Статьи

Статья представляет собой обзор научных проблем, над которыми работал заслуженный профессор Московского университета имени М. В. Ломоносова Евгений Анатольевич Дмитриев. Основная область его научных интересов — генезис данных о почве и почвенном покрове. Многочисленные работы, выполненные под его руководством, убедительно демонстрируют влияние способов опробования на результаты определения тех или иных почвенных свойств. Как следствие, это влияние распространяется и на конечные выводы, которые могут быть сильно искажены, если не учитывается способ их получения. В попытке решения вопроса «что классифицирует классификация почв» он разрабатывает концепцию «единичной почвы», которая может быть объектом почвенных классификаций, не являясь непосредственно почвенным телом, однако выступая как своеобразный стандартный элемент опробования. Теоретическое осмысление влияния неоднородности почв и почвенного покрова на всех иерархических уровнях на особенности ее «жизни» — тематика второй части научного наследия Е. А. Дмитриева. Он выдвигает концепцию почвенных тел разной мерности, показывает влияние размерностных характеристик этих тел на почвенные режимы и в частности, на водный режим, обсуждает необходимость исследований почвенных режимов на разных иерархических уровнях. Для фиксации неоднородности почвы и почвенного покрова им были разработаны специальные приспособления, при помощи которых проводились исследования на дерново-подзолистых, серых лесных, каштановых и др. почвах.

В условиях лабораторного инкубационного эксперимента было изучено влияние внесения пожнивных остатков растений (солома ржи) и минерального азотного удобрения на образование закиси азота агродерново-подзолистой почвой. Установлено, что прирост содержания углерода микробной биомассы линейно связан с массой внесенных растительных остатков. Важным показателем, характеризующим изучаемую систему, являются соотношение C:N микробной биомассы и ее динамика как при изменении количества вносимых пожнивных остатков, так и во времени. При соотношении C:N = 40 в растительных остатках на ранних этапах их разложения в почве преобладающий процесс микробной иммобилизации азота сменяется на преобладание процесса минерализации органических соединений азота. Показано, что максимальная иммобилизационная «емкость» микробной биомассы по отношению к азоту достигается при соотношении C:N в субстрате, равном 20–40. Установлена зависимость интенсивности эмиссии закиси азота почвами от количества внесенных пожнивных остатков. Показано, что максимальные значения эмиссионного коэффициента (т.е. количество образующейся N₂O на 1 г внесенного углерода) характерны для вариантов эксперимента с внесением субстрата, обогащенного азотом (C:N = 7,5–10), что может быть связано с более полным и быстрым разложением растительных остатков в условиях лучшего обеспечения азотом. 

Определены особенности травяного яруса в связи с применением ухода в типичных городских насаждениях г. Москвы. Характер ухода за насаждениями в большей степени, чем вид древесных пород, детерминирует основные показатели напочвенного покрова. В результате ухода за насаждениями неморальные тенелюбивые виды в травяном ярусе активно замещаются луговыми нитрофильными и прижилищными сорными, относящимися к однолетникам и дерновинным злакам, что способствует повышению скорости биологического круговорота. В городских экосистемах индикационная роль растений по отношению к свойствам почв наиболее снижена в насаждениях с периодическим уходом по причине преобладания в травяном ярусе видов с широкой экологической амплитудой. 

Содержание бензойной кислоты в водной вытяжке из генетических горизонтов подзолистой почвы составляет 3,27 и 1,83 мг/кг в органогенных горизонтах L и F, соответственно, и снижается до сотых долей мг/кг в минеральных горизонтах. Сорбция бензойной кислоты на Са-монтмориллоните возрастает от 5,61 до 15,34 ммоль/кг с увеличением ее равновесной концентрации от 0,02 до 1,45 ммоль/л. С учетом содержания и минералогического состава илистой фракции находящиеся в составе ила лабильные минералы в верхних минеральных горизонтах подзолистой почвы способны сорбировать 0,06–0,15 ммоль бензойной кислоты на 1 кг почвы в том же интервале равновесных концентраций. Полученные изотермы сорбции в наибольшей степени соответствуют линейному уравнению и уравнению Фрейндлиха. Предполагается, что в условиях эксперимента основными механизмами сорбции бензойной кислоты были мостиковые связи через ионы кальция или молекулы воды его гидратной оболочки и электростатическое взаимодействие бензоата с положительно заряженными силанольными и алюминольными группами на боковых сколах монтмориллонита. Поглощения бензойной кислоты в межслоевом пространстве минерала не происходило.

