладки и описания пробных площадей и почвенных разрезов 42
2.3.2. Методика исследований автотранспортной нагрузки и расчета загазованности воздуха на улицах города 44
2.3.3. Методика опытно-лабораторного этапа исследований показателей свойств почв 45
2.3.4. Методики исследований «дыхания», фитотоксичности и микробиологической активности почв 47
2.3.5. Методика оценки полученных результатов 50
2.4. Объем выполненных исследований 51
3. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 52
3.1. Особенности условий и факторов почвообразования в Архангельске 52
3.2. История формирования почвенного покрова Архангельска 59
3.3.Техногенные условия почвообразования 62
4. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА АРХАНГЕЛЬСКА 66
4.1. Структура почвенного покрова 66
4.2. Общие показатели состояния поверхности почвенного покрова 69
4.3. Физические свойства 75
4.4. Агрохимические свойства 86
4.5. Биологические свойства 103
5. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И ФИТОТОКСИЧНОСТЬ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА АРХАНГЕЛЬСКА 109
5.1. Загрязнение тяжелыми металлами почвенного покрова Архангельска 109
5.2. Фитотоксичность почвенного покрова Архангельска 123
6. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА АРХАНГЕЛЬСКА 134
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 142
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 166
- Экологические проблемы городов
- Программа работ
- Особенности условий и факторов почвообразования в Архангельске
Введение к работе
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; исследовать комплекс показателей различных свойств (физические, агрохимические, химические, биологические) городских почв, обеспечивающих их функционирование как компонента экосистемы; 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 экосистемы; изучены его структурно-функциональные особенности, связанные со спецификой условий Севера; установлены уровни и закономерности загрязнения тяжелыми металлами и неметаллами; предложены 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 № 02-04-97508 «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 № 05-04-97531 «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.
Автор выражает глубокую благодарность д.с-х.н. Е.Н. Наквасиной за поддержку и общее руководство. Особая признательность к.х.н. Л.Ф. Поповой и к.б.н. О.Ю. Калининой за консультации и оказание всесторонней поддержки при подготовке диссертации, заведующей кабинетом физиологии растений ПГУ им. М.В. Ломоносова Н.Н. Полухиной за содействие и помощь при проведении эксперимента по исследованию фитотоксичности городских почв.
Экологические проблемы городов
Одним из наиболее ярких феноменов современного общества является урбанизация. Ее сущность можно раскрыть на следующем примере: урбанизированные территории занимают немногим более 1 % площади земной суши, концентрируют свыше 45 % всего населения Земли и производят 80 % внутреннего валового продукта (Строганова и др., 1997).
В процессе урбанизации формируется урбоэкосистема. Она включает в себя как природные компоненты: рельеф, геологическое строение, климат, поверхностные и подземные воды, почву, электрические, магнитные и другие физические поля, растительный и животный мир, так и искусственно созданные компоненты, составляющие техносферу: промышленные предприятия, транспорт, жилые здания. Кроме того, неотъемлемым компонентом городской среды является население (социум) и его деятельность. Все компоненты урбоэкосистемы тесно взаимосвязаны между собой.
Многие годы урбосистемы формировались с преувеличенным креном в сторону производственной деятельности, нанося при этом непоправимый ущерб, как природе, так и самому обществу. В результате чего город стал источником различных экологических проблем. Причем чем крупнее город и чем сильнее изменена в нем природная среда, тем больше возникает экологических проблем и тем труднее их решать (Новиков, 1991; Камерилова, 1997).
