Влияние урбопедогенеза на морфологические и физические свойства почв Ростовской агломерации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.13, кандидат наук Тагивердиев Сулейман Самидинович

• Тагивердиев Сулейман Самидинович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Тагивердиев Сулейман Самидинович

ВВЕДЕНИЕ

1.1. Урбопедогенез как специфический процесс трансформации почвенного покрова в городах

1.2. Классификация антропогенно-преобразованных почв

1.3. Особенности морфологических свойств городских почв

1.4. Физические свойства почв и их особенности в условиях города

1.4.1. Гранулометрический состав

1.4.2. Структурное состояние

1.4.3. Плотность сложения

1.5. Особенности гумусного состояния антропогенно-преобразованных почв

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

2.1. Физико-географическая характеристика Ростовской агломерации

2.2. Геологическое строение, рельеф, почвообразующие породы, климат

2.3. Почвы Ростовской агломерации

2.4. Объекты исследования

2.5. Методы исследования

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Влияние урбопедогенеза на морфологические свойства почв

3.2. Влияние урбопедогенеза на сложение и микросложение почв

3.2.1. Плотность сложения почв Ростовской агломерации

3.2.2. Микросложение и порозность почвы

3.3. Урбопедогенез и его влияние на гранулометрический состав

3.4. Влияние урбопедогенеза на структурное состояние почв

3.5. Структурное состояние как отражение процессов урбопедогенеза

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние урбопедогенеза на морфологические и физические свойства почв Ростовской агломерации»

ВВЕДЕНИЕ

Почвы - функция климата, почвообразующих пород, биоты, рельефа, взятых во времени, образования, с которых начинается и на которых замыкается круговорот веществ и энергии. Как следствие этого, они являются основой, на которой формируется жизнь.

В настоящее время практически все почвы, так или иначе, проходят, антропогенный этап в своей эволюции. Урбопедогенез, понимаемый как комплекс антропогенных профилеобразующих процессов, является определяющим для урболандшафтов, отражая ведущую роль человеческой деятельности, как фактора почвообразования, в городах. Это выражается в изменении морфологических, физических, физико-химических, химических и других свойств почв, по сравнению с типичными почвами данного региона. Изучение этих изменений и понимание закономерностей, формирующих почвенный покров урбанизированных территорий, необходимо для улучшения экологической обстановки в городе, и как следствие, повышения устойчивости экосистемы в целом. Так, одна из основных функций почв в городе, это функция естественного биофильтра, благодаря которой она может поглощать и преобразовывать вещества антропогенного происхождения, нейтрализуя или консервируя негативные воздействия в биогеохимическом цикле. Нужно отметить, что гранулометрический состав, гумусное состояние и минералогический состав в совокупности являются своеобразной матрицей почв, так как эти показатели во многом определяют все остальные свойства почвы и неразрывно связаны со всеми происходящими в почвах процессами, что в конечном итоге и определяет полноту выполнения почвой своих функций.

Степень научной разработанности составляющих предмет и даже объект исследования выявляет множество нерешенных вопросов, теоретических и методологических подходов к изучению урбопочв, становлению единой теории

преобразования в условиях урбопедогенеза и всестороннему изучению свойств диагностических горизонтов. Основой развития этой области является сотрудничество ученых из разных регионов страны, чтобы изучить все разности данного объекта исследований, поскольку антропогенно-преобразованные почвы интразональны, но при этом они сохраняют генетическую связь с нативными почвами, которые являются для них своеобразной почвообразующей породой.

Для нашей страны урбопочвоведение относительно новое направление, хотя нужно отметить, что впервые обратил внимание на необходимость исследования почвенного покрова Санкт-Петербурга и других городов России основатель науки о почвах В.В. Докучаев в 1890 году (Докучаев, 1890). Но при этом, термин «городские почвы» был введен американским ученным Бокгеймом только в 1974 году (Bockheim, 1974). В наши дни, ведущие отечественные ученые объединили свои наработки в данной области, создав единую классификацию почв и почвоподобных образований городских территорий, вписав ее в классификацию почв России 2004 года (Прокофьева и др., 2014). Этот этап является важным для дальнейшего развития урбопочвоведения в России.

Актуальность исследований продиктована нарастающей степенью урбанизации, как в целом в мире - около 50 %, так и в России - около 75 %. Почвы выполняют множество важнейших функций, таких как регулирование биосферных процессов, химического состава гидросферы и атмосферы, они являются ключевым звеном геологических и биологических круговоротов и многие другие, поэтому изучение свойств почвенного покрова города является основой рационального землепользования. Информация об особенностях почв позволяет оценивать экологическую ситуацию, моделировать возможные негативные последствия урбопедогенеза и методы их устранения.

Целью нашего исследования являлось изучение влияния городского почвообразования на морфологические и физические свойства почв на примере городов Ростовской агломерации: Ростова-на-Дону, Аксая, Батайска и прилегающих к ним территорий.

В задачи исследования входило:

1. Изучить формы и степень трансформации физических и морфологических свойств почв Ростовской агломерации.

2. Разработать методологический подход к оценке физических свойств урбопрофиля, позволяющий минимизировать разброс данных по гранулометрическому составу в горизонтах урбик, обусловленный массированным антропогенным вмешательством.

3. Апробировать метод компьютерной томографии к оценке закрытой и открытой пористости применительно к почвам городской агломерации.

4. Сравнить данные гранулометрического состава, полученные методом лазерной дифракции и методом пипетки Качинского.

5. Изучить взаимосвязи структурного состояния городских почв с гранулометрическим составом и содержанием органических и неорганических форм углерода.

Методология и методы исследований. Всего было изучено 42 полнопрофильных разреза, заложенных в различных функциональных зонах города (селитебная, парково-рекреационная, промышленная). Для получения более однородного материала разрезы закладывались на выровненных плакорных участках города (не закладывались на склонах и в пойме).

Определение физических и морфологических свойств почв проводилось на

трех уровнях структурной организации: уровень элементарных почвенных частиц

- был изучен гранулометрический состав, уровень почвенных агрегатов - был

проведен анализ структурного состояния, уровень почвенного горизонта - с

анализом сложения почвы, на уровне почвенного профиля изучали

морфологические признаки. В связи с этим определяли распределение

структурных отдельностей по фракциям и водопрочность структуры по методу

Савинова, плотность сложения буровым методом, томографический анализ на

приборе БкуБеап 11720. Гранулометрический состав определяли во всех образцах

методом пипетирования по Качинскому (в модификации Долгова, Личмановой,

подготовка почвы с 4% раствором пирофосфата натрия), а также часть образцов

5

анализировалась методом лазерной дифрактометрии на приборе Analysette 22. Содержание органического вещества определяли методом Тюрина с колориметрическим окончанием по Гриндель-Орлову, а также прямым сжиганием на приборе TOC-L фирмы Shimadzu в приставке для сухих образцов SSM-5000A.

Томографический анализ был выполнен в Почвенном институте им. В.В.Докучаева, Москва. Все остальные анализы проводились в лаборатории биогеохимии и на кафедре почвоведения и оценки земельных ресурсов в Академии биологии и биотехнологии им. Д.И.Ивановского Южного федерального университета.

В качестве методов статистической обработки были применены критерий Стьюдента и ранговая корреляция Спирмена, для технических расчетов также использовались проверка выборок на нормальность распределения, средняя арифметическая, ошибка средней арифметической. Статистическая обработка данных выполнена с использованием про-грамм Statistica for Windows 10.0, MS Exel.

Научная новизна. Впервые показано, что для урбостратоземов и погребенных горизонтов всех групп урбопочв, сформировавшихся на черноземах и вместо них, параметры карбонатности профиля (содержание карбонатов и глубина вскипания) утрачивают диагностический классификационный характер.

Установлено, что в условиях городского почвообразования в погребенных черноземах Ростовской агломерации уменьшается мощность гумусово-аккумулятивной толщи, а также глубина залегания белоглазки по сравнению с открытыми черноземами миграционно-сегрегационными. А в почвах древесных фитоценозов происходит статистически достоверное снижение границы вскипания на 32,5 см.

Впервые показано, что характер порового пространства почв рекреационных

зон города различается в зависимости от растительного покрова, и отличается от

такового в экранированных почвах. В поровом пространстве погребенных почв в

2-5 раз возрастает доля закрытой пористости, предположительно, не

принимающая участия в процессах влагообмена. Однако на микроуровне

6

исследованные почвы незначительно различаются между собой по величине внутриагрегатной пористости, что свидетельствует о выраженной устойчивости структуры черноземных почв к внешним воздействиям.

Впервые доказано, что появление в поверхностных и срединных горизонтах урбочерноземов частиц крупного и среднего песка (1—0.25 мм), возрастающее с увеличением интенсивности и длительности воздействия, является диагностическим признаком урбопедогенеза в условиях Ростовской агломерации

Новизну также составляет ряд методических походов (разделение горизонтов урбик на легкие и тяжелые, что позволило минимизировать в них разброс данных по гранулометрическому составу, анализ основных свойств на горизонтном уровне, применение томографического метода при исследовании структурных агрегатов.

Теоретическая значимость. Работа позволяет оценить трансформацию физических и морфологических свойств почв под воздействием урбопедогенеза в Ростовской агломерации. Исследование дополняет существующие знания в этих разделах урбопочвоведения. Предлагается подход к системному изучению горизонтов урбик в черноземах миграционно-сегрегационных в условиях города, основанный на разделении их по гранулометрическому составу.

Практическая значимость. Данные использованы для составления почвенной карты и экологического мониторинга агломерации. Применены для расчетов поливных норм в городе компанией Энки. Применяются для создания устойчивых парково-рекреационных зон в городе Ростове-на-Дону. Имеется возможность использования данных для разработки нормативно-правовых актов в области качества почв городских территорий черноземной зоны, а также при проектировании города. Ряд данных используется при чтении курсов «Почвенно-экологический мониторинг», «Оценка устойчивости почв».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Под влиянием урбопедогенеза в урбостратоземах и урбостратифицированных

черноземах Ростовской агломерации уменьшается мощность погребенной

гумусо-аккумулятивной толщи, а также глубина залегания белоглазки по

7

отношению к черноземам миграционно-сегрегационным. В силу высокого варьирования наличие карбонатов и глубина вскипания для урбостратоземов и урбистратифицированных черноземов не могут служить классификационным признаком. В экранированных урбостратоземах отмечается более высокая мощность гумусово-аккумулятивного слоя, по сравнению с таковой в неэкранированных разностях урбостратоземов, что обусловлено их консервацией под слоем слабопроницаемых либо непроницаемых покрытий.

2. Урбопедогенез приводит к изменениям гранулометрического состава почв Ростовской агломерации в результате интенсивных строительных работ, применения пескосольных смесей в качестве антигололедного средства. Повсеместно наблюдается увеличение доли крупного, среднего песка и снижение вклада пылеватых фракций. Гранулометрический состав горизонта урбик отличается от остальной толщи почвенного профиля по всем фракциям.

3. В горизонтах урбик независимо от их гранулометрического состава и в погребенных профилях чернозема урбопедогенез приводит к снижению доли агрономически ценных структурных фракций и увеличению доли воздушно-сухой фракции >10 мм. Установлено также, что в урбостратоземах и урбистратифицированных черноземах миграционно-сегрегационных уменьшается поровое пространство, растет доля закрытой пористости. Уплотнение почв в городе происходит в зависимости от функциональных зон. Высокое уплотнение характерно для селитебных зон.

Достоверность полученных результатов обеспечивается многолетними исследованиями, широким массивом данных, полученных аналитическим путем, с использованием общепринятых в почвоведении методов и применением, где это было уместно и возможно, статистической обработки.