Были изучены особенности состава и свойств водорастворимых органических веществ (ВОВ) в зависимости от их локализации в разных частях порового пространства почвы, что влияет на их устойчивость к биодеструкции. ВОВ дернового и гумусового горизонтов перегнойно-гумусовой глеевой почвы, искусственно насыщенной до полной влагоемкости, выделяли методом последовательного центрифугирования из пор диаметром более и менее 30 мкм. По общей концентрации углерода и фенольных соединений, спектрам поглощения и флуоресценции растворы достоверно не отличаются, но сильное варьирование показателей (отношение максимальных и минимальных значений в 4–15 раз) свидетельствует о неоднородности состава извлекаемых веществ. Концентрация простых фенолкарбоновых кислот (ФКК) в растворах крупных пор гумусового горизонта в 4–8 раз выше, чем в более мелких, доминируют салициловая, бензойная и коричная кислоты (75% от общего количества). В мелких порах преобладают р-гидроксибензойная и бензойная кислоты (67% от общего количества). ВОВ подзолистой почвы, присутствующие in situ в горизонте (ЕLВТg) при влажности почвы 22%, были получены с помощью вакуумных лизиметров из пор диаметром более и менее 14,7 мкм. В растворах из крупных пор ВОВ содержат больше С, N, фенольных соединений; судя по спектрам поглощения, имеют бо́льшую молекулярную массу и степень ароматичности. Вещества мелких пор более гидрофобны и характеризуются более широким отношением C:N, т.е. потенциально более устойчивы к разложению. Преимущественная приуроченность фенольных соединений к растворам крупных пор обеспечивает возможность их сохранения в почве за счет переноса с потоками влаги в нижние горизонты, где они химически стабилизируются в виде органоминеральных соединений.

Детально изучены особенности антропогенной трансформации природных каштановых почв и генезиса городских почв в условиях сухостепной природной зоны на территории г. Волгограда. Изучение проведено методом сравнения морфологических, физических и химических характеристик естественных почв и их антропогенно-измененных аналогов. Для каждого из 16 разрезов было проведено морфологическое описание. Морфологические характеристики городских почв и каштановых почв окрестностей города сопоставлены. Под влиянием урботехнопедогенеза исчезают природные светлогумусовые горизонты AJ, а средняя мощность диагностических ксерометаморфических горизонтов BMK уменьшается. Верхняя граница аккумулятивно-карбонатного горизонта BCA опустилась относительно поверхности в среднем на 32 см по сравнению с естественными каштановыми почвами. Под влиянием урботехнопедогенеза появились включения, представленные обломками стройматериалов и мусором, накопленными в процессе функционирования человеческих поселений, изменились структура, плотность, характер вскипания от HCl 10%. Современные поверхностные горизонты часто вскипают от HCl 10%. В озелененных рекреационных зонах города вследствие полива территории произошло выщелачивание карбонатов. Выявлены варианты морфологической трансформации каштановых почв, формирующихся на территории г. Волгограда в результате урбопедогенеза. Первый вариант — почвы начальных стадий технотрансформации, с изменениями на уровне верхних горизонтов. Второй вариант — почвы с мощными урбиковыми горизонтами, перекрывающими сохранившиеся диагностические горизонты. Третий вариант — погребение естественных пород техногенными грунтами различной мощности с почти полным уничтожением (изъятием) естественных горизонтов почв. Четвертый вариант — почвы с мощными гумусовыми горизонтами, сформированные за счет интенсивного привноса органического вещества в подсыпках компоста. Отмечено, что большинство почв города имеет профили, полностью сформированные на техногенных отложениях, и не содержат природных почвенных горизонтов в верхней толще 1,5 м. Согласно Полевому определителю почв России, исследованные почвы первого варианта трансформации определены как урбистратифицированные. Почвы остальных вариантов трансформации могут быть отнесены к техногенным поверхностных образованиям. Содержание органического углерода в урбиковых, техногенных и реплантанированных горизонтах в среднем составляет 1,1, 0,25 и 1,6% соответственно. Химический анализ урбиковых, рекультивационных и техногенных горизонтов выявил низкое содержание легкорастворимых солей — 0,14% и карбонатов — 0,9%. Плотность в горизонтах UR и RAT в среднем составляет 1,4–1,43 г/см³, в горизонтах TCH — 1,55 г/см³. Значение плотности сложения погребенных горизонтов в среднем составляет в AJ — 1,43 г/см³, в BMK — 1,49 г/см³, в B — 1,62 г/см³, в BCA — 1,54 г/см³, что выше средних показателей плотности для нативных каштановых почв. Для погребенных горизонтов характерны меньшие значения содержания карбонатов кальция, чем в фоновых, подщелачивание среды, а также уменьшение органического углерода в среднем на 0,35% в горизонтах AJ, BMK и B и на 0,28% в BCA. Среднее содержание CaCO₃ в верхних гумусовых и срединных горизонтах составляет 1,4%, а в карбонатном горизонте 4,3%. Полученные результаты позволяют более детально изучить особенности генезиса городских почв и антропогенной трансформации природных каштановых почв в городских условиях сухостепной природной зоны.