При строительстве городов меняется рельеф, усиливаются многие геологические процессы (оползни и т.д.), происходит ухудшение качества воздуха за счет его запыленности и повышенным содержанием ядовитых газов. Пылевое загрязнение атмосферы приводит к повышению числа облачных, пасмурных и туманных дней, а постоянное воздействие соединений серы, азота и других примесей ухудшает жизненность растений и вызывает серьезные заболевания у людей. Наблюдается рост нетрадиционных «загрязнений», имеющих квантовую и волновую природу. Повышается общий фон и уровень шума (из-за высоких скоростей транспорта и работы различных механизмов и машин). Усиливается загрязнение территории городов мусором (Безуглая, 1991; Новиков, 1991; Владимиров, 1994; Родзевич, 1996; Кузнецов, 1998; Фролов, 1998; Экология крупного города, 2001; Келлер, Кувакин, 1999).
В крупных городах в значительной степени изменены погодно -климатические условия, характер циркуляции атмосферы. Обычно в их центральной части значительно теплее, чем на окраинах (Родзевич, 1996; Москва-Париж..., 1997; Природный комплекс..., 2000).
Серьезной экологической проблемой в городе является автотранспорт, а именно его выхлопные газы (Корчагин, Филоненко, 1997; Амбарцумян, 1999).
Почвы (почвенный покров) как компонент урбоэкосистемы также подвержены негативному влиянию антропогенного фактора. Увеличивается запечатанность территории камнем, асфальтом (уменьшается поверхность почвенного покрова), ухудшаются почвенно-гидрологические условия (заболачивание, просадки), переуплотняется корнеобитаемый слой и захламляется поверхность почвы. Изменяется органопрофиль, сокращается биоразнообразие почвенной микрофлоры, мезофауны и изменяется их структура, происходит заражение патогенными микроорганизмами, внедряются загрязняющие вещества, в т.ч. тяжелые металлы (ТМ) и другие токсиканты, изменяется кислотность и щелочность почв и т.д. (Строганова и ДР., 1997).
Несмотря на то, что изучение городских почв - достаточно молодое направление в почвоведении, впервые о необходимости комплексного «детального, естественно-исторического, физико-географического и сельскохозяйственного исследования Санкт-Петербурга и его окрестностей» заявил уже более ста лет назад выдающийся ученый-естествоиспытатель В.В. Докучаев (цит. по Строгановой и др., 1997). Так было положено начало изучению городских экосистем, в общем, и почвенного покрова городов в частности.
Однако исследование проблем, вызванных урбанизацией, активно развернулось лишь во второй половине двадцатого века, когда последствия воздействий человечества на природу приобрели глобальный и необратимый характер. Особое внимание отечественных и зарубежных исследователей к изучению городских экосистем, почвенного покрова и растений в городской среде было обращено еще позже. Так, множество работ посвящено исследованию особенностей загрязнения, засоления, изменения химических и агрохимических свойств городских почв (Баширова, 1975; Обухов, Лепнева, 1989; Ларина, Обухов, 1996; Burghardt, 1994; Jim, 1998; Азовцева, 2004; и др.). Наряду с этим рядом авторов (Геннадиев и др., 1992; Строганова, Агаркова, 1992; Строганова 1996, 1997; Строганова и др., 1997, 1997а; Герасимова и др., 2003; Прокофьева, Строганова, 2004; Meuser, Blum, 2001; и др.) на основе комплексного, систематического изучения разработаны систематика городских почв и положения об их функциях в городских экосистемах. Также активно ведутся исследования особенностей городских растительных комплексов (Игнатьева, 1993; Фролов, 1998; Антипина, 2003), проблем городского, ландшафтного дизайна (Craul, 1999), и по другим вопросам состояния среды городов.
Программа работ
Для реализации поставленной цели была составлена программа работ, включающая четыре этапа.
1. Составить обзор литературы по проблеме изучения почв (почвенного покрова) городов и оценки их экологического состояния в России и за рубежом. На основе литературных данных охарактеризовать специфику (особенности) основных факторов почвообразования на территории Архангельска, измененных под влиянием человеческой деятельности. Составить карту-схему мест закладки пробных площадей и отбора почвенных образцов, разработать аналитический план изучения свойств почв и подобрать методики исследования.