Личный вклад автора. Работа является итогом цикла научных исследований, выполненных в период с 2015 по 2020 годы. Автор принимал участие в разработке концепции исследования, в закладке и описании почвенных разрезов, им лично выполнен больший объем аналитических исследований, а

также интерпретация полученных результатов, их обработка и обобщение.

8

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность обеспеченна большим количеством разрезов, заложенных с учетом зонирования территории городов, применением современных методов анализов, статистической обработкой полученных результатов. Основные положения работы были представлены более чем на 30 конференциях различного уровня. Москва: «Ломоносов-2015, 2016, 2017, 2018, 2019», «Современные методы исследования почв и почвенного покрова» - 2015, «Urbanization: a challenge and an opportunity for soil functions and ecosystem services» - 2017, «Фундаментальные концепции физики почв: развитие, современные приложения и перспективы» - 2019; СПБ: «Докучаевские молодежные чтения» - 2015, 2016, 2017, 2018, 2019; Ростов-на-Дону: «Экология и биология почв» - 2015, «Роль ботанических садов в сохранении и мониторинге биоразнообразия» - 2015, «Международная конференция молодых ученных стран БРИКС» - 2015, «Радиационная и промышленная экология» - 2016, «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» -2017, «Современное состояние черноземов» - 2018; Донецк ДНР: «Охрана природной среды и рациональное использование природных ресурсов» - 2015; Antalya: «The Soul of Soil and Civilization» - 2015; Беларусь, Минск: «Воспроизводство плодородия почв и их охрана в условиях современного земледелия» - 2015; Екатеринбург: «ВНКСФ-22» - 2016; Киров: «Экология родного края: проблемы и пути их решения» - 2016; Белгород: «Почвоведение -экологической безопасности» - 2016; Новочеркасск: «Проблемы природоохранной организации ландшафтов» - 2017; Новосибирск: «Почвы в биосфере» - 2018 и др.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 48 работ, 8 из которых входят в перечни рецензируемых научных изданий ЮФУ и ВАК, 6 статей в журналах, входящих в базы данных международных индексов научного цитирования Scopus и Web of Science, а также зарегистрировано 9 баз данных (в соавторстве). Доля участия автора в публикациях состовляет 80%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав,

выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 206 страниц текста,

9

31 таблицу, 26 рисунков и 6 приложений. Список литературы включает 210 источников, из них 70 на иностранных языках.

Конкурсная поддержка работы. Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках госзадания (Южный федеральный университет, проект № 0852-2020-0029) с использованием оборудования ЦКП «Биотехнология, биомедицина и экологический мониторинг» и ЦКП "Высокие технологии" Южного федерального университета.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе научному руководителю, д.б.н. профессору — О.С. Безугловой; заведующему лабораторией «Биогеохимия» д.б.н. С.Н. Горбову, коллективам НИЛ «Биогеохимия» и кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов. А также сотрудникам Почвенного института им. В.В. Докучаева Е.Б. Скворцовой и К.Н. Абросимову.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Урбопедогенез как специфический процесс трансформации почвенного покрова в городах

Урбанизация, как процесс, формирует урбоэкосистему, под которой принято понимать природно-городской ландшафт, состоящий из фрагментов природных экосистем, окруженных автодорогами, домами, промзонами, и т.д. Урбоэкосистемы характеризуются как искусственные системы, полученные в результате вытеснения, уничтожения или деградации (эволюции) нативных природных систем. Антропогенные нарушения функционального круговорота в городской системе зависят от факторов нагрузки, от источника и вида вмешательства человека, от качества среды, что приводит к определенным последствиям, в том числе и негативным (Герасимова и др., 2003). Среди которых основными являются эрозия почв, как совокупность процессов отрыва, переноса и отложения почвы поверхностным стоком временных водных потоков и ветром (Кузнецов, Глазунов, 1996), переувлажнение почв, засоление, уплотнение корнеобитаемого слоя за счет деградации структурного состояния, а также многие другие.

Урбопедогенез - это профилеобразующий процесс, сопровождающийся

изменением свойств городских почв, вызванный повседневной и техногенной

деятельностью человека (Безуглова, Горбов, 2015; Горбов, Безуглова, 2013 (а);

Поляков, Ревуцкая, 2016). В нашем исследовании урбопедогенез воспринимается

как процесс, обуславливающий возникновение особой стадии эволюции почв,

поскольку он коренным образом может изменять их свойства, даже такие

устойчивые как гранулометрический состав, гумусное состояние,

минералогический состав (Добровольский, Строганова, 1996; Тагивердиев,

Безуглова, Горбов, 2015; Burghardt, 2002; Byrne, 2007). Разнонаправленный

характер воздействия на почвы обуславливает различные пути трансформации

почвенных свойств и, в частности, профильного строения. В условиях степной

зоны при урбопедогенном воздействии на черноземы показаны следующие

11

основные пути трансформации свойств этих почв: стагнация под погребенной толщей рыхлых и полупроницаемых образований, консервация под твердой непроницаемой поверхностью, интенсификация под лесной растительностью, хемотрансформация в условиях химического загрязнения (Безуглова, Горбов, 2015; Горбов, 2018).

Но поскольку антропогенные воздействия в условиях города носят постоянный или периодический характер и могут быть разнонаправленными, почвы урбанизированных территорий представляют собой тела, не вошедшие в фазу динамического равновесия, и в условиях города эта фаза вряд ли возможна (Васенев, 2008). Тем не менее, изучение почв городских территорий, остается актуальным, поскольку дает экологическую картину происходящих в почве процессов, а также предоставляет возможность моделирования отдельных ситуаций. Явления, связанные с техногенным нарушением почвенных покровов получают все большее распространение в городах и пригородных зонах, что также приводит к возрастающему интересу со стороны ученых (Природно-антропогенные геосистемы..., 1989; Строганова и др. 1990; Почва, город, экология..., 1997; Джувеликян, 1999; Андроханов, Овсянникова, Курчаев, 2000; Антропогенная эволюция черноземов..., 2000).

В динамике современного почвенного покрова антропогенный фактор является преобладающим. Он выражен необратимыми изменениями почвенных характеристик, которые чаще всего ведут к деградации почвенного покрова и невозможности выполнения, в полной мере, почвами их экологических функций (Васенев, 2008). Роль почв в биосфере уникальна, поэтому их антропогенная деградация ведет к частичной деградации биосферы. Конечно, урболандшафты это особые системы, относительная стабильность которых поддерживается человеком искусственно, а почвы перестают выполнять ряд функций, главным образом, потому что в городах уровень экранирования по данным разных авторов может достигать от 10 до 95% (Строганова, Прокофьева, 1995; Ландшафтоведение..., 2008; Еремченко, Шестаков, 2009; Scalenghe, Marsan, 2009).

Степень преобразованности ландшафтов и антропогенной деградации земель связана непосредственно с экономическими условиями, плотностью населения, и уровнем производства (Ландшафтоведение..., 2008). Прогнозируется, что население Земли к 2025 году будет составлять 8,5 миллиардов (Мотузова, Безуглова, 2007). Все это приведет к росту городов и интенсификации антропогенного воздействия, как на сам мегаполис, так и на обширные пространства вокруг него. Выяснено, что область воздействия города превышает его площадь в 20-50 раз, таким образом, обширные пригородные территории оказываются в зоне загрязнения твердыми, жидкими и газообразными поллютантами различного происхождения. Появляются города, необеспеченные природно-ресурсным потенциалом, что выражается недостаточными площадями рекреационного назначения и зеленых насаждений внутри города, появлением и развитием опасных геодинамических процессов (подтоплений, карстово-суффозионных, оползневых и др. явлений), загрязнении воздушной и водной сред. В результате происходит потеря устойчивости территорий, увеличивается степень абиотичности системы, повышается уровень экологического риска для всех компонентов окружающей среды: воздуха, растительности, почвы, воды и грунтов (Осипов, 1994; Краснощекова, Иванов, 1997).

1.2. Классификация антропогенно-преобразованных почв

Классификацией почв называют систему таксонометрических единиц, в которой почвы объединяются в группы (таксоны) по их важнейшим свойствам, происхождению и особенностям плодородия (Безуглова, 2009).

Первым за изучение почвенного покрова городов высказался еще Василий

Васильевич Докучаев (1890), он разработал комплексную, экологически

всестороннюю программу исследований и привлек для ее исполнения

выдающихся ученых (Строганова, Мягкова, Прокофьева, 1997). Но, несмотря на

это, только в конце двадцатого столетия в почвоведении назрела необходимость

понимания процессов, происходящих в почвах городских территорий, их свойств

и особенностей, а также места и роли в урбоэкосистеме. Л.Т. Земляницкий (1963)

13

в своей статье «Особенности городских почв и грунтов» впервые использовал термин «городская почва». В этой статье была обоснована необходимость изучения данного объекта исследований, а также предложена классификация городских почв по степени их нарушенности. Американский исследователь Дж. Бокгейм (Bockheim, 1974) первым дал определение городской почвы, под которой он понимал «почвенный материал, содержащий антропогенный слой несельскохозяйственного происхождения толщиной более 50 см, образованный путем перемешивания, заполнения или загрязнения поверхности земли в городских и пригородных территориях» (Безуглова и др., 2012). Однако в СССР, а затем и в России, классификация городских почв оставалась без должного внимания и стандартизации, являясь делом отдельных авторов. Так классификация антропогенно-преобразованных почв была предложена группой сотрудников почвенного института им. Докучаева (Лебедева, Тонконогов, Шишов, 1993), а также классификация, разработанная М.Н. Строгановой на примере города Москвы (Строганова, Мягкова, Прокофьева, 1998). В «Классификации и диагностике почв России» (2004) урбопочвы представлены на уровне урбостратифицированных подтипов, основная часть которых выделена как гумифицированная стратифицированная толща более 40 см (Безуглова и др., 2012). Такие подходы были не в состоянии охватить все возможные типы профилей характерных для городского почвообразования, поэтому в 2014 году группой ученых была опубликована статья, в которой урбопочвы гармонично вписаны в новейшую классификацию и в «Полевой определитель почв России» 2008 года (Прокофьева и др., 2014). Итоги дополнения к классификации кратко показаны в таблице 1.

Согласно этой классификации, собственно урбостратоземы являются почвами синлитогенного ствола, поскольку почвенный профиль постоянно прирастает за счет субстратов, поступающих на поверхность почв (Строганова, Мягкова, Прокофьева, 1997; Наквасина, Пермогорская, Попова, 2006; Безуглова, Горбов, Тагивердиев, 2011; Дымов, Каверин, Габов, 2013; Прокофьева и др.,

2014). Среди типов выделяются урбостратоземы; урбостратоземы техногенные и урбостратоземы на погребенных почвах.

Таблица 1. Место городских почв в системе классификации почв России (Прокофьева и др., 2014)

Таксонометрические уровни

Почвы

Ствол Отдел Тип и формула профиля Квалификаторы для выделения подтипов

Синлитогенный Стратоземы Урбостратоземы: ЦЯ^ Урбостратоземы на погребенных почвах UR-[A-B-C] Ш>40 Урбостратоземы техногенные: UR-TCH, UR-TCH-D rx, x, rat, tch, pa, ay, aj, ao, au, te, h, g

Постлитогенный Органо-аккумулятивные Серо-, светло- и темногумусовые техногенные почвы AY-TCH, AJ-TCH, AU-TCH rat, ur, x, rx, te, h, g ...

Все отделы Урби-стратифицированные подтипы разных почв:UR -любая почва или наличие квалификатора ш для верхних горизонтов любой почвы 5<UR(Rur)<40 rx, x, rat, tch, pa, ay, aj, ao, au, te, h, g

Первичного почвообразования Слаборазвитые Слаборазвитые техногенные почвы: W-TCH, O-TCH rx, x, g ...