В пределах ландшафтов верхнего течения р. Клязьмы изучен многолетний компонентный состав природных вод в системе: снеговые воды — почвенные растворы — почвенно-грунтовые воды — поверхностные воды. Установлено, что закономерное превышение содержания основных макро- и микроэлементов в почвенных растворах по сравнению со снеговыми водами на последующих этапах вначале сменяется увеличением концентрации компонентов в почвенно-грунтовых водах, с последующим снижением содержания в поверхностных водах — ручьях и речных водах. Показано, что относительно высокая подвижность натрия, магния, калия и кальция, а из анионов хлорид- и нитрат-ионов сопровождается существенным уменьшением подвижности элементов семейства железа, меди и цинка на переходе от почвенно-грунтовых вод к поверхностным водам. Это объясняет широкое распространение сегрегированных форм, представленных в виде ортштейнов в почвах полугидроморфных ландшафтов, вплоть до ортзандов, а в заболоченных условиях притеррасных понижений на границе с супераквальным ландшафтом — формирование типичных болотных руд. Таким образом, анализ состава природных вод и его изменения служит не только хорошим, но и необходимым инструментом для объяснения особенностей миграции элементов в системе «почвы — природные воды», и выявления механизма формирования почвенных новообразований.

На примере московского мегаполиса рассматриваются методологические проблемы количественной оценки загрязнения городских почв бенз(а)пиреном и их биоремедиации. Использованы доступные материалы научных публикаций и официальных отчетов муниципальной системы «Мосэкомониторинг» по загрязнению городских почв бенз(а)пиреном и закономерностям его динамики. Методическую основу исследования составило математическое моделирование, включающее как нелинейный регрессионный анализ в программе S-Plot-11, так и численное компьютерное моделирование в среде Matlab-7. Анализ опубликованных материалов выявляет минимум двукратное превышение предельно допустимого уровня загрязнения городских почв бенз(а)пиреном на 70% территории московского мегаполиса при большой вероятности крайне высокой степени загрязнения в несколько десятков ПДК на 10% площади города. В отличие от известных работ в данной области, исследование связывает такую негативную ситуацию не с устойчивостью бенз(а)пирена в почвах, а с его высокой техногенной нагрузкой. Простая кинетическая модель, верифицированная по экспериментальной информации о биодеструкции бенз(а)пирена в почвах, позволяет оценить допустимые пределы техногенной нагрузки, гарантирующие самоочищение городских почв от этого опасного поллютанта в условиях г. Москвы. 

