Статьи

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. 

Исследована миграция водорастворимой фракции нефтяных углеводородов (ВРФН) в типичных почвах Башкортостана. В лизиметрическом модельном эксперименте выявлена возможность водной миграции нефтяных углеводородов в аллювиальной дерновой, серой лесной почве и остаточно-карбонатном черноземе. Среди растворенных органических веществ (РОВ), переходящих в лизиметрические воды из загрязненных нефтью почв, присутствуют компоненты, не экстрагируемые гексаном, но обладающие флуоресценцией в воде в области длин волн, характерной для ВРФН. Эти вещества отличаются от РОВ природных почв более высокими индексами гумификации HIX и, предположительно, относятся к окисленным продуктам трансформации нефтяных углеводородов. Лизиметрические воды из нефтезагрязненных почв характеризуются биотоксичностью вне зависимости от присутствия в них неполярных нефтяных углеводородов. Индекс токсичности Т положительно коррелирует с содержанием в водах органического углерода (С_орг) и Cl-ионов, сопутствующих загрязнению почв нефтью.

Почвы поверхностного переувлажнения, осушенные трубчатым дренажом, представляют собой аналог лизиметрических установок большой площади, дренажный сток в которых представлен гравитационными водами, подобными лизиметрическим водам. Установлена величина модуля дренажного стока в весенний и осенний периоды на полигонах, осушенных пластмассовым и гончарным дренажом, и её зависимость от влажности года. Показано, что осушение трансформирует тип водного режима с застойно-промывного в промывной. Изучена многолетняя и пространственная динамика выноса илистой фракции почв и соединений железа. Установлен вынос химических элементов с дренажным стоком и его влияние на интенсивность процесса лессиважа в агросерых почвах, осушенных разными видами дренажа.

За период 2015-2019 гг. охарактеризован гидротермический режим почв экосистем больших лизиметров Почвенного стационара МГУ, формирующихся на однотипной породе под различным растительным покровом. Оценено меж- и внутригодовое влияние хвойного, широколиственного и травяного растительных сообществ на динамику температуры и влажности почв. Показано, что спустя 60 лет после закладки лизиметров исследованные слаборазвитые почвы достоверно отличаются по влажности и температурному режиму. Наибольшее влияние (усиливающееся со временем) оказал древесный ярус за счет перераспределения осадков и транспирационного эффекта, значительно снижающих влажность почв и объем лизиметрического стока. Наиболее сухая экосистема (ельник) отличалась от наиболее влажной (залежь) в 2-3 раза по влажности верхнего 20-см слоя и более чем в 10 раз по объему стока. Установлена специфика влияния типа древесных насаждений на температурный режим почв. Для хвойной экосистемы характерны минимальные температурные показатели, тогда как для широколиственной –  максимальные, разность среднегодовых показателей для 10 см составляет более 1,6 ˚С. Показана роль травяного покрова, снижающего температурные экстремумы и испарение с поверхности почв. Оценены сезонные особенности влияния растительного покрова на гидротермический режим почв.

На количественном уровне в 2-х летнем почвенно-лизиметрическом эксперименте оценены основные составляющие баланса СО₂ – эмиссия с поверхности, вынос с лизиметрическим стоком и динамика запасов в 1,5 метровой почвенной толще с учетом межфазных равновесий. Показан значительный (до 22-92%) вклад лизиметрического стока в общий газообмен в холодное время (осень-зима) на фоне малой (0,3-3,7%) доли во время вегетации (весна-лето). Из-за инерционности и нестационарности внутрипочвенных процессов аккумуляции/разгрузки газа эмиссия с поверхности не отражает адекватно гросс-продуцирование СО₂ объемом почвы, занижая в весенне-летний период и завышая осенью. Полученная за 2-х летний срок корреляция эмиссии и гросс-продуцирования СО₂ указывает на возможность 1,3-1,4 –кратного занижения диссимиляционной составляющей круговорота углерода при традиционной  эмиссионной оценке почвенного дыхания. 

На примере данных по многолетней динамике (1967, 1995, 2006 и 2013 гг.) соединений Cu, Ni и Mn в профиле почв под искусственными фитоценозами почвенных лизиметров МГУ апробировано теоретическое уравнение концентрации соединений микроэлементов, поступающих в почву с атмосферными выпадениями, в функции глубины и времени. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования аналитической модели для прогнозирования содержания тяжелых металлов в профиле почвы.