Непочвы (ТПО)

Группы и формулы профиля (типов слоев)

Субстраты Квазиземы RAT/RT-TCH Техноземы (Реплантоземы и Конструктоземы), Рекреаземы и другие рекультивационные почвоподобные тела

Натурфабрикаты Артифабрикаты Токсифабрикаты и другие Артифимостраты

В постлитогенный ствол органо-аккумулятивного отдела входят все почвы на

техногенных отложениях с уже образовавшимся гумусово-аккумулятивным

горизонтом. Типы выделяются по уровню аккумуляции: светло-, серо- и

темногумусовые. В постлитогенный ствол включены и урбистратифицированные

подтипы разных типов почв, таковыми считаются почвы, суммарная мощность

урбогоризонтов которых не выходит за пределы 5—40 сантиметров.

15

В ствол первичного почвообразования включены слаборазвитые почвы, развивающиеся на техногенных образованиях, а на уровне техногенных поверхностных образований все тела отнесены в группу квазиземов (Прокофьева и др., 2014).

Центральным понятием во всех классификациях антропогенно-преобразованных почв является горизонт урбик (urbic) - UR. Впервые данный горизонт появился при разработке легенды к почвенной карте мира ФАО, где был определен как мелкозем, содержащий до 35% строительного мусора и других антропогенных артефактов (FAO/UNESCO Soil Map of the World, 1990). С течением времени данный горизонт стал считаться диагностическим для антропогенно-преобразованных почв, в зависимости от классификации, термин изменялся или дополнялся (Строганова, Мягкова, Прокофьева, 1997; World References Base for Soil Resources, 1998; World References Base for Soil Resources, 2007).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тагивердиев Сулейман Самидинович, 2020 год

ASF - -

rz d -

lc - -

nc ca k

[] - b

В целом антропогенно-преобразованные почвы характеризуются множеством антропоморфов, облегченным гранулометрическим составом, ухудшением состояния структуры, уплотнением, загрязнением нефтепродуктами.

В группу зональных составляют черноземы миграционно-сегрегационные всех видов. Особенностью этих почв являются карбонатные новообразования в нижней части гумусового горизонта, а глубина начала границы карбонатного горизонта меняется в соответствии с видовыми особенностями (Шишов и др., 2004; Полевой определитель почв, 2008). Среднестатистическая мощность гумусового горизонта этих почв на неэродированных водоразделах может достигать 91 см, что позволяет их отнести к мощному виду. Следует отметить, что согласно множеству данных сверхмощные виды на территории агломерации не встречаются. Содержание гумуса в верхнем горизонте 4,6-4,7 %, валового азота -0,2-0,25 %, фосфора - 0,11-0,16 %, калия - 2,3 %. Гранулометрический состав -тяжелосуглинистый, реже представлен легкоглинистыми разновидностями. Кальций доминирует в составе поглощенных оснований, на его долю приходится 88-90 %, магний составляет 8-10 %, натрий - 1,5-2 %. Гипс залегает на глубине 250-300 см, чаще всего до этой глубины вымыты и легкорастворимые соли. Реакция фИ) почв слабо- и среднещелочная и составляет 8-8,5 (Безуглова, Хырхырова, 2008).

Физические свойства благоприятны для роста и развития растений. Средняя порозность нижней части профиля - 43 %, верхней - 58 %. Плотность сложения для горизонта АU составляет 1,1-1,2 г/см3, АU к 1,3-1,35 г/см3 (Безуглова, Хырхырова, 2008).

2.4. Объекты исследования

Для исследования на территории Ростовской агломерации и прилегающих территорий было заложенно 42 полнопрофильных разреза в различных функциональных зонах (парково-рекреационная, селитебная, промышленная). Для получения более однородного материала разрезы закладывались на выровненных плакорных участках города (не закладывались на склонах и в пойме). Таким образом нативными (фоновыми) почвами в нашем исследовании выступали черноземы миграционно-сегрегационные, ряд которых в результате

отдельных процессов урбопедогенеза преобразовался в урбостратоземы экранированные, неэкранированные, а также урбистратифицированные почвы.

Рисунок 5. Расположение почвенных разрезов на териитории Ростовской агломерации

2.5. Методы исследования

Соблюдение всех методологических концепций генетического почвоведения в условиях города удается далеко не всегда. Так, например концепция единства природного почвенного тела, исходящая из понятия неразрывной совокупности генетических почвенных горизонтов, в урбопочвах не имеет под собой основания. Это делает возможным рассматривание горизонтов не как совокупности единого целого, а по отдельности, такой подход был применен в данном исследовании, что позволило вскрыть ряд закономерностей.

Почвы условно делили на две большие группы:

- зональные черноземы, сохранившие все признаки естественных почв, приуроченные к парково-рекреационным зонам;

- антропогенно-преобразованные почвы, которые в результате урбопедогенеза приобрели новые характерные черты, и в первую очередь, в том или ином виде горизонт урбик. Характерны для селитебных зон.

В группу антропогенно-преобразованных почв вошли урбостратоземы, урбостратоземы на погребенных почвах, урбистратифицированные подтипы черноземов (реплантоземы и техноземы).

Исследование проводили в течение 5 лет. За это время было заложено 44 полнопрофильных разрезов с учетом степени урбанизации и рельефа агломерации, а также классификационной принадлежности. Все заложенные разрезы описывали, описания представлены в приложении 1.

В отобранных образцах определяли общее содержание гумуса методом Тюрина (1931) в модификации Орлова-Гриндель. Метод включает окисление гумуса избыточным количеством хромовой смеси (K2Cr2O7 + H2O + H2SO4) в сушильном шкафу, нагретом до 150 оС, с последующим учетом образовавшегося в ходе реакции трехвалентного хрома. Учет производился с помощью фотоколориметра UNICO 1200 при длине волны 590 нм, обеспечивающей максимальное поглощение ионов Cr3+, в кюветах на 10 мм (Аринушкина, 1970; Воробьева 2006; Котова и др., 2007).

С целью выяснения применимости к образцам почвы из урбогоризонтов метода, основанного на окисляемости почвенных органических соединений, определяли общий органический углерод также на анализаторе углерода ТОС-L CPN в приставке для твердых образцов SSM-5000A. Метод основан на прямом каталитическом сжигании образца с последующим детектированием выделившейся двуокиси углерода. Прибор сжигает общий углерод в пробе при температуре 900оС, а неорганический - при температуре 200оС с добавлением ортофосфорной кислоты, органический углерод определяется расчетным методом по разнице (Агатова и др., 1996; Tagiverdiev et al., 2020).

Гранулометрический состав определяли методом, пипетки, основанном на учете скорости седиментации частиц в стоячей воде, по Качинскому. Подготовку

почвы к анализу вели с применением 4% раствора пирофосфата натрия (Вадюнина, Корчагина, 1986).

Часть образцов для определения их гранулометрического состава были подвергнуты анализу с использованием блока мокрого диспергирования лазерного дифрактометра "Analysette 22 NanoTec" (ISO 13320-1:1999). (Шеин и др, 2015).

Структурное состояние определяли методом Саввинова (сухое и мокрое просеивание). Для анализа сухого просеивания использовали сита с размером ячеек 10; 7; 5; 3; 2; 1; 0,5; 0,25 мм, для мокрого просеивания сита от 5 до 0,25 мм (Вадюнина, Корчагина, 1986). Результаты оценивали по методу Долгова-Бахтина, как наиболее подходящие для черноземной зоны (Горбов и др., 2016).

Оценку структурного состояния проводили несколькими методами (по итогам мокрого просеивания с использованием шкалы Кузнецовой, по критерию АФИ и по методу Долгова-Бахтина).

Плотность сложения почвы определяли в погребенных и дневных гумусо-аккумулятивных горизонтах при помощи режущего кольца «цилиндра» объемом 193 см3, в 3-кратной повторности (Вадюнина, Корчагина, 1986; Полевые и лабораторные методы..., 2001).

Исследование структуры и порового пространства сравниваемых разных типов городских почв, сформированных на черноземах, проведены в Москве с использованием научного оборудования центра коллективного использования "Функции и свойства почвы и почвенного покрова" Почвенного института им. В.В. Докучаева на томографе SkyScan 1172G. Морфометрические показатели по результатам анализа томографических данных получены при помощи программы CTan (CT analyzer 1.18.8.0), моделирование объемных структур порового пространства выполнено в программах CTvox и CTvol (штатном программном обеспечении, поставляемом производителем томографов Bruker SkyScan).

Статистические методы представлены критерием Стьюдента с оценкой результата по уровню доверительной вероятности, принитому для данной отрасли

знания - 95 %. Средние значения показали, как происходят изменения в сравнениях различных групп выборок.

Ранговая корреляция Спирмена была выбрана как метод статистической обработки, поскольку имеет множество преимуществ по отношению к обычному корреляционному анализу, основные из которых: анализ является непараметрическим, анализ предполагает оценку достоверности полученных результатов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Влияние урбопедогенеза на морфологические свойства почв

Полевые исследования почв города и прилегающих территорий являются важным этапом изучения, поскольку помогают охарактеризовать генезис и историю преобразованного профиля. В результате городского почвообразования в характерном для зональных почв профиле происходят коренные изменения. Наше исследование основывалось на сравнении ряда важных морфологических показателей при описании почвенных разрезов, заложенных под древесными и травянистыми фитоценозами для естественных почв (таблица 3), среди антропогенно-преобразованных почв выделяли экранированные и неэкранированные урбостратоземы (таблица 4).

Для корректности сравнения из выборки естественных разрезов были исключены смытые почвы. Одним из существенных недостатков новой классификации является невозможность соотнесения мощности гумусово-аккумулятивного профиля. По данным С.А. Захарова (1946) она составляет сумму мощностей горизонтов А+В и находится в диапазоне 89-101 см, однако в новой классификации нет четких придержек относительно нижней границы гумусового профиля. Так, мы принимали нижний горизонт ВСА за нижнюю границу гумусово-аккумулятивного профиля, но некоторые горизонты ВСА, соответствуют по старой классификации горизонту ВС. Нужно отметить, что гумусово-аккумулятивный слой в естественных почвах под древесными фитоценозами в среднем выше, чем в почвах под травянистыми, для А+В разница составляет 9,3 см, для Аи+ВСА 11,2 см. Однако указанные выборки при доверительной вероятности 0,05 не имеют достоверных различий. Интересно, что при соотнесении мощностей Аи+ВСА / А+В, полученный коэффициент в среднем составляет 1,25 для почв под травянистыми фитоценозами и 1,2 для почв под древесными фитоценозами (рисунок 6).

Таблица 3. Сравнительная характеристика основных морфологических свойств черноземов миграционно-сегрегационных рекреационных территорий Ростовской

агломерации под разными типами растительности

№ разреза Мощность гумусово-аккумулятивного профиля А+В (см) Мощность гумусово-аккумулятивного профиля Аи+ВСА (см) Глубина вскипания (см) Глубина залегания белоглазки (см)

Травянистые фитоценозы

1005 80 90 0 80

1102 70 90 0 70

1205 85 110 25 110

1403 90 110 40 110

1406 72 120 15 78

1602 85 110 20 110

1607 92 120 15 78

1609 90 110 40 110

1701 95 120 45 95

1703 70 70 0 70

1704 95 110 0 95

Среднестатистическая 84±2,9 105,5±4,7 18,2±5,3 91,5±5,1

Древесные фитоценозы

1001 75 85 0 -

1103 80 105 12 80

1203 90 90 65 -

1306 85 110 85 120

1402 90 115 55 90

1502 100 120 50 100

1504 110 150 60 110

1601 120 145 90 120

1603 90 130 40 90

Среднестатистическая 93,3±4,8 116,7±7,5 50,7±10 101,4±5,9

Происходит увеличение гумусово-аккумулятивного профиля под древесными фитоценозами, что связанно с особенностями микроклимата на этих территориях, а также повышенной биогенностью (Горбов, Безуглова, 2014). Однако этот процесс требует длительного времени, особенно в условиях карбонатных почв, где образуются устойчивые органоминеральные комплексы.