Показано, что культурные слои урбоэкосистем отличает накопление всех групп (общего, минерального, органического) фосфора. При этом гумус горизонтов антропогенного происхождения обогащен органическим фосфором по сравнению с природными аналогами в 3–10 раз. Ввиду нейтрального и близкого к нейтральному характеру почвенной кислотности снижена подвижность всех групп соединений фосфора, что является главной причиной их закрепления в профиле стратоземов. Обнаружено, что групповой состав фосфора в почвах городищ и поселений не отражает зональные закономерности накопления и профильного распределения фосфора, но может служить надежным индикатором наличия антропогенной деятельности в прошлом, а также конструктивных особенностей археологических сооружений. 

Почвы городов содержат значительные запасы органического вещества (ОВ), в процессе минерализации которого образуется СО₂, играющий важную роль в контексте глобального изменения климата. Известно, что скорость минерализации ОВ увеличивается с повышением температуры почвы, а величина такого эффекта во многом зависит от ее физико-химических свойств. В то же время влияние функционального разнообразия микробного сообщества на температурную чувствительность минерализации ОВ (Q₁₀) остается все еще малоизученным и особенно для урбоэкосистем. Поэтому наше исследование было сфокусировано на оценке влияния функционального разнообразия микробного сообщества на показатель Q₁₀ для почв различных городов. В Санкт-Петербурге, Москве, Воронеже и Краснодаре, которые расположены в разных биоклиматических зонах (южная тайга, смешанные леса, лесостепь и степь соответственно), было выбрано по четыре городских парка, в которых отбирали образцы почвы из верхнего 10-см слоя. В почвенных образцах определяли скорость минерализации ОВ при разных температурах (10, 20, 30 и 40°С) для последующего расчета Q₁₀. В качестве факторов, влияющих на Q_10, определены физико-химические (влажность, гранулометрический состав, pH, содержание C, N, P₂O₅ и K₂O) и микробные (функциональное разнообразие и углерод микробной биомассы) свойства почвы. Показано, что пространственное варьирование Q₁₀ гумусовых горизонтов почв изученных городов связано в основном с их гранулометрическим составом, содержанием С, N и влажностью, а функциональное разнообразие коррелирует с содержанием P₂O₅. Закономерного изменения Q₁₀ и изученных свойств почвы городских парков вдоль широтного градиента не выявлено, однако показана отрицательная зависимость Q₁₀ от функционального микробного разнообразия (R²=0.50). Можно полагать, что высокое функциональное разнообразие способствует снижению «чувствительности» минерализации ОВ почвы к изменению температуры.

В поселке Коммунарка (Новая Москва) на участках застройки 1938–2014 гг. и в рекреационной зоне исследованы закономерности эмиссии СН₄ и СО₂ из почв и определяющие их факторы. Показано, что интенсивность образования и окисления метана и, как следствие, содержание этого газа в почвах и эмиссия в атмосферу зависят от времени создания реплантоземов и возраста городских почв. В летний период эмиссия метана из почв селитебной зоны по медианным значениям отсутствовала или не превышала 0,01 мг СН₄·м^-2·ч^-1. Происходило поглощение метана из атмосферы. Однако наблюдалась локальная эмиссия СН₄ из некоторых почв. В период с достаточным увлажнением ее максимальная интенсивность из самых молодых реплантоземов достигала 5,25 мг СН₄·м^-2·ч^-1 и уменьшалась на порядок из почв у домов 2001 г. постройки и старше. В засушливый период локальная эмиссия из молодых реплантоземов составляла всего 0,03 мг СН₄·м^-2·ч^-1 и снижалась в 3 раза у домов 1938 г. постройки. Наиболее опасным источником метана в атмосферу были переувлажненные городские почвы, содержащие бытовой мусор. Максимальная эмиссия СН₄ из них составила 57,15 мг СН₄·м^-2·ч^-1. Содержание углекислого газа в техногенных горизонтах реплантоземов и серогумусовых техногенных почв уменьшалось с увеличением возраста застройки. Эмиссия углекислого газа в меньшей степени, чем метана, зависела от времени формирования почв. Тем не менее, в условиях достаточного увлажнения максимальное выделение СО₂ в атмосферу происходило из молодых реплантоземов (до 3606 мг СО₂·м^-2·ч^-1), а в условиях недостаточного — из почв более старых микрорайонов (до 664 мг СО₂·м^-2·ч^-1) и из перегнойно-глеевых почв (до 1901 мг СО₂·м^-2·ч^-1).