2. В течение полевых сезонов 2002-2003 гг. осуществить закладку и описание пробных площадей и почвенных разрезов, выполнить отбор почвенных образцов, классифицировать почвы. Провести учет и оценку автотранспортной нагрузки на улицах города и рассчитать уровень загрязненности воздуха выхлопными газами (по концентрации СО).
3. В лабораторных условиях исследовать показатели основных свойств и режимов городских почв:
физико-механических (каменистость, полевая влажность, гигроскопическая влага, механический состав, плотность сложения и плотность твердой фазы, общая порозность и порозность аэрации почв);
- агрохимических (рН солевой и водной вытяжек, содержание органического углерода и гумуса, азота, подвижных форм фосфора и калия); поглотительной способности (сумма обменных оснований, гидролитическая кислотность, емкость поглощения, степень насыщенности почвы основаниями);
- степени загрязненности тяжелыми металлами (содержание валовых форм Pb, As, Cd, Hg, Си, Zn и расчет коэффициента их суммарной концентрации);
- биологических (интенсивность выделения СОг, целлюлозолитическая активность и фитотоксичность городских почв разных типов).
4. Провести статистическую обработку и анализ полученной базы данных. Выявить особенности функционирования и оценить экологическое состояние разных типов почв Архангельска. Разработать систему диагностических показателей экологического состояния городских почв на Севере и предложить критерии их оценки на примере почв Архангельска.
В связи с тем, что почвы Архангельска практически не изучены, наши исследования были сосредоточены на почвах центральной части города, включающей Октябрьский и Ломоносовский округа.
Объектами исследования являлись основные подтипы городских почв, наиболее часто встречающиеся на территории Архангельска: урбаноземы (молодые, зрелые), реплантоземы (песчаные, торфяные), урбоестественные почвы и культуроземы (рис. 1). Описание месторасположения и основных характеристик состояния поверхности городских почв на пробных площадях и точечных участках отражены в таблицах 1 и 2.
В качестве контроля (эталона сравнения) для городских почв была выбрана природная дерновая маломощная легкосуглинистая почва, сформировавшаяся на суходольном лугу в районе д. Бабонегово Приморского района Архангельской области. Такой выбор был обусловлен тем, что процесс образования почв в Архангельске протекает по дерновому, а не по подзолообразовательному типу, характерному для региона.
Особенности условий и факторов почвообразования в Архангельске
Климат Архангельска характеризуется как переходный от морского к континентальному с продолжительной и холодной малоснежной зимой, короткой весной с неустойчивыми температурами, относительно коротким умеренно теплым увлажненным летом (Швер, Егорова, 1982). Общее представление о климате Архангельска дают средние значения метеорологических характеристик, полученных из многолетнего ряда наблюдений (табл. 3).
Характерной особенностью ветрового режима Архангельска является отчетливо выраженная в годовом ходе сезонная смена ветров преобладающих направлений. Зимой преобладают юго-восточные и юго-западные ветры, летом - северные и северо-западные (Климат и гидрометеорологические..., 1964; Швер, Егорова, 1982).
Современный Архангельск с его многочисленными промышленными предприятиями, с разноэтажной застройкой, с различным покрытием улиц и площадей, зелёными насаждениями и транспортными средствами формирует свой местный климат, который отличается от климата окрестностей и не всегда однороден внутри самого города.
При рассмотрении климатических характеристик города и пригорода, полученных по многолетним данным, можно отметить, что повышение температуры воздуха в городе не является существенным по сравнению с крупными городами. В целом за год Архангельск теплее пригорода на 0,4С.
Отепляющее действие города заметно лишь с августа по февраль (на 0,5 - 0,9С), а с апреля город даже холоднее пригорода на 0,2 - 0,4С. Тогда как в Москве разница температур город-окрестности в течение весны, лета и осени составляет 4 - 5С и более. Зимой различия сохраняются, но разница снижается до 2 - 3С. Сумма температур воздуха для центра Москвы на 50 -100С выше, чем на окраине (Швер, Егорова, 1982).