Рисунок 6. Средние значения основных морфологических показателей в почвах под травянистыми и древесными фитоценозами в Ростовской агломерации

Выборки глубин вскипания в почвах под разными фитоценозами характеризуются достоверной разницей при доверии 0,05. Ярко выражено выщелачивание карбонатов в более глубокие слои под древесными фитоценозами. В среднем граница вскипания снижается на 32,5 см. Такого рода изменения уже не связаны с сезонными миграционно-сегрегационными процессами, характерными для данных черноземов, поскольку заложение разрезов производилось в конце весны - начале лета, в момент, когда почвы достигали своей физической спелости.

Глубина залегания белоглазки под древесными фитоценозами в среднем также увеличивается, однако выборки не имеют достоверной разницы при доверии 0,05. В целом полученные данные дают нам право говорить об изменении параметров водного режима в черноземах под древесными фитоценозами. Наблюдается изменение глубины промачивания почвы в сторону увеличения, а также снижение роли восходящих токов влаги. В черноземах Западного Предкавказья именно попеременная смена нисходящих токов влаги восходящими приводит к формированию миграционных форм карбонатов - мицелия и

прожилок (Гаврилюк, 1955). В почвах под древесными фитоценозами происходит выщелачивание карбонатов на большую глубину, миграционные формы карбонатов в отдельных случаях полностью отсутствуют.

Таблица 4. Сравнительная характеристика основных морфологических свойств

экранированных и не экранированных урбостратоземов Ростовской агломерации

№ разрез а Мощность [ЛЦ+ВСЛ ] (см) Глубина вскипани я (см) Глубина залегания белоглазк и (см) Максимальная глубина наличия антропоморфо в (см) Мощность экранирующег о слоя (см) Мощность антропогенны х горизонтов (см)

1 Для ия 2 Для [] 1 Для ия 2 Для []

Экранированные урбост ратифицированные черноземы и урбостратоземы (УЭ)

1201 103 - 31 - 59 40 17 40

1202 96 0 34 - 76 70 30 16 4

1204 84 0 74 - 74 76 20 56

1302 0 0 0 60 0 131 45 131

1401 87 - 45 - 75 25 20 25 4

1404 97 - 12 - 97 53 15 53

1405 85 - 20 - 85 15 55 15 4

1501 130 0 100 - - 95 5 95

Урбостратифицированные черноземы и урбостратоземы (У)

1006 45 3 - - - - 75 - 75

1101 95 0 0 10 90 30 - 30 4

1303 27 0 0 70 0 103 - 103

1604 83 0 34 - 66 50 - 50

1608 60 0 0 - 55 75 - 55

Зеплантоземы (Р)

1301 100 3 0 45 - - 95 - 95

1304 25 3 0 - 72 - 110 - 110

1503 53 0 0 - 43 5 - 22 4

1605 20 0 0 - 0 110 - 90

1705 - 0 - - - 80 - 80

1 Для антропогенно-преобразованных горизонтов (ЦЯ, ЯЛТ, ТСН)

2 Для погребенной толщи [ЛЦ], [ВСЛ], [С]

3 Указана мощность только изученной части профиля

4 Урбистратифицированные черноземы

С точки зрения морфологической оценки погребенные горизонты вызывают множество вопросов, так как не всегда представляется возможным отделить скальпированные почвы, или выделить реплантированные горизонты. Средние значения мощности погребенного гумусово-аккумулятивного профиля выше в экранированных разностях по сравнению с не экранированными, и составляют 85,25 против 66,25 см. Выборку реплантоземов охарактеризовать по данному признаку не представляется возможным. Интересно, что вскипание антропогенных горизонтов либо происходит с поверхности, либо его вовсе нет. В изученных выборках уменьшается число не вскипающих горизонтов урбик, в процентах соответственно 50 - 20 - 0, в ряду: Урбопочвы экранированные (УЭ) -Урбопочвы неэкранированные (У) - Реплантоземы (Р).

Вскипание погребенных естественных горизонтов колеблется в широких пределах особенно в УЭ.

Значения глубины залегания белоглазки, максимальной глубины наличия антропоморфов, мощности антропогенных горизонтов не поддаются математической обработке, по причине большого разброса значений и малого объема выборки.

На рисунке 7 представлено сравнение мощности профиля гумусово-аккумулятивного профиля Ли+БСЛ, для урбостратоземов [Ли]+[БСЛ], а также глубина залегания белоглазки в черноземах миграционно-сегрегационных, урбостратоземах экранированных и урбостратоземах неэкранированных.

По обоим показателям в урбостратоземах наблюдается высокая ошибка средней арифметической. Мощность Ли+БСЛ во всех группах имеет статистически достоверную разницу и снижается в ряду: чернозем миграционно-сегрегационный (100 см) - урбостратозем экранированный (85 см) -урбостратозем неэкранированный (65 см). Если сравнить данные залегания белоглазки видно, что в черноземах она глубже по сравнению с урбостратоземами на статистически значимую величину. Объясняется это скальпированием урбостратоземов и преобразованием верхних горизонтов ЛИ, а иногда и БСЛ в

горизонты ИЯ. При этом экранированность на глубину залегания белоглазки, согласно данным, не влияет.

Рисунок 7. Сравнение мощности и глубины залегания белоглазки в черноземах миграционно-сегрегационных, экранированных и неэкранированных урбостратоземах

3.2. Влияние урбопедогенеза на сложение и микросложение почв 3.2.1. Плотность сложения почв Ростовской агломерации

Плотность сложения почвы является одной из важнейших ее характеристик, как физического тела. Плотность почвы, представляя, по сути, интегральный показатель ее состояния, кумулятивно отражающий свойства структуры, органического вещества, параметры гранулометрического состава, в то же время определяет условия развития корневой системы растений, почвенной мезофауны и микроорганизмов (Ревут, 1966; Вадюнина, Корчагина, 1986). Этот показатель важен еще и тем, что его используют при расчетах запасов веществ в почве. Оптимальная плотность - плотность почвы, обеспечивающая наиболее продуктивное развитие растений, однако экспериментальных исследований, подтверждающих зависимость значения "оптимальная плотность" от типа почв или от физиологических свойств растений недостаточно. Тем не менее, считается, что диапазон оптимальной плотности для большинства растений находится в пределах 1,1—1,25 г/см3 (Ревут, 1964; Кушнарев, Мацепуро, 1986; Кушнарев, Погорелый, 2008).

В городских исследованиях при отборе проб для определения плотности почвы буром Качинского нередко возникала проблема, связанная с техногенными (камни, линзы песка и др.) и антропогенными (бытовой мусор) включениями, которые, безусловно, сказываются на итоговых значениях плотности сложения почв.

Плотность сложения изученных почв представлена в сводной таблице 5. Для залежных черноземов характерны типичные для зональных почв значения плотности сложения. Средний показатель плотности сложения в слое 0—25 см 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 древесными фитоценозами плотность сложения не изменяется на всю изученную глубину и составляет в среднем 1,23 г/см3, возможно, это обусловлено разрыхляющим действием корневых систем деревьев, так как плантажная

вспашка в большинстве случаев не производилась.

55

Таблица 5. Сводная таблица плотности сложения гумусово-аккумулятивных

горизонтов почв Ростовской агломерации

Почвы, зона Горизонты Плотность Разница с Увеличение

землепользования сложения пахотным равновесной

(г/см3) М±т аналогом плотности сложения почвы, в % от плотности почвы залежных участков / Степень деградации

Черноземы лесопарковых АЦ 1,23±0,02 +0,10 8,85 / 0

территории

Урбистратифицированные [ЛЦ] 1,5±0,01 +0,37 32,74 / 3

черноземы

Реплантоземы, селитебная ЯЛТ 1,65±0,09 +0,52 46,02 / 4

зона

Черноземы миграционно- АЦ 1,13±0,05 0 0 / 0

сегрегационные, залежные

участки

НСР0,05 0,31

Значения плотности сложения погребенных гумусово-аккумулятивных горизонтов [АЦ] урбистратифицированных черноземов составляют 1,5 г/см3, что для нативных черноземов обычно соответствует горизонту ВСЛ, вероятно, сказывается уплотняющее действие перекрывающей толщи, степень деградации оценивается по четырех балльной шкале как 3. Другой причиной уплотнения гумусово-аккумулятивных горизонтов погребенной почвы может быть деградация ее гумусного состояния. Влияние органического вещества (гумуса) на плотность почвы общеизвестно. Так, в работе Н.К. Шикулы, Г.В. Назаренко (1990) приводятся данные об обратной тесной зависимости плотности почвы от гумусного состояния: снижение содержания гумуса сопровождается увеличением плотности почвы. Авторы установили, что коэффициент корреляции между этими показателями составляет -0,72 при р=0,95. Как показали наши исследования, содержание гумуса в погребенных горизонтах снижается весьма существенно (рисунок 8).

Рисунок 8. Среднестатистическое содержание Сорг в генетических горизонтах почв Ростовской агломерации

Рекультивационные компостно-гумусовые горизонты (RAT) реплантоземов имеют наивысшую плотность сложения, так как эти почвы приурочены к селитебным зонам районов многоэтажной застройки, где поверхностные горизонты испытывали и испытывают в настоящее время повышенный трафик, являющийся причиной регулярного антропогенного переуплотнения. Уровень деградации изученных реплантоземов по этому показателю равен 4.

Таким образом, в черноземах лесопарковых территорий наблюдается тенденция к повышению плотности горизонта AU по сравнению с залежными черноземами, а в погребенном горизонте [AU] урбистратифицированных черноземов, и в реплантоземах плотность сложения на статистически значимую величину выше, чем в старопахотной почве.

Поскольку изучаемый объект характеризуется высокой пространственной

неоднородностью, изучали также поверхностные горизонты AU черноземов

57

селитебной зоны. Интересно, что в селитебных зонах по сравнению с горизонтами RAT, где плотность почвы в среднем составила 1,65 г/см3, горизонты AU характеризуются низкой вариабельностью - 8,03 % и существенно более низкими значениями плотности сложения, в среднем 1,29 г/см3.

3.2.2. Микросложение и порозность почвы

Дополнительную и очень важную информацию о таком свойстве почвы как ее сложение дает сравнительно новый вид анализа - компьютерная томография.

Микротомографическое исследование проведено на примере шести доминирующих типов городских почв Ростовской агломерации. При этом в качестве объекта исследования выбирался не весь профиль в целом, а только верхние горизонты, наиболее ярко отражающие основные почвообразовательные процессы городских почв в целом. В зависимости от степени антропогенной преобразованности данные горизонты могли располагаться как на дневной поверхности, так и быть погребенными под антропогенными горизонтами урбик или быть частью антропогенной толщи.

Микротомографическое исследование требует особого подхода к отбору образцов почвы. Изучение сложения почвы проводили в микромонолитах при естественном содержании влаги, соответствующем моменту отбора проб. Микромонолит, подготовленный для анализа, представляет собой герметично закрытый пластиковый цилиндр диаметром 3 см, заполненный грунтом нетронутой структуры (рисунок 9). В процессе отбора проб образец почвы подбирается по размеру цилиндра, который сохраняет внутреннюю структуру почвы в неизменном состоянии (Gorbov et al., 2016). Герметизация образца с помощью "FLEX TAPE" предотвращает усадку и закрытие пор, которые неизбежны при высыхании почвы (рисунок 9).

Рисунок 9. Отбор почвенных монолитов для микротомографических исследований

Городские черноземы исследованы на двух уровнях структурной организации: 1) при разрешении 16 мкм, что позволило оценить структурное состояние почв на мезоуровне, и 2) при разрешении 2 мкм, что дало возможность изучить внутриагрегатную структуру и поровое пространство на микроуровне, недоступном для микроморфологии.