Был исследован комплекс культивируемых сапротрофных бактерий и дрожжевых грибов в компонентах почвенных конструкций различного генезиса (гумусовый почвенный горизонт и торф) одновременно с оценкой ауксин-продуцирующей активности (синтез 3-индолилуксусной кислоты, ИУК) выделенных из них штаммов бактерий и дрожжевых грибов. Исследование проводили на этапе закладки двух вариантов конструкций в г. Сыктывкар, сформированных из компонентов местного происхождения (вариант 1) и привезенных (гумусовый почвенный горизонт, Москва, торф «Селигер-агро», Тверская область) (вариант 2).

Таксономическая структура комплексов микроорганизмов, выделенных из изученных субстратов, обладала значительным сходством. В то же время в компонентах варианта 1 было выявлено большее разнообразие устойчивых к неблагоприятным условиям окружающей среды видов культивируемых сапротрофных бактерий рода Bacillus, а также присутствие психрофильных базидиомицетовых дрожжей Leucosporidium scottii, которые не были встречены в компонентах варианта 2.

Средняя продукция ИУК штаммами дрожжевых грибов исследованной выборки составила 647.6 мкг/л, сапротрофных бактерий — 741.3 мкг/л. Наибольшие значения концентрации ИУК в культуральной жидкости были обнаружены у дрожжевых грибов Tausonia pullulans (штамм Y-6) - 3362,6 мкг/л, выделенного из гумусового почвенного горизонта варианта 1, и сапротрофных бактерий Flavobacterium рsychrophilum (штаммы: B-7 — 2616.8 мкг/л и B-5 — 1056.3 мкг/л, выделенных из гумусового почвенного горизонта варианта 1 и из торфа вариант 2. Для дрожжей Leucosporidium scottii и бактерий Flavobacterium рsychrophilum способность к синтезу ИУК показана впервые.

Мы исследовали загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ), используя методы последовательной статической химической экстракции. Это позволило определить количество металла, экстрагированного уксусной кислотой. Новая аппаратура, позволяющая выполнять динамическое экстрагирование ТМ и получить экстрактограммы, открывает дополнительные возможности: определить число групп частиц, различающихся по устойчивости к данному реагенту, и определить статистические показатели каждой группы частиц. Предложена новая методика расшифровки экстрактограмм, основанная на их деконволюции на ряд асимметричных гауссиан, отвечающих отдельной группе частиц – носителей ТМ. Среди статистических показателей гауссиан: относительная устойчивость к данному реагенту каждой группы частиц, их дисперсия D, асимметрия As и эксцесс Ех. Статистические показатели Са-Mg-частиц – носителей ТМ в городских почвах показывают высокую неоднородность по устойчивости частиц к уксусной кислоте по сравнению с частицами во внегородских почвах. Вероятная причина отличия городских почв – иной состав Са-Mg-минералов, чем во внегородских почвах, где Са-Mg-минералы представлены карбонатами. Городские исходно бескарбонатные почвы загрязнены Са-Mg-содержащими строительными отходами: цементом, известью и асбестом, а также содержат образованные из Са-Mg-отходов вторичные карбонаты. Городские уксуснорастворимые поллютанты относятся к таким группам минералов, как техногенные гидроксиды, силикаты и алюминаты кальция и магния, что сильно отличает их химические свойства от свойств природных карбонатов.  Обилие минеральных частиц, как носителей ТМ, определяет разнообразие и неоднородность частиц, растворимых уксусом в городских почвах.