Считается, что в центре города в течение всего года должен наблюдаться "остров тепла", что является характерной особенностью всех крупных городов. В Архангельске некоторый "очаг тепла" можно выделить только летом в центральной старой части города с преобладающей деревянной застройкой, но окружённой на некотором расстоянии многоэтажными каменными зданиями (Швер, Егорова, 1982).
Обычно повышенная конвективность атмосферы крупного города, а так же её техногенная запылённость приводят к увеличению над городом числа гроз, росту интенсивности ливней и общего числа осадков. По многолетним данным средняя годовая сумма осадков в Архангельске составляет 494 мм, что несколько ниже этой величины в пригороде и в целом по области (500 мм). Сумма осадков, выпадающих в Москве, также выше суммы осадков в пригороде почти на 100 мм. Среднемесячные суммы осадков в Архангельске увеличиваются от февраля к августу, а с начала сентября уменьшаются. Несмотря на сравнительно невысокие годовые суммы осадков, на территории области и города создаётся переувлажнённость почвы, так как солнечного тепла, поступающего на поверхность земли, здесь меньше того количества, которое необходимо для испарения осадков, выпадающих за год (Швер, Егорова, 1982).
Флора Архангельска, также как микроклимат, преобразована под влиянием деятельности человека и имеет особенности, отличающие ее от зональных растительных сообществ.
По данным искусствоведа Л.Д. Поповой (1994), в 1584 г. в районе закладки города существовал устойчивый природный комплекс, основу которого составляли сосновые леса, произрастающие на глинистом побережье, и сфагновые болота, перемежающиеся с древесной растительностью - карликовой сосной и березой.
Видовой состав уличных посадок в современном Архангельске сравнительно беден, представлен 34 - 45 видами деревьев и кустарников, среди которых 5 хвойных и более 30 видов лиственных пород. Причем 18 видов - аборигенные, а остальные - интродуценты. По мере удаления от центра количество видов сокращается и на окраине города (Северный округ) их всего 8. В округах с наибольшим видовым разнообразием деревьев и кустарников (Октябрьский, Соломбальский, Ломоносовский) преобладают интродуценты. Наиболее распространенными из лиственных пород во всех районах города являются березы и тополя, а в округе Варавино-Фактория и Соломбальском еще и ивы. Среди хвойных пород широко распространена лиственница сибирская (Larix sibirica), а из кустарников - карагана древовидная (Caragana arborescens), жимолость татарская (Lonicera tatarica), спирея иволистная {Spiraea salicifolia) и т.д. По жизненным формам преобладают деревья, на долю которых приходится 90 % от всех экземпляров (Астрологова, Феклистов, 1997; Травникова, 1999, 2002; Жидкова, Феклистов, 2001; Феклистов, 2004).
В период с 1999-2003 гг. в составе флоры сосудистых, травянистых растений на газонах Архангельска разными исследователями (Астрологова, Феклистов, 1997; Минькина, 2001; Баталов, Федотова, 2004) было обнаружено 64 - 94 вида растений, тогда как флористический список, составленный на кафедре ботаники и общей экологии ПТУ им. М.В. Ломоносова насчитывает 284 вида. Из десятка растений, имеющих наибольшее значение в формировании газонов Привокзального микрорайона города, присутствуют только три вида злаков: пырей ползучий (Agropyron repens), полевица белая (Agrostis alba), овсяница луговая {Festuca pratensis). В то же время на многих площадках произрастают сорно-придорожные виды: одуванчик лекарственный {Taraxacum officinale), звездчатка средняя (Stellaria media), бодяк полевой (Cirsium arvense), и т.д. Это свидетельствует о бедности видового состава травянистой растительности на газонах Привокзального микрорайона, низком уровне их содержания, сильной поврежденности и засоренности.