Исследования проводились в одних и тех же образцах почв. Из-за разницы в разрешении объем образцов (Total VOI volume) так же различен, как и настройки съемки. Структура микромонолитов на 16 мкм исследована на изначально отобранных монолитах (рисунок 9). Впоследствии ненарушенный монолит почвы, отобранный в пластиковую капсулу, был вскрыт и с его поверхности взят сухой агрегат размером примерно 1,5-2 мм. Для компенсации цифровых шумов выполнялось искусственное огрубление разрешения до 2 и 15,8 мкм соответственно, при котором рассчитаны морфометрические показатели. В микромонолите объектом исследования выбрана центральная часть образца (1 сегмент, 611 срезов), агрегат изучен полностью. Расчеты проводились по центральной области сегмента микромонолита (около 80—85 % отснятого объема), к агрегату применен метод объемного оконтуривания (ROI shrink-warp),

позволяющий разделить поровое пространство и внешнюю воздушную среду. (SkyScan CT-Analyser, 2020).

Настройки при микротомографической съемке почвы и реконструкции почвенной структуры сделаны на основе работы с черноземами схожего генезиса для разрешения 16 мкм (Shein et а1., 2013; Abrosimov, 2018), а также исследовании микроструктуры погребенных почв для разрешения 2 мкм. Томографическое исследование отдельно взятых диагностических горизонтов городских почв Ростова-на-Дону при разрешении 16 мкм проводилось в 2014-2016 гг., и опубликовано в ряде работ (Gorbov et а1., 2016, 2018, 2019 гг. Abrosimov et а1. 2019).

В объемные показатели входят: 1) Показатели пористости - общая, открытая и закрытая; 2) Расчеты объемов двух рентген контрастных фаз: порового пространства и твердой фазы; 3) количественные показатели - количество закрытых пор и отдельных почвенных частиц на единицу объема (1 мм3); 4) площади поверхности, 5) показатели, рассчитанные на основе полученных данных - объемная доля закрытой пористости в исследуемом объеме (У01) и объем наиболее крупной поры.

Предыдущие микротомографические исследования структуры городских почв Ростова-на-Дону (Gorbov и др. 2016; 2019; Горбов, 2018) позволили выявить наиболее трансформированные городские почвы - урбостратоземы, что подтверждено наиболее высоким показателем доли закрытой пористости (приложение 6, рисунок 10). Сложение почвы монолитно, агрегированность отсутствует. Все показатели пористости в отличие от доли закрытых пор сильно снижены по сравнению с показателями черноземов миграционно-сегрегационных (приложение 6, рисунок 10). На микроуровне различия минимальны. Связанность порового пространства сопоставима и превышает 99 %, показатели общей и открытой пористости в черноземе из лесопарка даже несколько ниже (на 2-3%), доля закрытых пор минимальна.

а Ь а Ь а Ь а Ь а Ь а Ь

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Рисунок 10. Индексы пористости почв Ростовской агломерации: а - 16 мкм; Ь - 2 мкм; 1,2 - чернозем миграционно-сегрегационный, лесопарк, разрез; 3,4 -чернозем миграционно-сегрегационный урбистратифицированный, селитебная зона, разрез; 5,6 - чернозем миграционно-сегрегационный, залежь, разрез; 7, 8 -чернозем миграционно-сегрегационный, залежь, Ботанический сад, разрез; 9,10 -урбостратозем, селитебная зона, разрез; 11, 12 - чернозем миграционно-сегрегационный, целина, п. Персиановский, разрез 1406.

По объемным показателям на мезоуровне черноземы Ростовской агломерации можно условно разделить на 3 группы:

Группа А) хорошо структурированные почвы, к ним должны быть отнесены нативные черноземы лесопарковых зон города и целинные черноземы Персиановской степи. Для данной группы характерны следующие объемные показатели: доля закрытой пористости менее 7 %, связанность порового пространства более 92 %, общая пористость при расчетном разрешении 16 мкм более 22 %.

Группа Б) черноземы с незначительными изменениями структуры. В эту

группу попадают черноземы, испытывающие на себе повышенную, но не

критичную антропогенную нагрузку в условиях города - чернозем миграционно-

61

сегрегационный на залежном участке Ботанического сада (разрез 1403) и урбистратифицированный чернозем миграционно-сегрегационный (селитебная зона, разрез 1503). Показатели заметно отличаются от вышестоящей группы: связанность порового пространства снижается до 85-88 %, доля закрытых пор увеличивается в 2-3 раза - до 13-15 %, показатель общей пористости снижается до 15-17 %.

Группа В) собственно городские почвы - урбостратоземы, явно выделяющиеся монолитной структурой и нарушенной структурой порового пространства. По объемным показателям: доля закрытой пористости преобладает над открытой в 2-3 раза в объеме микромонолита (приложение 6), Связанность порового пространства - менее 60 %, общая пористость - менее 9 % при высокой доле закрытых пор (рисунок 10).

Однако необходимо отметить, что на микроуровне подобные закономерности не прослеживаются, и аналогичная группировка городских почв по трем группам невозможна.

Показатели связанности и доли закрытых пор сопоставимы во всех образцах. Общая пористость изменяется в незначительных пределах от 35 до 42 %. Очевидно, что критерии оценки сложения почвы, работающие на мезоуровне, несостоятельны для оценки микроструктуры. Вероятно, на мезоуровне избыточный антропогенный прессинг существенно деформирует целый ряд физических свойств почвы, а на микроуровне — генетические свойства чернозема, пребывающего до антропогенной нагрузки в педоклимаксном состоянии, наследуются городскими почвами, что придает им способность противостоять воздействию и сохранять микроструктуру. Это указывает на устойчивость микроструктуры чернозема, как отдельного типа почв.

Возникает также необходимость учитывать ряд других объемных показателей: количество закрытых пор, размеры структурных элементов порового пространства, площадь поверхности, в том числе площадь поверхности закрытых пор.

Количество закрытых пор на микроуровне в зависимости от разрешения может довольно сильно изменяться. Абсолютное большинство этих пор небольшого размера и находится на пределе разрешения (рисунки 11, 12).

Локальный размер пространства пористости: разделение структуры с помощью программного обеспечения СТап). Размер пикселя 2 мкм, объем рендеринга Рисунок 11. Урбостатозем Рисунок 12. Чернозем миграционно-

сегрегационный, залежь, Ростов-на-Дону, Лесопарк

При съемке почвы на микроуровне учитывается в основном внутриагрегатная пористость между зернами или микрочастицами, при этом значительная часть этих пор может образовывать связанные структуры. При более грубом разрешении внутриагрегатная пористость видна лишь частично, тонкие связи между порами отсутствуют, поэтому при грубом разрешении микротомографической съемки количество закрытых пор в одном объеме будет всегда больше, чем при подробном разрешении. Но при этом разница между разрешениями может впоследствии стать основой для математического описания различия микроструктур. Тот же принцип работает и при расчете количества частиц твердой фазы.

Исследуемые образцы сгруппировать по объемным показателям по аналогии с монолитами более сложно, но, в целом, можно выделить две группы образцов:

Группа А) для нее характерна более комковатая и менее монолитная микроструктура почвы, но с более высоким значением количества закрытых пор. Такая микроструктура отмечена в гумусово-аккумулятивных горизонтах двух типов почв - чернозем миграционно-сегрегационный урбистратифицированный, селитебная зона и чернозем миграционно-сегрегационный на залежном участке в лесопарке.

Группа Б) условно более плотная и мелкозернистая микроструктура характерна для остальных четырех типов, к ней относятся как целинный чернозем миграционно-сегрегационный (Персиановская степь), так и глубоко антропогенно-преобразованный урбостратозем селитебной зоны. Объемные показатели (количество закрытых пор и частиц твердой фазы, площади поверхностей) для этих почв различны, но визуальная схожесть структуры явно прослеживается. При этом гумусово-аккумулятивные горизонты черноземов лесопарковой зоны очень близки по таким показателям как количество закрытых пор, площадь поверхности твердой фазы и закрытых пор и количество частиц твердой фазы, но при этом визуально микроструктура различается довольно сильно (рисунок 13, приложение 6).

Внутриагрегатное поровое пространство очень схоже во всех изученных городских почвах. Размеры внутри агрегатных микропор у всех изученных почвенных типов сопоставимы по параметрам и расположению. Наиболее контрастные по значениям показаны на рисунках 11, 12.

Урбостратозем на черноземе

Чернозем миграционно-сегрегационный

Лесопарк

Селитебная зона

Лесопарк, залежь

Ботанический сад, залежь

Селитебная зон а

заповедник Персиановский

Рисунок 13. Микроструктура городских почв в оттенках серого, поровое пространство - черное

Анализ эмпирических распределений пор по форме и ориентации, проводимый в двумерных вертикальных срезах через томографические модели порового пространства при разрешении 16 мкм, позволил сгруппировать гумусово-аккумулятивные горизонты десяти изученных почвенных типов в 5 специфических групп (таблица 6).

Группа 1. Черноземы миграционно-сегрегационные лесопарковых зон города (1504, 1203 и 1402).

Почвы первой группы сформированы под влиянием древесных биоценозов. Для всей группы этих почв характерна комковато-зернистая структура с преобладанием вытянутых изрезанных пор, с высоким содержанием пор изометричной изрезанной формы и равномерным распределением пор по ориентации. При этом под хвойными насаждениями почвы обладают более совершенной комковато-зернистой структурой с максимальным содержанием изометричных изрезанных пор и полным отсутствием пор трещиновидной формы. Под широколиственными посадками в почве появляется небольшое количество трещиновидных пор, не имеющих преимущественной ориентировки.

Группа 2. Чернозем миграционно-сегрегационный молодой залежи (1205). На залежи почва также имеет комковато-зернистую структуру, хотя по сравнению с древесными насаждениями в почве молодой залежи понижено содержание вытянутых изрезанных пор и увеличено содержание пор трещиновидной и округлой формы. Главным отличием молодой залежи от почв под древесными фитоценозами является выраженная тенденция к вертикальной и субвертикальной ориентировке пор и трещин, что может быть связано с преимущественно вертикальной вытянутостью корней и ходов беспозвоночных. Таблица 6. Распределение пор >0,3 мм по форме и ориентации в вертикальных

срезах через тСТ-реконструкцию.

Содержание пор, % от общего количества

в поле зрения

Форма Ориентация

Объект Группа Трещинновидная Вытянутая изрезанная Изометричная изрезанная Изометричная слабоизрезанная Округлая Вертикальная и субвертикальная Наклонная Горизонтальная и субгоризонтальная

1504 Чернозем миграционно-сегрегационный 0 57 38 5 0 31 34 35

под хвойными насаждениями

1203 Чернозем миграционно-сегрегационный 1 7 57 32 4 0 33 35 32

под широколиственными посадками

1402 Чернозем миграционно-сегрегационный 4 56 35 5 0 31 34 35

под широколиственными посадками

1205 Чернозем миграционно-сегрегационный молодая залежь 2 8 48 36 8 0 41 32 27

1406 Чернозем миграционно-сегрегационный 13 55 27 5 0 34 33 33

целина 3

1403 Чернозем миграционно-сегрегационный старая залежь 14 54 27 5 0 23 26 51

1401 Экранированный урбистратифицированный чернозем 4 0 48 33 19 0 34 28 38

1405 Экранированный урбостратозем 0 44 31 25 0 39 39 22

1501 Экранированный урбостратозем 3 54 31 11 0 38 34 28

1503 Урбистратифицированный чернозем 5 18 57 25 0 0 33 20 47

Группа 3. Черноземы миграционно-сегрегационные целины и старой залежи (1406 и 1403).