В работе рассмотрены существующие методические подходы, используемые в отечественных и зарубежных исследованиях городских почв. Проведен анализ методов изучения городских почв с учетом особенностей их формирования и функционирования как объекта ландшафтного проектирования на примере города Москвы. Представлена информация о территориальной и функциональной организации городского пространства. С точки зрения методических подходов к исследованию почв города предлагается их разделение на две группы: разновозрастные почвы с насыпными поверхностными горизонтами из различных рекультивантов и природные поверхностно-преобразованные без насыпного субстрата. Рассматриваются особенности методических подходов к изучению каждой группы. Отмечается, что существенное влияние на строение, свойства и функционирование антропогенных городских почв оказывает вещественный состав почво-грунтов, из которого они сформированы. Применение различных по составу и свойствам почво-грунтов для формирования верхней части профиля городских почв, подчас неизвестная история их функционирования и использования, возможные многочисленные нарушения обусловливают чрезвычайно высокую и чаще всего несистематическую их пространственную и временную вариабельность. В связи с возрастанием интереса научной общественности к качественной оценке городской среды наиболее перспективным представляется применение методов изучения результирующих экологических функций городских почв с помощью интегральных показателей, а также разработка подходов, методик и технологий создания почво-грунтов, отвечающих принципам «зеленого» природопользования.

Городские почвы – относительно новый объект исследования для почвоведов. Высокая плотность населения и интенсивность урбанизации, а также экологические проблемы в Европе, спровоцированные Второй мировой войной, побудили исследователей в середине 20 века обратить пристальное внимание на экологические проблемы городов и в том числе городских почв, как базиса для городских экосистем. Хотя отдельные исследования городских почв известны уже с начала прошлого века, в частности, Василий Васильевич Докучаев в последние годы жизни планировал провести комплексное исследование всех компонентов природы Санкт-Петербурга, но судьба не оставила ему сил и времени для этого. Как это часто бывает с идеями гениев, они начали реализовываться лишь через много лет.

Несмотря на то, что массовым регулярным исследованиям городских почв в мире уже более 40 лет и количество исследователей в этой области непрерывно растет, сама тематика продолжает вызывать острые дискуссии. И в России, и за рубежом до сих пор есть почвоведы, отказывающиеся признать, что в городе может быть почва, кроме той, что сохранилась в городских лесопарках. Более осторожные специалисты призывают не рассматривать городские почвы как объект для фундаментальных генетических исследований, а лишь ограничиться характеристикой их экологических функций, в первую очередь для целей озеленения.

Как это ни странно покажется российскому читателю, зарубежные ученые часто отрицают высокую степень «антропогенности» городского почвенного покрова. Почвы на техногенных отложениях, если эти отложения не отличаются высокой специфичностью свойств, вызванной большим количеством антропогенных включений или запечатыванием под дорожным покрытием, рассматриваются как относительно молодые почвы, сформированные природными почвообразовательными процессами, а значит, как природные почвы. На этом основании на почвенных картах европейских городов процент специфических городских техногенных почв относительно невысок. Отечественные почвоведы до сих пор в большинстве своем считают, что на техногенной породной основе почвы в полном смысле просто быть не может, и на этом основании отказывают городским почвам в возможности рассмотрения их как продукта природной эволюции и объекта генетических исследований.

Кроме того, как нестандартный молодой объект исследования, почвы города помогают взглянуть на уже устоявшиеся взгляды и концепции с непривычной стороны и подвергнуть их сомнению. Непривычное сочетание условий почвообразования и конечных свойств объекта побуждают искать новые методы исследований, что далеко не всегда даёт бесспорные результаты, и, конечно, вызывает бурю сомнений у коллег. Дискуссию вызывают и неожиданные результаты, полученные уже хорошо апробированными методами, надежность которых доказана.

Тем не менее, из года в год почвы городов пробуждают все больший интерес исследователей. Продолжают появляться все новые и новые направления и объекты исследований внутри городской среды. Растет цитируемость научных трудов по городским почвам. Преимущества получают исследования, имеющие междисциплинарный оттенок, позволяющий точнее оценить особенности факторов почвообразования, их влияние на почвообразовательный процесс и вписать почвообразование, происходящее в городе, в картину общих представлений о природе и формировании почв на планете Земля.

Содержание этого номера вполне отражает изложенные тенденции в развитии знаний о городских почвах. Представленные материалы побуждают к дискуссии, что как нельзя лучше соответствует духу университетской среды.