Особенность этих почв заключается в присутствии значительного количества трещиновидных пор. Благодаря этому общее количество пор анизометричной формы (в сумме с вытянутыми изрезанными порами) близко к 70 %. Таким образом, в почве прослеживается формирование угловато-блоковых структурных отдельностей, разделенных сильно вытянутыми порами. При этом на целине поровое пространство в целом изометрично, что отражает изометричность отдельных компонентов структуры, а на старой залежи резко преобладает горизонтальная и субгоризонтальная ориентировка пор.

Группа 4. Урбостратоземы (1401, 1405, 1501).

В отличие от экспонированных (открытых) почв погребенные и экранированные почвы имеют более массивную структуру. В поровом пространстве это отражается таким образом, что в 2-5 раз возрастает содержание изометричных слабоизрезанных пор, составляющих закрытую пористость, изолированную от пор другого типа и, предположительно, не принимающих участия в процессах влагообмена. Трещиновидные поры отсутствуют полностью или представлены в почве единично. Преимущественная ориентировка пор не выражена, хотя в некоторых случаях (1405, 1501) возможна слабая тенденция к вертикальной вытянутости пор.

Группа 5. Урбистратифицированный чернозем (1503).

В этой почве наблюдается максимально выраженная трещиноватость (18 % трещиновидных пор и 57 % пор вытянутой изрезанной формы). В отличие от всех остальных рассмотренных вариантов здесь полностью отсутствуют не только поры округлой формы, но также изометричные слабоизрезанные поры. При этом содержание полостей с горизонтальной и субгоризонтальной ориентировкой приближается к 50 %. Почва с такими морфометрическими показателями порового пространства (для пор d>0,3 мм) имеет хорошо выраженную плитчатую структуру, что может быть объяснено наличием повышенного трафика на поверхностных горизонтах почвы, которые предшествовали процессу ее погребения и запечатывания.

Морфометрический анализ формы и ориентации пор d>0,3 мм показал существенные различия между экспонированными почвами под различными видами наземной растительности и антропогенно-преобразованными почвами городских территорий. Первые (группы 1, 2 и 3) обладают комковато-зернистой или угловато-блоковой структурой с обособленными структурными отдельностями и обильными межагрегатными порами различной формы и ориентации. Вторые (группы 4 и 5) имеют массивное сложение с высоким содержанием замкнутых слабоизрезанных пор (группа 4) или плитчатую структуру с горизонтальными трещинами (группа 5).

Таким образом, по соотношению томографических объемов пор на мезоуровне городские почвы Ростовской агломерации можно условно разделить на 3 группы: 1) Черноземы миграционно-сегрегационные хорошо структурированные (целина, лесопарковая зона); 2) Черноземы миграционно-сегрегационные (залежь) и урбистратифицированные черноземы миграционно-сегрегационные с незначительными изменениями структуры; 3) Урбостратоземы - собственно городские почвы с монолитной структурой и нарушенной структурой порового пространства.

Морфометрический анализ формы и ориентации тонких почвенных макропор диаметром 0,3-2,0 мм также показал существенные структурные различия между естественными почвами под древесными или травянистыми фитоценозами и городскими антропогенно-преобразованными почвами. Для нативных почв в целом характерно наличие раздельно-агрегатной структуры с обособленными структурными отдельностями и многочисленными межагрегатными порами различной формы и ориентации (черноземы миграционно-сегрегационные). Антропогенно трансформированные почвы городских территорий имеют массивное сложение с изолированными слабоизрезанными порами (урбостратоземы) или плитчатую структуру с горизонтальными трещинами (урбистратифицированные черноземы). Имеются, хотя и менее выражены, структурные различия между естественными почвами под древесными (в

лесопарковых зонах) и травянистыми (на целине и залежах) фитоценозами.

68

Томографический анализ микростроения порового пространства городских почв позволил охарактеризовать антропогенно-преобразованные почвы по ряду томографических показателей. При этом установлено, что структурные изменения, наблюдаемые в микромонолитах на мезоуровне при расчетном разрешении 16 мкм, не наблюдаются на микроуровне при расчетном разрешении 2 мкм. Все исследованные почвы на микроуровне незначительно различаются между собой по величине внутриагрегатной томографической пористости. Это позволяет заключить, что антропогенная трансформация почвенной структуры черноземов даже в экстремальных городских условиях не распространяется на все уровни структурной организации почвы, более того, структура черноземных почв на микроуровне обладает выраженной устойчивостью к внешним воздействиям.

3.3. Урбопедогенез и его влияние на гранулометрический состав

Анализ гранулометрического состава - важная составляющая исследований в области почвоведения, поскольку на уровне элементарных почвенных частиц закладываются основные свойства почв, в том числе такие, как водоподъемная фильтрационная и водоудерживающая способности. В нашем исследовании мы определяли ведущие тренды изменения гранулометрического состава в условиях города с разной силой антропогенного воздействия в условиях черноземной зоны.

С целью поиска наиболее оптимального способа определения гранулометрического состава в урбанизированных почвах анализ был проведен двумя методами: при помощи пипетки Качинского (приложение 3) и лазерной дифрактометрии (приложение 4).

Результаты гранулометрического анализа, полученные разными методами, не

идентичны. Прежде всего, классический метод показывает более высокое

содержание фракций физического песка по всему профилю естественных почв

(разр. 1001, 1005, 1402, 1403). В то же время данные, полученные на лазерном

дифрактометре, характеризуются повышенным содержанием крупной пыли и

низким выходом илистой фракции, что подтверждает исследования, выполненные

ранее другими авторами (Crestana et al., 1986; Строганова, 1998). Как следствие,

именно за счет ила, наблюдается снижение вклада физической глины в

гранулометрический состав. Если по данным пипет-метода некоторые разности

естественных почв диагностируются как легкая глина, то по показаниям

лазерного диагностирования - это средний суглинок. Интересно, что результаты

определения количества частиц средней и мелкой пыли разными методами вполне

сопоставимы. Тем не менее, разница при определении гранулометрического

состава двумя методами оказывается столь существенной, что следует говорить о

принципиальных различиях результатов исследований, полученных методами

лазерной дифракции и седиментации. Как следствие, применение классификации

Н.А. Качинского для определения таксономического названия почв и

почвообразующих пород, выполненных методом лазерной дифрактометрии,

вызывает методические трудности. Однако в том случае, когда целью

70

исследования является не определение классификационного названия почвы, а анализ состава и свойств твердых фаз, метод лазерной дифрактометрии может быть более предпочтительным, так как его важным преимуществом являются высокая скорость и воспроизводимость анализа.

Следует отметить, что закономерности профильного распределения гранулометрических фракций естественных почв как при определении классическим методом, так и при использовании лазерного дифрактометра, если не принимать во внимание абсолютные цифры, имеют одинаковые тенденции. Тем не менее, учитывая невозможность применения классификации Качинского к данным, полученным методом лазерной дифрактометрии, все последующие исследования были проведены методом пипетки.

Ниже, на рисунках 14-17, показан гранулометрический состав нескольких наиболее типичных разрезов в порядке возрастания антропогенного воздействия.

Рисунок 14. Гранулометрический состав чернозема миграционно-сегрегационного (целина), Персиановская степь (разрез 1406)

Рисунок 14 демонстрирует профильное распределение гранулометрических фракций краснокнижного чернозема миграционно-сегрегационного. Нужно отметить, что данный чернозем нельзя назвать типичным представителем, поскольку все почвы проходят этап антропогенного преобразования, а в условиях заповедника этот фактор снижен к минимуму. Но даже при этом, в данном разрезе фиксируется незначительное содержание фракции крупного и среднего песка, которая в нативных миграционно-сегрегационных черноземах отсутствует (Гаврилюк, 1955). Из графика видно плавное распределение фракций вниз по профилю, что для черноземов миграционно-сегрегационных указывает на их ненарушенный профиль. Фиксируется увеличение илистой фракции с глубиной.

Рисунок 15 отображает профильное распределение гранулометрических фракций урбистратифицированного чернозема.

Рисунок 15. Гранулометрический состав урбистратифицированного чернозема (реплантазема), г. Ростов-на-Дону ул. Зорге, (разрез 1503)

По сравнению с разрезом 1406, заметны более резкие переходы фракций по профилю в группе физического песка. Также в сравнении с целинным черноземом отмечается увеличение фракции крупного и среднего песка и снижение фракций физической глины.

Если рассмотреть урбостратозем на погребенном черноземе (рисунок 16) в отношении гранулометрического состава, видно, что в профильном распределении между фракциями наблюдаются еще более резкие переходы.

Рисунок 16. Гранулометрический состав урбостратозема на погребенном черноземе, г. Аксай пр. Ленина, (разрез 1608)

Фракции физической глины, которые в урбостратифицированном черноземе не претерпели значительных изменений, в урбостратоземе имеют более резкие переходы, особенно в урботолще. Содержание крупного и среднего песка до середины профиля колеблется в пределах от 8 до 40%.

В экранированных урбостратоземах (рисунок 17) распределение гранулометрических фракций очень похоже на таковое в неэкранированном урбостратоземе. Чаще всего под экранирующей толщей имеются техногенные (ТСН) горизонты, которые имеют существенно более легкий гранулометрический состав.

Рисунок 17. Гранулометрический состав экранированного урбостратозема на погребенном черноземе, г. Ростов-на-Дону ул. Селиванова, (разрез 1204)

Можно сказать, что антропогенная составляющая в черноземах резко прослеживается по изменению гранулометрического состава. Для нативных черноземов не характерны резкие, скачкообразные переходы фракций в горизонтах по профилю. При слабом антропогенном воздействии наблюдаются скачкообразные переходы чаще всего только в группе фракций физического песка, а доля фракций физической глины уменьшается, но внутри фракции изменения практически отсутствуют. При усилении антропогенного воздействия

в трансформацию гранулометрического состава вовлекаются и фракции физической глины.

Одной из важнейших проблем изучения урбопочв является отсутствие обобщающего подхода к изучению урбогоризонтов, главной причиной тому является неоднородность состава и свойств этой части профиля: урбогоризонты имеют различную природу происхождения, а соответственно, и широкий диапазон изменения свойств. Все это делает невозможным применение стандартных оценок свойств почв. Мы применили условное разделение всей выборки горизонтов, основанное на гранулометрическом составе. Среди урбогоризонтов (UR; RAT; TCH) выделяли тяжелые (URr) - с содержанием физического песка менее 60 %, и легкие (URn) - с содержанием физического песка более 60 %. На наш взгляд, основой для горизонтов группы URr служит материал нативных почв. В среднем содержание физического песка в погребенных горизонтах [AU] равно примерно 50 %, однако, чтобы зафиксировать явные изменения свойств, мы приняли точку раздела в 60 %. Нужно отметить, что данная точка раздела обоснована только для зоны черноземов миграционно-сегрегационных, в других зонах ее необходимо корректировать с учетом гранулометрического состава нативных почв. Также выделили естественные горизонты: AU, BCA, C и их погребенные аналоги: [AU], [BCA], [C]. Данные исследований представлены в таблицах 7 - 10, приложениях

(3-4).

Сравнивая горизонты AU с погребенными аналогами [AU], обнаруживаем

достоверную разницу в содержании фракций крупного-среднего песка, средней

пыли, а также в целом по физическому песку (глине). Из таблицы 7 следует, что в

погребенных горизонтах происходит увеличение доли фракции 1-0,25 мм и

уменьшение 0,01-0,005 мм, в целом доля физического песка в погребенном

горизонте выше. Облегчение гранулометрического состава урбопочв - тренд,

описанный множеством исследователей (Герасимова и др., 2003; Горбов и др.,

2018). Увеличение доли фракций крупного и среднего песка имеет техногенную

природу, связанную, прежде всего, с использованием гравийно-песчаных смесей

75

как стройматериала, применения пескосольных смесей как антигололедного средства, размерность, которой чаще всего составляет 3-0,14 мм (Gorbov et а1., 2016).

Таблица 7. Средние значения гранулометрического состава различных урбогоризонтов, а также погребенных и открытых естественных горизонтов

Ростовской агломерации (п=16-58)

Горизонт Гранулометрические фракции в (мм), (%)

1-0,25 0,250,05 0,050,01 0,010,005 0,0050,001 <0,001 >0,01 <0,01

Шт 4,8 ± 1,7 23,8 ± 3,1 21,8 ± 2,5 6,2 ± 0,8 12,1 ± 0,7 31,3 ± 1,8 50,4 ± 2,4 49,6 ± 2,4

Шл 21,2 ± 6,1 35,3 ± 4,7 15,0 ± 3,8 3,3 ± 0,9 6,9 ± 1,9 18,3 ± 3,3 71,5 ± 3,4 28,5 ± 3,4

Аи 0,8 ± 0,2 20,6 ± 2,6 25,5 ± 2,0 7,3 ± 0,4 12,6 ± 0,6 33,2 ± 1,2 46,9 ± 1,2 53,1 ± 1,2

[Аи] 3,8 ± 2,0 22,5 ± 3,0 24,1 ± 3,8 5,9 ± 0,8 11,9 ± 1,1 31,8 ± 2,6 50,4 ± 2,8 49,6 ± 2,8

ВСА 0,5 ± 0,2 19,3 ± 2,5 23,2 ± 2,9 6,7 ± 0,5 14,5 ± 1,0 35,8 ± 1,2 43,0 ± 2,1 57,0 ± 2,1

[ВСА] 2,2 ± 1,2 19,5 ± 2,7 23,7 ± 2,2 6,5 ± 0,6 13,8 ± 0,8 34,3 ± 2,6 45,4 ± 2,9 54,6 ± 2,9

С 0,4 ± 0,1 15,3 ± 2,1 25,8 ± 1,8 7,5 ± 0,6 14,2 ± 1,3 36,8 ± 1,6 41,5 ± 2,3 58,5 ± 2,3

[С] 1,6 ± 1,2 19,8 ± 2,1 27,0 ± 4,6 6,0 ± 0,9 13,4 ± 0,7 32,2 ± 2,8 48,4 ± 3,2 51,6 ± 3,2

Согласно исследованиям (Гаврилюк, 1955; Захаров, 1946) в черноземах обыкновенных карбонатных (миграционно-сегрегационных) нет фракции 1-0,25 мм. В наших исследованиях получены результаты, свидетельствующие, что данная фракция в среднем по нативным почвам агломерации не превышает 1 %: снижаясь в ряду Аи > ВСА > С = 0,8 > 0,5 > 0,4. В горизонте С нативных почв песчаные частицы чаще всего представлены плотными карбонатными зернами, что косвенно свидетельствует об увеличении выщелачивания. В то же время увеличение фракции 1-0,25 мм в погребенных горизонтах характерно для всех сравниваемых групп: Аи - [Аи]; ВСА - [ВСА]; С - [С]. Таким образом, для

76

миграционно-сегрегационных черноземов наличие фракций крупного и среднего песка является показателем антропогенного преобразования, которое ощущается даже в нативных почвах агломерации.

Интересно, что горизонты ВСА и их погребенные аналоги [ВСА], наиболее близки по составу, достоверная разница для этих горизонтов обнаружена только по фракции крупного-среднего песка (таблица 8). Таким образом, можно отметить, что в горизонте [ВСА] происходит увеличение фракции 1-0,25 мм за счет снижения доли фракции ила.

С другой стороны, сравнение C - [С] показало наибольшие и достоверные различия по фракциям: 1-0,25 мм, 0,01-0,005 мм, <0,001 мм, а также суммарно по физическому песку (глине). В целом тенденции схожи c теми, которые показывает пара сравниваемых горизонтов AU - [АЦ]: содержание крупного-среднего песка возрастает в погребенном горизонте, за счет фракций средней пыли и ила. Естественно, что это перераспределение имеет относительный характер.

Таблица 8. Сравнение гранулометрического состава по горизонтам естественных черноземов рекреационной зоны города и погребенных аналогов: эмпирические и критические значения Стьюдента

Пары сравниваемых горизонтов Гранулометрические фракции (мм)

1-0,25 0,250,05 0,050,01 0,010,005 0,0050,001 <0,001 >0,01 (<0,01)

п=77 Р=0,05 1кр=1,99

AU - [АЦ] 51 0,7 0,7 М 1,1 1,1 2,3

п=53 Р=0,05 йкр=2

ВСА - [ВСА] 3,6 0,1 0,2 0,6 0,9 1,2 1,4

п=39 Р=0,05 1кр=2,03

С - [С] 2,2 1,5 0,4 29 1 3 3,6

В таблицах 9 и 10 представлены результаты статистической обработки данных гранулометрического состава по критерию Стьюдента. Сравнивались урбогоризонты между собой, а также с естественными и погребенными горизонтами. Как и ожидалось, разница между ЦЯт - иЯл достоверна, как достоверна и разница между естественными и погребенными горизонтами с URл.

Общая закономерность, выясняющаяся из этих сравнений: в урбогоризонтах облегченного гранулометрического состава увеличивается содержание фракций песка (1-0,25; 0,25-0,05 мм), доля всех остальные фракций уменьшается (0,05-0,01; 0,01-0,005; 0,005-0,001; <0,001).

Таблица 9. Сравнение гранулометрического состава урбогоризонтов и естественных горизонтов рекреационной зоны города: эмпирические и

критические значения Стьюдента

Пары Гранулометрические фракции (мм)

сравниваемых 1-0 25 0,25- 0,05- 0,01- 0,005- <0 001 <0,01

горизонтов 0,05 0,01 0,005 0,001 (>0,01)

п= =41 Р=0,05 tкр=2,02

ИЯт-ИИл 6,6 3,7 2,9 5,2 6,2 8 8,5

п= =83 Р=0,05 й:р=1,99

ИЯт-АИ 6,9 1,5 2,1 2,7 0,9 1,8 2,9

п=57 Р=0 ,05 tкр=2

ИЯт-ВСА 5,7 2 0,7 1,1 3,7 4,5 4,8

п= =45 Р=0,05 tкр=2,02

ИЯт-С 4,7 4,5 2,6 2,6 3 4,8 5,5

п= =74 Р=0,05 tкр=1,99

ИИл-АИ 13,8 5 4,6 9 7,5 10,7 14

п= =48 Р=0,05 tкр=2,01

ИИл-ВСА 10,4 4,9 3,2 7,4 8 12,7 12,4

п= =36 Р=0,05 tкр=2,03

ИИл-С 8,2 6,6 4,9 8,8 6,9 11,5 11,7

Сравнения ИЯт с естественными аналогами в паре горизонтов ИЯт - Аи показало, что достоверные различия обнаружены для фракций 1-0,25; 0,05-0,01; 0,01-0,005; а также физического песка (физическая глина). Увеличение песчаной фракции в ИЯт происходит в основном за счет крупной и средней пыли. Сравнивание между собой пар горизонтов ИЯт - ВСА показывает, что увеличение крупного песка происходит в основном за счет мелкой пыли и ила. Сравнение ИЯл - С подтвердило достоверную разницу по всем фракциям, общий тренд -увеличение фракций песка (1-0,25; 0,25-0,05 мм) за счет остальных.

Сравнивая выборку по горизонтам ИЯт, с погребенными горизонтами, можно отметить высокую схожесть с выборкой [Аи]: ни одна фракция не имеет

78

достоверных различий. Сравнение фракций в паре URт - [ВСА] повторяет сравнение ЦЯт - ВСА. Сопоставляя выборки горизонтов ЦЯт и [С], обнаруживаем увеличение доли крупного-среднего песка и уменьшение частиц крупной и мелкой пыли.

Таблица 10. Сравнение гранулометрического состава урбогоризонтов и естественных горизонтов рекреационной зоны города: эмпирические и

критические значения Стьюдента

Схема сравнения горизонтов Гранулометрические фракции (мм)

1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,0050,001 <0,001 <0,01 (>0,01)

п=44 Р=0,05 1кр=2,02

Шт-[Аи] 0,8 0,5 1,1 0,4 0,4 0,4 0

п=46 Р=0,05 1кр=2,02

Шт-[ВСА] 2,5 1,6 1 0,5 3^4 2,1 2,8

п=44 Р=0,05 tкр=2,02

Шт-[С] 3 1,3 2,2 0,3 М 0,6 1,1

п=35 Р=0,05 tкр=2,04

иИл-[Аи] 6,2 3,3 3,2 4,9 5 6,9 6,9

п=37 Р=0,05 й:р=2,03

иИл-[ВСА] 7,4 4,2 3,3 6,4 7,8 8,2 9,6

п=35 Р=0,05 tкр=2,04

иИл-[С] 73 3,6 3,8 4,7 7,2 6,8 8,1

Таким образом диагностическим признаком урбопедогенеза можно считать появление в поверхностных и срединных горизонтах черноземов частиц крупного и среднего песка (1—0,25 мм), поскольку в нативных миграционно-сегрегационных черноземах водоразделов Ростовской агломерации их нет. Данная фракция обнаружена во всех изученных почвах в пределах Ростовской агломерации. В целом, с увеличением интенсивности урбопедогенеза содержание песчаных фракций увеличивается, а пылеватых частиц - снижается.

Основой для тяжелых по гранулометрическому составу горизонтов урбик на территории Ростовской агломерации чаще всего служат горизонты ВСА. Гранулометрической фракцией, в наименьшей степени изменяющейся под

Величина критерия Стьюдента по суммарному содержанию фракции физической глины (или физического песка) между нативной почвой и толщей антропогенных горизонтов, превышающая критические значения для изучаемой выборки, может служить показателем степени изменения гранулометрического состава в ходе урбопедогенеза. Этот показатель в тяжелых и легких урбогоризонтах различается кардинально. В группе тяжелых горизонтов урбик разница с нативными горизонтами увеличивается в ряду: АИ > ВСА > С. В группе легких горизонтов урбик в этом же ряду разница с нативными горизонтами уменьшается: АИ < ВСА < С.

3.4. Влияние урбопедогенеза на структурное состояние почв

Изучение изменений в структурном состоянии почв в условиях города представляет важную часть урбопочвоведения, в силу важности этого показателя в оценке устойчивости почвенного плодородия. Интенсивный урбопедогенез приводит чаше всего к отрицательным последствиям, которые проявляются в виде уплотнения структуры, укрупнения фракции, появления остроугольных агрегатов (Приваленко, Безуглова, 2003). Основной проблемой изучения структурного состояния почв урбанизированных территорий является наличие в некоторых горизонтах высокого содержания каменистой части, песка, антропоморфов, которые бывает трудно отделить при анализе. По этой причине в статистическую обработку не включали горизонты, в которых встречались в значительном количестве такие включения или состоящие целиком из песка, чаще всего среди таковых выступали горизонты группы ИЯл.

Еще К.К. Гедройц (1933, цит. по книге 1975) обращал внимание на то, что при изучении структуры почвы сложившаяся практика исследовать только пахотный слой недопустима. Нередко, писал он, структура нижележащего слоя может оказывать даже большее влияние на растения, чем пахотного слоя. Это тем более справедливо для почв городских, где часто в теле почвы встречаются погребенные горизонты, а также слои, оставшиеся от прошлых периодов урбанизации. Структура таких образований резко отличается от структуры соседних горизонтов, меняя всю картину в отношении, например, таких свойств почвы, как плотность и водопроницаемость, а также проницаемость для корней растений. Поэтому структурное состояние нами изучалось по всему профилю.

В исследовании мы применяли два методических подхода к изучению

структурного состояния. Первый основан на разделении урбогоризонтов на

основании гранулометрического состава, а естественных горизонтов на открытые

и погребенные аналоги, так, как это делали при изучении гранулометрического

состава. Второй подход основан на разделении естественных почв по

фитоценотическому признаку, выделяли древесные и травянистые фитоценозы.

Такой подход обоснован высокой долей искусственных лесопосадок в пределах

81

изучаемой городской агломерации. Первичные результаты представлены в приложении 5.

На графиках 18-25 изображено структурное состояние, содержание фракций по результатам сухого, мокрого просеивания в почвах различной степени урбанизации.

В целинном черноземе по итогам сухого просеивания (рисунок 18) прослеживается резкое увеличение структурной фракции размером более 10 мм при переходе из дернового в нижележащий горизонт, содержание этой фракции сохраняется и глубже по профилю со снижением в сегрегационном горизонте ВСА пс.

ОУ. 20% 40У. 60% 80% 100У.

Аи пО-Ю

Аи Ю-43

Аи 1С 43-72

ВСА пс 72-120

С са 120-140/дно ■ ■

>10 10-7 7-5 5-3 3-2 2-1 1-0,5 0,5-025 <0,25

Рисунок 18. Структурное состояние чернозема миграционно-сегрегационного, Персиановская степь (по результатам сухого просеивания, разрез 1406)

За счет этого в горизонте ВСА пс увеличиваются в основном 4 фракции, 10-7 мм, 7-5 мм, 5-3 мм, 2-1 мм. Содержание фракции 10-7 мм, увеличивается вниз по

профилю. Мелкие фракции 1-0,5 мм, 0,5-0,25 мм, менее 0,25 мм, имеют схожее распределение по профилю, их содержание снижается до горизонта Аи 1с 43-72, а ниже происходит относительное выравнивание с незначительные изменениями. Скорее всего, такое распределение связанно с миграционно-сегрегационными процессами и более высокой плотностью нижних горизонтов, которые приводят к образованию более крупных агрегатов. В целом наблюдается уменьшение агрономически ценных фракций с глубиной, исключением является сегрегационный горизонт.

Урбистратифицированный чернозем (рисунок 19) характеризуется резким повышением максимального содержания фракции более 10 мм по отношению к целинному чернозему: с 27% до 45%.

Рисунок 19. Структурное состояние урбистратифицированного чернозема (реплантазема), г. Ростов-на-Дону ул. Зорге (по результатам сухого просеивания, разрез 1503)

В данном разрезе распределение по профилю фракций 10-7 мм, 7-5 мм, 5-3 мм похоже на то, что нами было обнаружено в целинной почве. Некоторой схожестью распределения обладают также структурные фракции 1-0,5 мм, 0,50,25 мм, менее 0,25 мм, однако в отличие от разреза 1406 более высокие значения наблюдаются в нижней части профиля. В целом профиль имеет довольно резкие переходы между горизонтами, которые определяются, по сути, одной фракцией -более 10 мм. Данный разрез, несмотря на то что он не является урбостратоземом, один из худших по состоянию структуры. Видимо это связанно с тем, что он находится в селитебной зоне, где антропогенное воздействие довольно высокое.

На рисунке 20 представлено структурное состояние по итогам сухого просеивания незапечатанного урбостратозема на черноземе.

Рисунок 20. Структурное состояние урбостратозема на погребенном черноземе, г. Аксай пр. Ленина (по результатам сухого просеивания, разрез 1608)

Исходя из полученных данных, можно отметить очень низкую вариабельность во всех структурных фракциях по профилю относительно остальных разрезов (рисунки 18, 19, 21). Это является следствием особенностей преобразования профиля, верхняя нативная часть которого была удалена, а затем появились урбо наносы, при этом, горизонты иЯ1 и ЦЯ3 (тяжелые) имеют генетическую связь с горизонтами ВСА. Относительно резкое изменение в горизонте иЯ2 объясняется высоким содержанием гранулометрических фракций крупного и среднего песка, которые мешают образованию крупных агрегатов даже в условиях чрезмерного уплотнения, характерного для урбогоризонтов. Прослеживается также увеличение структурной фракции размером менее 0,25 мм.

Рисунок 21. Структурное состояние экранированного урбостратозема на погребенном черноземе, г. Ростов-на-Дону ул. Селиванова, (по результатам сухого просеивания разрез 1204)

При анализе результатов по экранированному урбостратозему на черноземе (рисунок 21) отмечается высокая вариабельность содержания структурных фракций по профилю.

Максимум содержания фракции более 10 мм находится на уровне 48%. Нельзя отметить фракции, содержание которых изменялось бы по профилю одинаково друг другу. Интересно, что такое преобразование затронуло даже погребенную часть профиля.

В целом, говоря о показателях сухого просеивания, приходится констатировать, что четкие закономерности в ряду чернозем -урбистратифицированный чернозем - урбостратозем на черноземе -экранированный урбостратозем на черноземе выявить не удалось. Более информативны в этом отношении не деление почв по классификационному признаку, а такие их свойства как: гранулометрический состав, содержание углерода и его форм, уплотнение, а также вид антропогенного воздействия на почву, обуславливающий генезис почвенного профиля.

Тем не менее, некоторые закономерности отметить можно. Так, общим для всех урбанизированных профилей является превалирование фракции более 10 мм, и основная вариабельность по профилям также связана с этой фракцией. В нативных почвах миграционно-сегрегационный процесс сопровождается снижением содержания мелких фракций.

Следует заметить, что сухое просеивание само по себе не всегда информативно, для полноценного анализа структурного состояния необходимо изучать водопрочность агрегатов. Метод Савинова предусматривает так называемое мокрое просеивание, т. е. фракционирование почвы на ситах в стоячей воде. На рисунке 22 представлены данные по итогам мокрого просеивания почвы целинного чернозема (разрез 1406).

На графике видно кумулятивное увеличение фракции менее 0,25 мм вглубь

по профилю. Максимум составляет 56 %. Содержание фракции 3-2 мм, напротив,

с глубиной уменьшается. Фракция 5-3 мм имеет довольно высокое содержание по

всему профилю, за исключением горизонта Сса, в сравнении с другими разрезами

86

(рисунки 23, 24, 25). Содержание фракции 0,5-0,25 мм характеризуется увеличением с глубиной. Показатели фракций 2-1 мм, 1-0,5 мм изменяются по профилю хаотично. Нужно отметить, что по результатам мокрого просеивания невозможно выделить фракцию, которая бы задавала общую динамику, как это было в случае сухого просеивания с фракцией более 10 мм.

0% 20% 40% бОУ. 80% 100%

Аи 17 О-10

Аи 10-43

Аи 1С 43-72

ВС А ПС 72-120

С са 120-140/дио

5-3 3-2 ■ 2-1 1-0.5 0,5-0,25 ■ <0,25

Рисунок 22. Структурное состояние чернозема миграционно-сегрегационного, Персиановская степь (по результатам мокрого просеивания, разрез 1406)

Если рассмотреть данные урбистратифицированного чернозема (рисунок 23), то можно отметить, что в целом так же, как и в целинном черноземе наблюдается увеличение содержания фракции менее 0,25 мм с глубиной. Незначительное уменьшение происходит только в горизонте [BCA к]. В отличие от разреза 1406, здесь данная фракция почти по всему профилю выше суммы остальных фракций, а максимальное значение составляет 92%. Доля фракции 5-3 мм резко снижается, начиная с горизонта RAT2 aj 5-22. Содержание всех фракций в диапазоне 5-0,5 мм

Рисунок 23. Структурное состояние урбистратифицированного чернозема (реплантазема), г. Ростов-на-Дону ул. Зорге (по результатам мокрого просеивания, разрез 1503)

Распределение водопрочных фракций в урбостратоземе на погребенном черноземе (рисунок 24) в большей степени схоже с целинным черноземом. В целом, водопрочность агрегатов в этом разрезе лучше, чем в урбистратифицированном черноземе, однако содержание агрономически ценных фракций остается на низком уровне, оно колеблется в пределах от 22% до 61%. Интересно, что высокие показатели содержания фракции 5-3 мм диагностируются в горизонтах урбик и варьируют в пределах 10-30 %. Следует отметить, что в разрезах 1406, 1503, 1608 (рисунки 22, 23, 24) фракция с наименьшим содержанием по профилю - 3-2 мм.

Рисунок 24. Структурное состояние урбостратозема на погребенном черноземе, г. Аксай пр. Ленина (по результатам мокрого просеивания, разрез 1608)

Очень необычное распределение структурных фракций наблюдается в экранированном урбостратоземе на черноземе (рисунок 25). Отмечается низкая вариабельность фракций по профилю. Таким образом глубокие горизонты имеют довольно высокую водопрочность структуры. Содержание фракции 5-3 мм, в профильном отношении одно из самых низких, а содержание фракции 3-2 мм, наоборот, выше, чем во всех остальных разрезах.

Таким образом, результаты мокрого просеивания показали, что с использованием этих данных также невозможно разделить почвы города на классификационные кластеры по силе антропогенного преобразования почв. Структура почв сложна и зачастую имеет многоуровневую организацию, а влияют на нее множество факторов.

Рисунок 25. Структурное состояние экранированного урбостратозема на погребенном черноземе, г. Ростов-на-Дону ул. Селиванова, (по результатам мокрого просеивания, разрез 1204)

В таблице 11 приведены результаты статистической обработки данных по структурному состоянию (сухое просеивание) отдельных генетических горизонтов почв Ростовской агломерации. Анализ результатов сухого просеивания показал изменение в структурном состоянии открытых естественных горизонтов. Фракция более 10 мм характеризуется как наиболее специфическая для урбопочв и ее содержание в урбогоризонтах достоверно выше во всех парах сравнения. Происходит увеличение данной фракции как в погребенных горизонтах черноземов, так и в горизонтах урбик. Сравнение кластеров ЦЯт -иЯл показало достоверные различия для фракций 0,5-0,25 мм, <0,25 мм.

Таблица 11. Среднестатистическое структурное состояние отдельных генетических горизонтов в черноземах обыкновенных карбонатных и

урбаноземах (сухое просеивание)

Горизонты Размер структурной фракции (мм), (%)

>10 10-7 7-5 5-3 3-2 2-1 1-0,5 0,50,25 <0,25

Ийт 37,9 ± 4,3 11,3 ± 2,2 10,3 ± 2,0 12,3 ± 2,3 4,7 ± 0,8 10,8 ± 2,8 5,3 ± 1,3 3,5 ± 0,9 3,9 ± 0,9

ИКл 31,3 ± 5,7 9,7 ± 1,8 9,9 ± 1,8 10,8 ± 2,1 4,7 ± 1,1 8,2 ± 2,0 6,3 ± 1,3 9,1 ± 5,4 10,0 ± 3,5

AU 18,3 ± 2,6 10,4 ± 0,8 12,0 ± 0,6 16,8 ± 1,1 7,8 ± 0,9 14,4 ± 1,3 9,1 ± 0,8 5,8 ± 0,6 5,4 ± 0,7

[АЦ] 35,0 ± 3,5 9,4 ± 1,5 8,9 ± 1,5 11,2 ± 1,9 5,6 ± 1,1 10,0 ± 2,8 7,7 ± 1,3 5,9 ± 1,1 6,3 ± 1,0

BCA 18,8 ± 3,5 12,8 ± 1,2 12,8 ± 1,1 15,3 ± 1,5 6,9 ± 0,6 12,6 ± 1,4 8,4 ± 0,7 5,9 ± 0,7 6,5 ± 0,9

[ВСА] 30,6 ± 4,6 12,0 ± 1,1 9,9 ± 1,2 11,8 ± 1,7 6,4 ± 1,0 9,4 ± 1,8 7,1 ± 0,9 5,9 ± 0,9 6,9 ± 1,0